（安全技术及工程专业论文）爆炸综合毁伤效应研究.pdf

a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ar e s e a r c hh a sb e e nm a d eo nt h em u l t i d a m a g ee f f e c to fe x p l o s i o n ，b o t h t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y f o u rk i n d so fe x p l o s i o nd a m a g ee f f e c tw e r ec o n s i d e r e d ，i e t h ed a m a g e sb ys h o c kw a v e ，h e a tr a d i a t i o n ，f r a g m e n ta n ds u f f o c a t i o n t h ee m p h a s i so f a n a l y s i sw a sp u t t e do nh u m a na n db u i l d i n g s a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t ao b t a i n e db yf i e l dt e s t s ，t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s o fs h o c kw a v e sf r o me x p l o s i v ee x p l o s i o n sw e r ea n a l y z e d t h ec u r v e so fo v e r p r e s s u r ea n d i m p u l s ev ss c a l e dd i s t a n c ew e r ef i r s tf i t t e da n dt h e nu s e df o rt h ea n a l y s i so fd a m a g e sf r o mt h e s h o c kw a v e so f2 7 k gd i f f e r e n te x p l o s i v e st oh u m a na n db u i l d i n g s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e h i 曲一e n e r g yf u e li nt h ee x p l o s i v e sc a nl e a dt oah i g h e rp o w e ro u t p u tt h a nt h eo r d i n a r y e x p l o s i v e s ，s u c ha st n t t h ed a m a g ee f f e c to fh e a tr a d i a t i o nw a se x p l o r e d ，a n dac o m p u t e r p r o g r a ma b o u tr a d i a t i o np a r a m e t e r sw a sc o m p i l e di no r d e rt om a k et h ec a l c u l a t i o no f p a r a m e t e r sb em o r ec o n v e n i e n ta n di n t u i t i v e as i m p l i f i e dm o d e lo ff r a g m e n t a t i o nw a sm a d e ， a n dt h es p e e do ff r a g m e n tw a sm e a s u r e dt h r o u g hs t a t i cf i e l dt e s t b a s e do nt h ea c h i e v e dd a t a , d a m a g e st oh u m a nw a se v a l u a t e db yk i n e t i ce n e r g y t h ee v a l u a t i o ns h o w st h a tf r a g m e n t sb y 6 0 9e x p l o