迎爆面形状对防爆墙爆炸防护性能影响研究

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防爆墙作为一种野战阵地防护设施,可以有效隔离爆源和防护目标,大幅度降低爆炸冲击波及弹片对重要军事目标及人员的破坏和杀伤效应。随着含能材料领域研究的不断深入,现代化战争期间出现和投入使用了大量高新武器装备,其产生的冲击波会对防爆墙造成严重破坏甚至倾覆,且冲击波在接触到防爆墙后产生的绕射会在墙后形成较高的超压,会对战场重要装备和人员造成严重威胁。因此,研究防爆墙对爆炸冲击波的消减能力对保护人员和设备有着重要意义。本文在传统直式防爆墙的基础上,提出三角波形迎爆面防爆墙,通过实爆实验和数值模拟,对两种防爆墙进行抗爆性能研究,主要研究内容及结论如下:(1)将三参数形式的修正的弗里德兰德公式、指数衰减公式的拟合曲线与实验获得的压力时程曲线进行对比研究,结果表明,指数衰减关系预测的超压峰值能较好地体现冲击波的初始信号;修正的弗里德兰德公式由于固定了实验所测超压峰值和正相持续时间,虽然能较好地吻合冲击波正相衰减过程,但是在预测冲击波的初始信号时有一定的局限性。(2)通过不同形状迎爆面防爆墙室内抗爆实验以及数值模拟,研究发现,顶部绕射的冲击波难以到达地面测点,地面测点的Pm1压力峰值和Pm2压力峰值均来自侧面绕射,而空中测点的Pm1压力峰值来自顶部绕射和侧部绕射的耦合,Pm2压力峰值来自侧面绕射。墙后目标的毁伤主要来自于冲击波在防爆墙的侧面绕射,Pm2压力峰值最大可达Pm1超压峰值的6.8倍。墙后地面的Pm2压力峰值呈现先增大后减小的趋势,墙后空中的Pm2压力峰值持续衰减。相比于直式迎爆面防爆墙,三角波形迎爆面防爆墙背爆面地面的Pm1超压峰值最大减小率可达35.49%,Pm2超压峰值最大减小率可达77.91%,随着药量的增加,加装了三角波形迎爆结构的防爆墙的消波率逐渐减小,但仍能比直式迎爆面防爆墙减小20%以上的冲击波超压。(3)设计并进行三角波形迎爆结构面单元的抗爆性能及机理研究实验,研究发现,右斜面入射角度β在5°~11°时,入射超压随入射角度增大的近似增长率为4.128%;入射角度β在11°~25°时,近似增长率为1.425%。左斜面入射角度α在32°~52°时,入射超压随着入射角度的增大近似于线性增长,近似增长率为13.156%。凹槽部位入射角度γ在62°~87°时,入射超压随着入射角度的增加近似于线性增长,近似增长率为15.863%。近似增长率越大,入射超压随着入射角度增加的速率越快,入射角度越大,入射超压越大。爆炸冲击波会在传统直式迎爆面上形成反射,立即产生马赫波向结构边界传播,最后在结构边界形成绕射波,而三角波形迎爆结构面会通过其自身结构形式引导冲击波进行反射和绕射,扰乱冲击波的正常传播路径,在传播途中形成湍流,一方面可以延长冲击波的传播路径达到消波效果,另一方面可以利用自身结构达到能量自消除的目的。(4)设计并进行不同形状防爆墙外场抗爆数值模拟,模拟结果显示,防爆墙迎爆面受到主要爆炸冲击波的顺序是:(1)爆炸冲击波的入射波、(2)爆炸冲击波由地面反射的马赫波、(3)墙面反射后向下产生的马赫波与地面反射波形成的马赫波在墙底脚的叠加波。直式迎爆面防爆墙后地面测点的最大超压均出现在约2倍防爆墙高度处,防爆墙后空中测点的最大超压出现在约1倍防爆墙高度处。对墙后不同位置处的冲击波压力进行拟合,得到了墙后空中和地面的超压预测公式,墙后地面的相对安全区域在约4~4.5倍防爆墙高度后,墙后空中的相对安全区域在约3.5~4倍防爆墙高度后。(5)在传统直式迎爆面防爆墙模型基础上加装三角波形迎爆结构进行抗爆模拟实验,模拟结果表明,三角波形迎爆结构面能吸收更大的冲击波能量,冲击波沿三角波形迎爆结构的沟槽方向,会在防爆墙附近形成较强的绕射波。相比于直式迎爆面防爆墙,三角波形迎爆结构面防爆墙冲击波消减提升率最大值分别为7.78%,11.41%,13.12%,在近距离爆炸时,加装三角波形迎爆结构有更优的爆炸防护性能。
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