（安全技术及工程专业论文）两种云爆药剂的爆炸冲击波特征及防护技术研究.pdf

a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i co fe x p l o s i v es h o c kw a v ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gs a f e t yd i s t a n c eo f t w ot y p ef a e e q u i p m e n t s ，i n c l u d e dd e f a e a n ds e f a e ，w a si n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y i nt h i sp a p e r t h eo v e r p r e s s u r er a n g eo f s h o c kw a v eo fb u i l d i n gu n d e r7l e v e ld e s t r u c t i o n w a s 盘o m0 0 0 2 m p aa n do 0 7 6 m p a t h ec a s t e dt n ts t a n d a r dc h a r g e sw i t hs a m ew e i g h t a n dt h es a m er a t i oo fh e i g h tt od i a m e t e r , r e g a r d e da ss t a n d a r dc h a r g e ，w e r ee m p l o y e dt o c o m p a r et h es h o c kw a v ec h a r a c t e r i s t i c so fd o u b l e - e v e n te x p l o s i v ef a ee q u i p m e n ta n d s i n g l e - e v e n te x p l o s i v ef a ee q u i p m e n t b a s e do nt h ef i t t e df o r m u l af r o mt h es t a n d a r dt n tc h a r g e sa n dt h r e ee m p i r i c a l f o r m u l a s ，t n te q u i v a l e n t so ft h et w ot y p ef a ee q u i p m e n t sw e r ea n a l y z e df r o mt h r e e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fs h o c k - w a v e ，o v e r p r e s s u r e ，p o s i t i v ep r e s s u r ed u r a t i o na n d i m p u l s e ，a n dt h e i ro r i e n t a la n dv e r t i c a lc o m p a r i s o nw a sp e r f o r m e d a c c o r d i n gt ot h e f u n c t i o n a lr e l a t i o n sa m o n gt h et h r e ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro fs h o c k - w a v e ，a n dt o d i m e n s i o n a la n a l y s i s ，t h ec o m p r e h e n s i v e 耶灯e q u i v a l e n t so fs h o c kw a v eo ft h et w ot y p e f a e e q u i p m e n t sw e r eo b t a i n e d b yt h eo v e r p r e s s u r er a n g eo fs h o c kw a v eo fb u i l d i n gu n d e r7l e v e ld e s t r u c t i o n , t h e4 t y p et n te q u i v a l e n tv a l u e so fo v e r p r e s s u r e ，p o s i t i v ep r e