s i v ec o u l dm a k ei n j u r yo rd e a t hi nl e s st h a n3 m f u r t h e r m o r e ，t h ec a l c u l a t i o no f o x y g e nc o n t e n tw a sd e d u c e da n dw a sa p p l i e df o r7 0 9e x p l o s i v ei nar o o m 、析m7 0 m v o l u m e t h ed a m a g ee f f e c to fo x y g e nc o n c e n t r a t i o nw a sa n a l y z e d ac o m p r e h e n s i v em e t h o df o re v a l u a t i n gt h e m u l t i d a m a g ee f f e c t o fe x p l o s i o nw a s i n i t i a l l yp r o p o s e d a n dac a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft n te q u i v a l e n tw a sd e r i v e df o rt h e r m o b a r i c w a r h e a d i na d d i t i o n ，t h ee v a l u a t i o nm e t h o dw a sv e r i f i e db ym e a n so fe x p l o s i o nf i e l dt e s t ，a n d m u l t i - d a m a g e sf r o ms h o c kw a v ea n df r a g m e n tt oh u m e na n db u i l d i n gw e r ea n a l y z e d ，w h i c h h a sp r o v e dt h er a t i o n a l i t yo f t h em e t h o d k e yw o r d s ：e x p l o s i o n ，s h o c kw a v e s ，h e a tr a d i a t i o n , f r a g m e n t ，s u f f o c a t i o n ，m u l t i - d a m a g e i l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：羝蜜弋p 。8 年月铂 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生躲业! 丑霞湘g 年f 月日 硕士论文 爆炸综合毁伤效应研究 1 绪论 1 1 研究背景及意义 最早的炸药一黑色火药，是9 世纪初或更早时间，由中国练丹师们发明的。l o 世 纪，中国古代首先将火药用于军事i i j 。1 8 世纪以后，化学作为- - i 1 学科有了迅速的发展。 为炸药原料的来源和合成及制备提供了条件，许多化学家致力于研制性能更好，威力更 大的爆炸材料，使各种新型炸药接涌出现。1 8 世纪末，英国化学家霍华德发明了起爆药 雷汞。1 9 世纪6 0 年代，诺贝尔发明了新的烈性炸药- 达纳炸药。1 9 世纪末，德国人 亨宁发明了黑索今。在原子弹出现以前，它是威力最大的炸药，又被称为“旋风炸药。 在第二次世界大战之后，曾取代了梯恩梯的“炸药之王的宝座。2 0 世界6 0 年代以起 【2 1 ，燃料空气炸药的发明，引起了人们的注目并得到了迅速的发展。 这一系列炸药的发明和发现，使人类得到了新的能源砷药能源。由于炸药爆炸 能在极短时间内释放出巨大能量，它在军事、采矿、爆破等领域得到了极其广泛的应用， 大大提高了人类改造自然的能力。然而，在生产、储存、运输和使用过程中，屡屡发生 的爆炸事故，造成了巨大的财产损失和人员伤亡。 2 0 世纪7 0 年代以来p j ，世界范围内重大工业事故不断发生，给人类正常的生产、生 活造成了巨大威胁和伤害。如1 9 7 6 年意大利塞维索工厂环己烷泄漏事故，造成3 0 人死亡， 2 2 万人紧急疏散；1 9 8 4 年1 2 月3 日，印度博帕尔一农药厂发生的甲基异氰酸酯泄漏恶性 中毒事故，造成2 5 0 0 多人中毒死亡，2 0 余万人中毒受伤，其中大多数人双目失明致残， 6 7 万人受到残留毒气的影响；1 9 8 6 年4 月2 6 日，切尔诺贝利核电站爆炸事故，3 1 人死亡， 1 3 5 万人紧急疏散，累计受害人员达9 0 0 万人。 近些年来，在我国也发生了一些类似事故，给人民群众生命财产造成重大损失。如 1 9 9 3 年8 月5 日，深圳清水河危险化学品仓库发生爆炸火灾事故，死亡1 5 人，伤1 0 0 多人， 直接经济损失2 5 亿元；1 9 9 7 年6 月2 7 日，北京东方化工厂储罐区发生火灾爆炸事故，造 成8 人死亡，4 0 人受伤，直接经济损失1 亿多元；2 0 0 3 年1 2 月2 3 日，位于重庆市开县高桥 镇的中石油川东钻探公司发生特大井喷事故，造成2 4 3 人死亡，6 万多人紧急疏散；2 0 0 4 年4 月1 5 日，重庆市天原化工厂发生氯气罐爆炸泄漏事故，造成9 人死亡，3 人受伤，1 5 万人被紧急疏散。 上述重大事故尽管发生的概率非常低，起因和影响不尽相同，但就是这种“小概 率一事故却都有着共同的特征：都是失控的偶然事件，但却造成了人员的重大伤亡，财 产的巨大损失和环境的严重损害。为了保证人民生命财产安全，必须防止和消除事故。 为此一方面要研究爆炸事故的性质和特征、发生原因及预防方法，另一方面要分析事故 的爆炸毁伤效应。本文就是围绕爆炸事故的毁伤效应而开展的。爆炸毁伤效应一般包括： l 1 绪论硕上论文 冲击波毁伤效应、热辐射毁伤效应、破片毁伤效应和窒息毁伤效应等。冲击波、热辐射、 破片和窒息都会对周围的环境、建筑物和人员等造成一定程度的伤害。所以本课题主要 在这四方面进行研究和分析，并通过相关试验进行运用和评价。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究现状 早在1 8 6 8 年，t h a r l 4 j 就发表了一篇爆炸事故毁伤效应的文献，但是当时关于冲击波 毁伤机理的知识很不完善，为了认识爆炸毁伤机理，认识爆炸毁伤效应，世界各国科学 家进行了大量的爆炸伤害实验研究。2 0 世纪4 0 年代初，在英国政府的支持下，z u c k e r m a n 教授f 5j 领导的一个研究小组对德军1 9 3 9 一- - 1 9 4 1 年间空袭英国造成的人员伤亡情况进行 了全面的调查，并且进行了冲击波对动物的影响实验，得出如下经验公式： p 5 。= 0 2 4 w 2 仃+ 2 3 7 ，其中p 蚰为5 0 致死所需压力值，矿为动物的体重。美国先后于 1 9 4 4 年和1 9 4 5 年成功进行了核裂变和核聚变实验，从此，人类进入了利用核能的时代。 1 9 6 8 年b r o d e 6 j 对核爆炸的效应进行了综述。美国于2 0 世纪7 0 年代在l o v e l a c e 基地进 行了一系列冲击波对动物的影响实验，并研究了动物实验结果应用于人的可能性，尤其 是核武器试验，试验对象包括绵羊、山羊和老鼠等1 3 中类型的2 0 9 7 只动物f 7 】oj a r r e t t 于1 9 6 8 年对1 0 0 次爆炸事故的破坏资料进行了统计分析，推导了建筑物破坏程度、距 离与爆炸药量之间的定量关系式： ( 1 2 1 ) 式中，距爆源的距离，m ； 形爆源的质量，蚝； k 建筑物破坏程度系数。 这些爆炸涉及的炸药包括t n t 、硝化甘油、含铝混和炸药和硝化棉，爆炸规模在 1 3 6 k g 至02 4 1 0 3 k g 之间。 随着计算机技术的发展成熟，目前国外也非常重视运用计算机仿真技术来研究目标 毁伤问题。2 0 世纪8 0 年代起就开始了对毁伤评估数字仿真平台的开发，而且注意到代 码的通用性问题。如美国p r i n sm a u r i t 实验室开发的t a r v a c ( t a r g e tv u l n e r a b i l i t y a s s e s s m e n tc o d e ) 系统，就是一个通用的目标毁伤仿真平台，可以将各种弹药对目标的 毁伤代码挂接进去。目前这套软件系统己经可以用于评估几种弹药( 包括导弹战斗部、 c e 、k e 、a p 及h e 等) 对几种目标( 包括舰艇、坦克、步战车及飞机等) 的毁伤作用效果。 2 硕士论文爆炸综合毁伤效应研究 1 2 2 国内研究现状 近些年，我国也开始了爆炸效应的研究。1 9 8 3 年，李峥通过分析我国大量化爆实验 的结果，得出炸药量为0 3 t 一1 0 0 t 时，砖混结构和砖木结构的房屋破坏情况与超压的关系。 