s s u r ed u r a t i o n , i m p u l s ea n dt h e c o m p r e h e n s i v eo n ew e r ea p p l i e dt oc a l c u l a t et h er e l a t e ds a f e t yd i s t a n c e s t h es t a b i l i t ya n a l y s i so ft h et n t e q u i v a l e n tv a l u ef r o m1 5 mt o1 3 0 md i s t a n c e ，a n d t h a to fs h o c kw a v es a f e t yd i s t a n c ew e r ep e r f o r m e d i tw a sp r o v e dt h a tc o m p r e h e n s i v e ，n 呵t e q u i v a l e n tw h i c hc a l lb eu s e dt oe v a l u a t ef a es t r e n g t hi sm o r er e a s o n a b l e k e y w o r d ：f u e la i re x p l o s i v e ，s h o c kw a v e ，t n te q u i v a l e n t , s a f e t yd i s t a n c e 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： ，年口月叫日 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部分或全部内容，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部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：i 弛 沙f 拜口铜叫日 硕士论文两种云爆药剂的爆炸冲击波特征及防护技术研究 1 绪论 1 1 本课题的研究背景及意义 随着工业生产规模的扩大，在采矿、石油、化工、农作物的生产和加工过程中， 意外造成重大人员伤亡和财产损失的爆炸事故在全国各地屡见不鲜。其中相当一部是 由于在生产、运输、贮存、使用过程中可燃物质泄漏，与空气混合形成了具有一定浓 度的气( 或粉尘) 云团，当遇到足够能量激发或点火源时，可能发生爆燃乃至爆轰。 2 0 1 0 年2 月1 4 日的河北省秦皇岛骊骅淀粉尘爆炸事故，即是在清理和维修振动 筛的过程中，使用铁质扳手、铁质钳子、铁锨等工具，产生火花，将作业过程中产生 的，处于爆炸浓度范围内的玉米淀粉粉尘云引燃而引发爆炸，造成1 9 人死亡、4 9 人 受伤，直接经济损失1 7 7 3 5 万元。2 0 1 0 年1 月1 7 日，吉林市龙潭区龙兴村附近一化 工厂发生火灾，进而引发爆炸，在现场上空腾起蘑菇云。2 0 0 9 年1 2 月1 4 日下午， 江苏省宝应县清华园小区发生煤气爆炸事故，事故当场造成2 死2 伤，楼层的4 到6 楼被炸得“七零八落”。煤矿爆炸事故更是数不胜数，从工业革命以来，全球为煤矿 献身的人数已达五位数。国内仅2 0 0 9 年就发生9 8 起，6 7 2 人死亡，事故涉及全国多 个省区。 这类爆炸事故使人们认识到：燃料利用空气中的氧，可变成含能材料。这在军事 上得到了应用，从而开发出具有大面积杀伤破坏效应的燃料空气炸药( 简称f a e ) 。 具体地说，f a e 是以挥发性液态碳氢化合物或固体粉状可燃物为燃料，以空气中 的氧气为氧化剂，并按适当比例混合组成的呈云雾状的非均相可爆混合物，与传统的 凝聚相炸药相比，它具有能量高、大体积分布爆炸，从而对破坏某些特殊目标异常有 效，且原料来源广泛等特点，是一种新概念爆炸能源【l j 。 上世纪在6 0 年代年初开始，美国率先研制了第一代f a e ，并且于1 9 6 7 年后在越 南战场上投入了使用；8 0 年代的阿富汗战争、9 0 年代的海湾战争和科索沃战争，美 国和前苏联均使用了f a e 武器。目前，f a e 武器的研究已有三代，第一代和第二代 都是两次引爆型，使用时，将装有燃料的弹体投掷或发射到目标上空，在一次引信点 火和中心药爆炸作用下，将燃料抛撒至周围空气中，使燃料迅速扩散并与空气混合形 成可爆云雾，然后由二次引信引爆该云雾，实现云雾爆轰，产生爆炸冲击波，并随之 产生约2 3 0 0 左右的高温火球，起到大面积摧毁目标和杀伤人员的作用【2 胡。