1 9 8 7 年，王正国【8 l 对冲击波致伤作了综述，从医学的角度分析了冲击波的毁伤效果。1 9 9 0 年，李峥1 9 j 做了在l 1 0 5 k g t n t 炸药爆炸情况下羊、狗、兔等动物的实验，得到了动物 在不同伤亡程度下的超压阈值。1 9 9 7 年，北京理工大学通过大量的小尺寸壳体缩比实验 和理论分析，确定了爆炸冲击波对自由壳体临界毁伤的准则，为新武器的发展提供了理 论依据。 自1 9 9 7 年以来，南京理工大学与第三军医大学等l l o j 单位协作，通过多次实验研究 了燃料空气炸药对动物的伤害效应，并取得了显著的成果。2 0 0 2 年杨东来等i l l j 在对燃 料空气炸药武器对人员毁伤的研究中，采用最小二乘法推导了冲击波伤亡等级方程，预 估出f a e 对人员毁伤的伤亡等级范围( 威力圈) 。2 0 0 4 年何志光等【1 2 j 用b a k e r 的方法和 d o r o f e e vs b 的方法估算了火球的热辐射效应，并做出了对比，选择了适用用f a e 爆炸 的评价方法。2 0 0 5 年严峰等【l3 1 初步建立了燃料空气炸药威力的评价方法。2 0 0 7 年王连 矩等【1 4 】对温压炸药的破坏效应进行了相关分析。 在爆炸毁伤综合测评方面，目前国内还没有一套完整的毁伤效应测评系统，尤其是 在温度和冲量的测量方面非常欠缺。在评价方法及准则方面，也比较零散，不够系统、 完整，因此也不能对相关武器系统进行综合的效能评估。 1 3 本课题的主要工作 本文采用理论与试验相结合的方法，对爆炸产生的毁伤效应进行综合研究，主要包 括以下几个方面： 1 研究冲击波毁伤效应，特别是分析超压、比冲量和正压作用时间等参数的特点， 根据试验数据拟合各种曲线，并根据拟合公式评定相同药量的不同炸药对人和建筑物的 毁伤效应，比较其毁伤威力。 2 讨论热辐射毁伤效应，并用c 语言编写一个程序，对热辐射相关参数便于计算。 3 探讨破片毁伤效应，归纳破片杀伤简化模型，通过静爆试验测量破片速度，利用 破片毁伤准则分析对人的毁伤效应。 4 分析窒息毁伤效应，推导爆炸后空间内的氧含量计算方法，并应用于有限空间爆 炸试验，研究对人的窒息伤害。 5 初步提出一种综合毁伤效应测评方法，建立综合毁伤效应模型，并通过试验进行 运用，着重分析对人和建筑物的综合毁伤。 3 2 爆炸综合毁伤效应研究硕士论文 2 爆炸冲击波毁伤效应的研究 爆炸1 1 5 1 ，广义地说，是指一种极为迅速的物理或化学的能量释放过程。爆炸的一个 最重要的特征是在爆炸点周围介质中发生急剧的压力突变，而这种压力突变是爆炸破坏 作用的直接原因。也可以认为任何爆炸必然产生冲击波，其强度可以达到足以引起破坏 的程度。因此，大多数的论证、试验、事故研究和爆炸事故预制，都包含了对冲击波及 其作用的研究。下面就爆炸冲击波的毁伤效应做具体研究。 2 1 冲击波相关参数的计算公式 2 1 1 超压计算公式 1 炸药在在无限空中爆炸【1 6 l 所谓无限空中，即爆源距地面足够高，此时存在比高：嘉 0 3 5 m k g 一，3 ，式中 h 炸高，即离地的距离，m 。 球形( 或近似球形) 炸药在均匀大气中爆炸： = 警+ 警+ 詈( - 妪1 0 1 5 ) ( 2 川) 式中 岘中炸药在均匀无限的空气中爆炸时的冲击波峰值超压，k g c m 2 ； r 去，称为对比距离或比例距离，其中： w ，距爆炸中心的距离，m ； 该炸药的t n t 当量，k g 。其中，= 彬妄红， 孙盯 彬该炸药的质量，k g ； q 该炸药的爆热，j k g ； q 肿圳t 的爆热，j k g ，q 聊叫1 8 7j k g 。 2 炸药在地面爆炸1 6 】 地面爆炸时，由于地面的反射作用将使冲击波增强，这时可在式( 2 1 1 1 ) 基础上进 行适当修正，以k w 代替原式中的形代入式( 2 1 1 1 ) 。修正系数k 决定于反射强弱的程 度。 ( 1 ) 炸药在刚性地面( 混凝土、岩石、钢板等) 上爆炸如图2 1 1 1 ，取k = 2 可 得 4 硕士论文 爆炸综合毁伤效应研究 图2 1 1 1 炸药在刚性地面爆炸 性= 半+ 警+ 警 ( 2 ) 炸药在普通地面( 黏4 - 、沙土等) 上爆炸，取k = 1 8 可得 卸普通= 百1 0 2 + 可3 9 9 + 可1 2 6 ( 2 1 1 - 2 ) ( 2 1 i 3 ) 当r i 时，以上( 2 1 1 1 ) 、( 2 1 1 2 ) 、( 2 1 1 3 ) - - 式均不适用，此时可以用b a k e r 公 式： 卸= t 2 0 3 6 + 可1 9 4 一可0 0 4 ( 0 0 5 删5 ) 卸= 警+ 等+ 等m 5 r 7 ， ( 2 1 1 4 ) ( 2 1 1 5 ) 3 炸药在坑道中爆炸1 6 】： 如坑道为刚性壁，则其装药量要进行换算，换算成相当于空气中的装药量形。 形7形 4 j r r 2 2 s 所以肜，：2 7 r r 2 肜，其中形实际用药量；卜坑道横截面积，m 2 。 哦钆拍恤w i v 3 ( 恼w , 、2 3m 。( 詈) 适用斌t ( 嘉) “3 圳小。 若为独头巷道( 一端封闭) ，用2 w 替换，得到 蝌剐( 玎川蚓2 乃( 詈) 4 炸药在水中爆炸【1 6 】： 球形装药 印= 警+ 警一警( o 0 5 _ r s l 0 ) 印= 警+ 詈一罟( 1 0 s r _ l 1 0 5 p a ) a p = 0 9 7 5 孚 “4 5 5 军+ s 8 5 了w o 。2 ( a p l x l 0 5 p a ) 式中，w 为主装药的t n t 当量值。 肜：盟 q 肌 式中，形为主装药药量；q ，为主装药爆热；q v 肿为t n t 爆热。 ( 2 1 1 1 0 ) ( 2 1 1 1 2 ) ( 2 1 1 1 3 ) 6 炸药为直列装药【1 6 1 装药半径r o 1 0 t ( t 为目标的自振周期，t + 为正压的作用时间) ，在此条件下， 目标的毁伤主要靠峰值超压的作用。 2 2 2 冲量准则 由于伤害效应不仅取决于爆炸波超压，而且与爆炸波持续时间有关，爆炸波冲量就 是超压和持续时间的函数，因此用爆炸冲量衡量伤害后果是合理的。 冲量准则【2 2 】认为爆炸波能否对目标造成伤害，完全取决于爆炸波冲量大小，如果冲 量大于临界值，则目标被破坏。但是，有一点是明显的，对于一个很小的超压，作用时 间再长也不会产生任何伤害。因此，仅考虑冲量也是不完全的。 其适用范围：t + _ t 4 ( t + 为正压作用时间) ，在此条件下，目标的毁伤主要靠冲击波 冲量的作用。 2 2 3 超压一冲量准则 超压一冲量准则综合考虑了超压和冲量两个方面，如果超压和冲量的共同作用满足 某一临界条件，目标就被破坏。超压一冲量准则可以用下式表示。 ( a p 一以) ( ，一1 0 , ) = c ( 2 2 3 1 ) 式中p 冲击波超压，p a ； 办引起目标破坏的最小临界超压，p a ； ，冲量： l 目标被破坏的临界冲量； r 硕士论文爆炸综合毁伤效应研究 c 常数，与目标性质和破坏等级有关。 因为该准则同时考虑超压和冲量这两个爆炸参数，所以对于大部分受冲击波作用的 目标，该准则是普遍适用的。 图2 2 3 i 卸一不恿图 在卸一，平面上，公式代表一条等破坏曲线。印 1 4 0 个别人耳鼓膜破坏 5 0 入耳鼓膜破坏 个别人肺损伤 5 0 人肺严重损伤 个别人死亡 5 0 的人死亡 人全部死亡 动物实验结果表明，人员对2 0 1 5 0 m s 内升至最大值长时间持续压力耐受程度明显 高于急剧升高压力脉冲。缓慢升高超压对肺部损伤明显减轻，但对耳膜、窦膜和眼眶骨 有一定损伤。 而对于长时间( 8 0 一1 0 0 0 m s ) 超压动物试验结果表吲2 5 1 ，致死超压比上述值低的多。 急剧升高长时间持续压力脉冲对人员损伤作用大致如表2 3 1 3 所示。 l o 硕士论文 爆炸综合毁伤效应研究 表2 3 1 3 持续压力脉冲对人员的损伤 超压m p a损伤程度 0 0l3 8 o 0 2 7 6 o 0 2 7 6 o 0 4l4 0 1 0 3 5 o 1 3 8 0 2 4 1 0 2 7 6 0 3 4 5 0 3 7 9 - - 一0 4 4 8 耳膜失效 出现耳膜破裂 5 0 耳膜破裂 死亡率为i 死亡率为5 0 死亡率为9 9 2 3 2 爆炸波对人体具体部位的伤害 l 爆炸波对肺的伤害 肺是人体最容易遭受爆炸波直接伤害的致命器官。肺受到伤害时的生理一病理学效 应包括肺出血、肺水肿、肺破裂、肺活量减少等，严重时可导致死亡。 爆炸波对人的伤害程度除和爆炸波特性( 波形、超压、冲量等) 有关外【2 6 1 ，还与环境 气压、人体与爆炸波的几何方位、人的体重和年龄以及人体附近有无障碍物等因素相关。 在实际生产活动中，人通常呈站立姿势，爆炸波与人体的相对方位大体上分为两种： ( 1 ) 人体站在地面上，爆炸波的传播方向与身高方向垂直，周围无障碍物( 见图 2 3 2 1 ) ，这种情形最常见。