第三代 f a e 是一次引爆型，由中心药引爆，然后一边抛撒散开形成云雾一边爆轰，产生爆炸 冲击波和高温火球，主要代表有俄罗斯的“什米尔单兵火箭云爆弹【5 】等。 目前出于军事应用的目的，研究重心多是f a e 的威力及其作用机理，而对各种 比例距离的破坏能力、冲击波特征参数这些有关生产安全的基础数据，还缺乏比较 l 绪论硕士论文 全面的研究。所以本次选题基于此背景，在野外宽敞平坦的场所进行试验，以得到较 大比例距离范围内的冲击波特征参数，并评估试验装置的爆炸毁伤能力，根据计算结 果得到对应的安全距离( 即冲击波最小安全允许距离，以下简称“安全距离”) ，从而 得到安全防护方面的主要技术参数。 f a e 是一种大面积摧毁目标和杀伤人员的武器，且在战争中越来越受重视，已经 成为了战争场上的新宠，获得其冲击波特征参数，对f a e 武器应用中关于冲击波的 安全防护研究起到积极的推动作用。 1 2 国内外对f a e 的研究现状 国内外有多家研究机构在进行有关f a e 的形成机制、药剂配比、爆炸场参数等 相关的理论研究，从现有的文献资料中，其研究状况大致如下。 两次引爆型f a e 所用燃料为液体或液固混合物，作用原理是以爆炸抛撒的形式 将容器内装填的燃料散布到空气中，气化的或液滴的或粉尘状态的燃料与空气充分混 合形成可爆云雾团，后通过二次延时引信对云雾团实施强起爆，使其爆轰，利用强烈 的冲击波得到大面积破坏和毁伤的效果。对其做静爆研究时，所用的典型结构装置图 如下图1 1 所示，其中壳体侧壁具有均匀分布的沿轴向的凹槽以利于均匀破裂，而上 下盖的强度远大于侧壁以限制燃料的轴向飞散【l 】。 中年药 图1 1 典型二次引爆型f a e 装置结构示意图 一次引爆型f a e 所用燃料都为多相混合物，所有国家对燃料的研究都采取保密 措施，但在催化剂方面都做了很多的研发。其作用原理是多相爆炸混合物燃料( 亦可 称为富含燃料的高爆炸药) ，一边在抛撒过程中从周围空气吸取大量氧气，一边在能 量的激发下爆炸，爆炸时混合物中添加的高能金属粉在加热、加压状态下燃烧并释放 大量的热量，从而大大增强该爆炸物的压力效应和高温持续效应【5 1 。 1 2 1 国外对f a e 的研究结果 关于f a e 的文献，在7 0 8 0 年代发表的比较多，后来因为f a e 的武器化，9 0 年 2 硕士论文两种云爆药剂的爆炸冲击波特征及防护技术研究 代以后国外有关于f a e 的发表文献很少，但从军事演习、新闻报道等方面可知他们 的研究工作从未间断过。 1 2 1 1 两次引爆型f a e 在7 0 年代后期，美国空军m r o s e n b l a t t 等人改造了d i c e i i 的计算机编码，模 拟b l u 7 3 的形成和爆轰过程，并发表了有关液体燃料f a e 形成过程和云雾爆轰过 程的大型二维计算程序 6 1 。1 9 8 2 年俄罗斯a i i v a n d u e v 发表了有关抛撒问题的一维数 值模拟r 7 1 。莫斯科鲍曼大学的b h 奥西金和莫斯科化学物理所的a a b o r i s o v 也进行 了相关的研究【8 】，他们将爆炸抛撒和f a e 形成过程分为以下四个阶段：1 中心装药爆 炸对燃料加压和驱动，燃料加速，外壳裂解，被抛撒的燃料与空气之间形成边界层阶 段；2 破碎液膜的不稳定发展阶段；3 液膜和单个液滴的膨胀并在气动阻力作用下进 一步碎解阶段；4 湍流混合阶段。1 9 8 9 年i s l 的m s a m i r a n t 等人利用多种测试技术， 研究了燃料的爆炸抛撒和f a e 的形成过程1 9 。 1 2 1 2 一次引爆型f a e 1 9 7 9 年加拿大麦吉尔大学进行了化学催化法引爆的研究，即利用氟往碳氢混合 物( 丙烷空气混合物) 中喷射，最后获得了爆轰的直接引发。美国大西洋研究公司 和空军以c i f 3 或b r f 3 作催化剂【l o 】，利用液体碳氢燃料进行了实验，最后表明，燃料 和催化剂的迅速喷洒，使得燃料和催化剂的混合物能在空气中形成云雾并燃烧，随后 实现云雾爆轰。1 9 9 2 年以后，俄罗斯专家b h 奥西金介绍了四种一次起爆模式：爆 燃型，化学引爆型，活性外壳型以及液体燃料+ 金属粉+ 敏化剂型。1 9 9 4 年俄罗斯科 学院莫斯科化学物理研究所的a a b o r i s o v 教授，将一次引爆f a e 的技术方案【l l 】描 述为：除了云雾爆轰产生的高超压和高冲量，快速爆燃和反应冲击波也能产生强的毁 伤效应。 1 2 2 国内对f a e 的研究结果 1 2 2 1 两次引爆型f a e 九十年代初，南京理工大学开始利用高速摄影技术记录燃料抛撒的发展情况，虽 然所得数据单一，但对建立模型非常有用。