此时作用于人体的总超压h 单位：p a ) 为： p = 见+ 5 ( 2 见+ 1 4 x 1 0 5 ) ( 2 3 2 1 ) 式中p 。为入射爆炸波的峰值超压c p 口) 。 图2 3 2 1 人与爆炸波方向垂直图2 3 2 2 人与爆炸波方向垂直且有障碍物 ( 2 ) 人体站在地面上爆炸波的传播方向与身高方向垂直，身体靠近一垂直障碍物( 相 当于一反射墙面) ( 见图2 3 2 2 ) 。这种暴露情形最危险。此时作用于人体的总超压尸为： p = ( 8 z + 1 4 p , 1 0 5 ) ( 见+ 7 1 0 5 ) ( 2 3 2 2 ) 人体承受的冲量i ( p a s ) 由下式计算： 江( p n ) ( 2 3 2 3 ) 式中 为入射爆炸波的冲量( 砌s ) 。 2 爆炸综合毁伤效应研究 硕士论文 在得到人体承受的总超压p 、冲量f 后，进一步计算比例超压p 和比例冲量f p = p p o ( 2 3 2 4 ) ；= f 小风) 2 脚3i ( 2 3 2 5 ) 式中p 。为环境大气压力( p a ) ； m 为人体质量( k g ) 。 有关文献给出了肺伤害与人的生存率之间的关系曲线( p f 曲线) 图，并在此基础 上提出了便于直接计算的肺伤害单位概率函数： p r = 5 0 - 5 7 4h l l 4 2 p + 1 3 i ( 2 3 2 6 ) 式中p ，为概率单位，当p r = 5 时，死亡率为5 0 。 由式( 2 3 2 6 ) 可以计算出爆炸源附近某一距离处的人员因肺伤害而导致的死亡率。 2 爆炸波对耳的伤害 人耳是最易遭受爆炸波伤害的非致命性器官【2 7 1 ，人耳对极小的压力变动都能感觉 到，爆炸波对耳的严重伤害表现为耳鼓膜破裂。遗憾的是目前对预测耳鼓膜破裂的研究 不及预测爆炸波对肺伤害的研究深入，不过，仍建立了鼓膜破裂百分率和峰值超压之间 的关系式： p r = 一1 2 6 + 1 5 2 4 i n 几 ( 2 3 2 7 ) 由式( 2 3 2 7 ) 可以计算得到爆源附近某一距离处人的耳鼓膜破裂百分率。 2 3 3 基于失去战斗力比率的伤亡程度判断 r i c h m o n d t 2 8 t 等根据对1 3 种大小动物的实验结果，分析了最大反射压、压力作用时 间、动物体重、动物种类耐受指数，推算出在暴露于无反射面条件下，体重为7 0 妇人 员l d 卜l d 5 0 和l d 9 9 ( l d 为死亡率，下标表示具体的死亡比率) 的修正压力值，见表 2 3 31 。 表2 3 3 1 不同正压作用时间条件下造成人员不同死亡率的超压值 但k o k a n a k i s 通过大量的研究分析指出上述死亡率的评判准则有一定的局限性，特别 是对超压作用时间长的武器( 如核爆等) 尤为明显。他认为用这种评估方法会低估冲击波 1 2 硕士论文 爆炸综合毁伤效应研究 的毁伤效应。因此在死亡率的基础上，k o k n i a i s w 和r i c h m o n d s 通过大量的实验对死亡 率做了一定的修正，分别提出了更符合实际情况的两种不同失去战斗力比率的伤亡准 则。 wk o k n i a i s 失去战斗力比率的伤亡程度准则如下： 9 9 失去战斗力比率阈值( c 1 9 9 ) 是5 0 死亡率阈值( l d 5 0 ) 的四分之一，即肺毁 伤阈值。1 失去战斗力比率阂值( c 1 1 ) 是5 0 鼓膜破裂阈值。由于实验数据不足而没 有提出5 0 失去战斗力比率阈值。 r i c h m o n d 失去战斗力比率伤亡程度准则如下： 9 9 失去战斗力比率阈值( c 1 9 9 ) 是人员死亡阈值。5 0 失去战斗力比率阈值( c 1 5 0 ) 是5 0 死亡率阈值二分之一。用平均斜率沿动物毁伤曲线向下外推则可得1 失去战斗 力阈值。 杨东来【1 1 】等按照r i c h m o n d 伤亡准则根据r i c h m o n d 提供7 0 k g 人员死亡率数据并做 了必要修正，从而得出对应伤亡等级下毁伤数据，并对这些数据利用最d x - 乘法确定各 个伤亡等级致伤入射超压阈值与正压作用时间等毁伤方程： c 1 9 9 6 p = 1 0 1 4 3 x t 句4 6 0 8 ( 2 3 3 1 ) c 1 5 0卸= 7 9 2 4 9 8 x t 柚舢5 ( 2 3 3 2 ) c i l6 p = 6 3 4 81x t - o - 5 鼬1 ( 2 3 3 3 ) 式中：p 为空气冲击波致伤超压阈值，k p a ；f 为正压作用时间，m s 。图2 3 3 1 为c 1 9 9 、 c 1 5 0 和c 1 1 方程式的曲线图。 图2 3 3 1 c 1 9 9 、c i 5 0 和c 1 1 方程式的拟合曲线图 方程( 2 3 3 1 ) 、( 2 3 3 2 ) 及( 2 3 3 3 ) 和图2 3 3 1 同时考虑了峰值超压和正相作 用时间，并能充分体现爆炸场特点。 2 爆炸综合毁伤效应研究 硕士论文 2 4 冲击波对建筑物的破坏作用 冲击波对建筑物产生的载荷及破坏作用的大小，取决于下面的因素： ( 1 ) 冲击波阵面上超压的大小； ( 2 ) 冲击波作用时间和比冲量的大小； ( 3 ) 建筑物所在的位置，即建筑物与冲击波阵面的相对关系，如冲击波是如何作 用在建筑物上的； ( 4 ) 建筑物的形状与大小； ( 5 ) 建筑物自振周期等。 空气冲击波对建筑物的破坏程度，与它的强度和建筑物的抗破坏能力有很大关系。 从前面的讨论已经了解到，度量空气冲击波对建筑物破坏的指标有峰值超压和比冲量。 一般，当f t 0 2 5 时，按空气冲击波比冲量计算破坏作用力。 当t t 1 0 时，按空气冲击波峰值超压计算破坏作用力。 如果0 2 5 t t t ，则无论按比冲量或按超压计算，计算结果的误差都很大。 表2 4 1 给出了一些建筑物构件的自振周期及破坏载荷。 表2 4 1一些建筑物构件的自振周期及破坏载荷 2 4 1 超压对建筑物的毁伤 冲击波对大部分建筑物的毁伤2 9 1 ，都取决于峰值超压的强弱。特别是对于玻璃、薄 板等容易破裂变形的物体，因为破裂变形的时间比正压作用时间短得多，它在破裂之前 所受的冲量仅为全冲量的几分之一，所以对于这些物体，可以不考虑冲量只把超压作为 考量的依据。表2 4 1 1 列出了超压与建筑物破坏程度的关系。 表2 4 1 i建筑物破坏等级与冲击波峰值超压的关系 1 4 硕士论文 爆炸综合毁伤效应研究 偶然 破坏 少部 分到 大部 分块 状破 坏 大部 分被 破碎 无损坏 无损坏 无损坏无损坏 无损无损无损 无损 s 1 9 6 坏坏坏坏 窗扇少 无损坏无损坏无损坏 无损无损无损无损 8 8 2 - 量破坏坏坏坏坏 1 9 6 窗扇大 量破坏， 窗框门 窗破坏 窗扇掉 落、内 倒、窗 粉粹 框门扇 大量破 坏 窗扇。门 被摧毁， 窗框掉 落 板条 墙抹 灰大 量掉 落 砖内 墙出 现小 裂缝 砖内 墙出 现大 裂缝 砖墙 出现较 宽裂缝， 出现 部分倒塌 部分倒 最大宽严重 部分倒塌最大宽 塌 度大于 裂缝 部分 2 r a m 倒塌 无损 坏 无损 坏 无损 坏 有倾 斜 2 4 5 8 8 2 3 9 2 2 4 5 5 3 9 - 3 9 2 7 4 4 8 5 3 9 1 5 量动 量动全掀荨 一 艏耨 艏衔粥黝掉 一 貅 溅嚷浦般汗 蚴 硼始宽撇骺黻拥 一 一幔一燃好 堋一宽一一髑 面形折 面木条 、架松 檀轭架偶怼躜 腼奶撕裂 腼球躲双殿触动脯撕腺惴臧麟位 一一一一一一一一矬一一一一 本破再 轻破不 度坏 度坏 严破k 重坏 斟撒坏 烙麟坏 皱赫 帧赫 酽戥坏 随蛳 一 二 三 四 五 六 2 爆炸综合毁伤效府研究硕士论文 砖墙承 重的大 部分倒 完全大部分到整个倒塌；钢 7 4 4 大部有较 七 破坏整个倒塌塌混凝土 分倒 大倾8 塌斜 柱的承 重的严 重破坏 2 4 2 冲量对建筑物的毁伤 部分建筑物的破坏程度主要取决于冲击波的冲量，即正压力持续期间的压力曲线所 包含的面积。对于像砖墙倒塌这样的一级破坏，它所经历的时间比冲击波持续时间要长， 所以必须以冲量作为考核破坏的基准。表2 4 2 1 列出了建筑物破坏程度与冲量的关系。 表2 4 2 1空气冲击波的冲量与建筑物破坏程度关系 冲量值( k p a m s )建筑物破坏程度 l o 1 5 1 6 2 0 5 0 l o o l o o 0 0 0 3 0 0 - - 6 0 0 5 0 0 1 0 0 0 门窗玻璃安全无损 门窗玻璃局部损坏 门窗玻璃全部破坏 门、窗框、隔板破坏，不坚固的砌砖墙、铁皮烟筒被摧毁 轻型结构严重破坏，输电线铁塔倒塌，大树连根拔起 砖瓦结构的房屋被破坏，钢结构建筑物严重破坏，进行中的汽车被破 坏，大船沉没 2 4 3 超压冲量对建筑物的毁伤 按照超压冲量准则，将我国若干爆破试验数据综合处理，得到了国内砖石结构的 模型房屋的爆炸波参数方程【1 3 】： 玻璃破坏： ( a p - 8 6 ) ( i - 2 2 4 3 ) = 8 2 0 0 x 1 0 2 ( 2 4 3 1 ) 轻度破坏： ( a p - 8 6 ) ( 1 7 - 2 2 4 3 ) = 7 3 9 0 x 1 0 3 ( 2 4 3 2 ) 中等破坏： ( p 一8 6 ) x ( i - 2 2 4 3 ) = 2 6 8 4 x 1 0 4 ( 2 4 3 3 ) 严重破坏： ( p 一8 6 ) x ( 1 7 - 2 2 4 3 ) - - 3 6 1 0 x 1 0 4 ( 2 4 3 4 ) 1 6 硕士论文爆炸综合毁伤效应研究 式中卸为冲击波超压，k p a ；1 7 为比冲量，k p a m s 。 上述所得的实验等破坏卸一，曲线如图2 4 3 1 。 厅 乱 y 删 踅 图4 3 1 2 砖木结构模型瓦房等破坏超压一冲量图 2 5 野外爆炸试验及冲击波毁伤的实际应用 2 5 1 试验原理 试验中采用的v x i 1 1 1 5 冲击波参数测试系统主要由i c p 型压力传感器、信号调理 仪、v x i 总线型数据采集系统、联动控制仪及计算机控制处理系统组成。系统的组成结 构如图2 5 1 1 所示。 1 7 2 爆炸综合毁伤效应研究 硕士论文 联动控制仪同步引爆爆源后，爆源产生的冲击波掠过各压力传感器的工作面，其晶 体在压力作用下发生形变，内部产生“极化现象”，在垂直于电轴的表面上产生电荷并 由其内置的电荷放大器进行信号放大，经过信号调理仪传送到多通道的v x i 数据采集 仪，然后通过计算机系统对所获信号进行处理，可得到冲击波到达时间、超压、冲量及 冲击波随时间变化的曲线等。 2 5 2 试验现场简介 在试验中，静爆装置竖直摆放，其中心轴线与地面垂直。利用预先设置好的弹架， 使弹体中心所在水平面距地面约1 2 m 及1 4 m 的高度，从上下两端引爆。以战斗部所在 位置为圆心，沿某条射线在预先设定的适当距离处埋设传感器，并使其敏感面与水平面 平齐。图2 5 2 1 是上述试验设施安置的示意图。 注：图中数字为传感器离爆心的距离( m ) 图2 5 2 1 试验中静爆装置与传感器布置示意图 2 5 3 试验结果分析 由炸高h 和距爆炸中心最近距离，可知，入射波与反射波的换算符合马赫反射，即 4 5 。 9 0 。，记c o s 5 了嘉芦 卸l ；黑 ( 2 5 3 1 ) i 十c o s 缈。 式中：卸。为入射超压；卸：为反射超压。 同理，冲量也需进行换算： 5 而1 2 ( 2 觚2 ) 式中：为入射冲量；i ：为反射冲量。 本节选取试验过程中药量为8 k g 的t n t 、药量为2 0 0 5 k g 的液体燃料炸药d 一1 和药 量为2 5 4 7 5 k g 的固体燃料炸药d - 4 进行讨论冲击波对人和建筑物的毁伤。对试验炸药 的静爆测试超压、冲量及正压作用时间的结果根据式( 2 5 3 1 ) 和式( 2 5 3 2 ) 转换成 硕士论文爆炸综合毁伤效应研究 入射超压和入射冲量见下表2 5 3 1 。 表2 5 3 1 试验炸药爆炸场测试结果 由于药量不同，为了更为直观地比较，可用比距离r 来表示，其为距爆心的距离与 药量的三次方的比值，即r = r w “3 。各炸药的对比距离见下表2 5 3 2 。 表2 5 3 2 各炸药的对比距离 3 m 4 m 5 m 6 m 8 m l o m 1 2 m 1 5 2 2 5 比距离r 1 1 0 5 1 4 7 3 1 8 4 2 32 2 1 0 4 2 9 4 7 5 3 6 8 3 64 4 2 0 1 0 2 0 1 3 6 0 1 6 7 0 2 0 3 9 2 7 1 9 3 4 0 0 4 0 7 9 1 4 m75 1 5 7 4 9 5 7 1 9 2 爆炸综合毁伤效应研究 硕士论文 为了便于比较t n t 、d 1 和d 一4 炸药的威力，结合表2 5 3 1 和表2 5 3 2 以t n t 的 数据为基础，比较超压p 和冲量，的大小，其与比距离尺的关系见图2 5 3 1 和图2 5 3 2 。 2 0 02468 1 0 r ( m k 9 1 厅) 1 2 炸药t n t 的超压和比距离拟合公式为： a p = 5 8 4 93 x ，- 形 棚2 肼阿瑚8 研 ， i ， ji ， j 拟合精度为：0 9 9 7 9 。 炸药d 1 的超压和比距离拟合公式为： a p = 1 3 9 3 5 - 孚场蛆5 6 阿州3 蹈4 i厂ji，j 拟合精度为：o 9 8 8 3 。 炸药d - 4 的超压和比距离拟合公式为： a p = 4 6 5 9 3 x f ，万麟4 卯阿埘2 5 2 阿 ，1，ji，j 拟合精度为：0 9 8 6 。 式中：a p 为超压，k p a