惠君明、郭学永、张奇、肖绍清等人【1 2 1 6 j 都从燃料抛撒问题开始研究，得出了壳体最适宜材质、燃料分散力学模型燃料装填量 等。郭学永等【1 2 】提出钢质材质更利于云雾的径向分散，且长径比不是云雾最终状态的 决定因素；最优化的云雾尺寸和调节云雾内部浓度可通过适当的比药量来得到。惠君 明等【1 3 】在实验基础上归纳得到云爆条件的基本关系式，讨论燃料抛撤和雾化的相关问 题。张奇等【1 4 】提出了燃料抛散过程可以分为加速运动阶段、减速运动阶段和湍流运动 阶段；在一定范围内，燃料抛散的最终云雾半径与中心药量无关，但燃料分散的过程 与中心药量密切相关，燃料分散的不同阶段可应用不同的力学模型来描述。肖绍清等 l 绪论硕士论文 【1 5 】利用多因素水平的正交实验方法得到实现理想云雾所要求的优化条件，主要对f a e 装置体的上端板厚度、侧面板预弱方式、分散药上底面所填充的多孔惰性材料高度， 进行了重点研究。郭学永、惠君吲1 6 】通过试验研究长径比对f a e 云雾形态的影响， 得出长径比大小( 1 o 5 o ) 不是f a e 云雾最终形态的主要影响因素，而是与装填的 燃料量有关。他们还提出超压冲量毁伤准则是毁伤威力普遍适用的评估依据，在国 内外目前冲量测试误差较大的情况下，采用一定条件下的超压t n t 当量评估f a e 战 斗部威力，实际证明是可靠和实用的方法【1 7 】。在爆炸威力评估方面，1 9 9 5 年提出可 用爆轰潜能法、冲击波能量法、爆炸场效应、有效作用面积法等进行评估【l 引。杨东来 等【1 9 】根据冲击波超压时间的毁伤原则和失去战斗力比率的伤亡准则，采用最小二乘 法推导冲击波伤亡等级方程；利用f a e 静爆试验爆炸场的实测数据拟合出爆炸场特 征方程，进而预估出f a e 对人员毁伤的伤亡等级范围( 威力圈) 。 1 2 2 2 一次引爆型f a e 目前有几家高校和研究所从事有关一次引爆型f a e 技术及其武器应用化的研究， 研究时间较短且仅在一次引爆型f a e 药剂各项性能、药剂的反应过程和机理等方面 上的研究，由于保密性质，相关文献【2 0 2 l 】并不多见。在起爆方式上，也曾开展过化 学催化法和光化学引爆法的研究：许学忠等【2 2 】研究了化学起爆b r f 3 、n f 4 b f 4 与有机 燃料的化学反应动力学过程，实测了动力学参数，并在约束和非约束条件下实现了液 化石油气、环氧丙烷气云的化学一次起爆。他们还在一维爆轰管中进行了有氧参与的 起爆研究，得出了碳氢燃料与卤素氟化物的爆炸反应特性【2 3 j 。 1 3 冲击波安全防护技术研究现状 目前有越来越多的恐怖活动都充分的利用爆炸冲击波，以达到其破坏的目的，故 人们正不断的研究爆炸冲击波对建筑物及人体伤害，及新型防护材料，以确定更好的 防护措施。 在建筑物的防护方面，对玻璃、挡墙、地铁、长坑道等建筑物都做了研究。张青 松 2 4 1 研究了高层建筑玻璃幕墙的问题，在分析冲击波对建筑物幕墙破坏原理的基础 上，建立了冲击波荷载的计算准则，提出了玻璃幕墙抵抗冲击波的设计方法途径并具 体的介绍距离试验的实施方法。吴开腾【2 5 】通过多流体网格的e u l e r 型算法，自行编制 了m m i c 3 d 程序，模拟了不同形状的防护挡墙对爆炸效应的影响及爆炸对远场的作 用效应。李秀地【2 6 1 基于h o p k i n s o n 比例定律，用l s d y n a 动力有限元软件模拟了常 规炸药在坑道入口外爆炸情况下，长坑道中的冲击波峰值压力作用在防护门上的反射 压力。 在爆炸冲击波对人体伤害方面的研究，很早以前南京理工大学就以羊为对象研究 了f a e 燃料装置爆炸冲击波对生物的伤害效应。孙艳馥【2 7 】以j o s eh e n r y c h 经验公式 4 硕士论文两种云爆药剂的爆炸冲击波特征及防护技术研究 为计算模型，得出不同装药量时的鼓膜损伤和不同死亡率下的安全距离。张志江【2 8 】 针对爆炸产生的冲击波、破片、高温高压气体及热辐射等对人体的伤害，综述了国内 外关于人员损伤研究和防护材料研究两方面的研究进展，最后为开展人体有限防护研 究工作提出了几点建议。 在爆炸冲击波防护方面的研究，边小华【2 9 】提出了一种新的防护结构，其利用数值 模拟证明在洞库口安装有泡沫铝夹层的钢板防护门对冲击波有良好的衰减特性。徐定 海【3 0 j n 是对大型舰船的冲击波防护结构研究，试验证明多层防护的空舱对冲击波具有 良好的膨胀衰减作用。 1 4 本论文的主要工作 本文结合已有的资料背景，在考虑药量、长径比等多个因素情况下，设计符合相 关军工规范的试验装置用于外场试验，并根据试验数据，总结两次引爆型及一次引爆 型f a e 在建筑物七级破坏超压范围内的爆炸冲击波特征，然后根据其结果确定建筑 物七级破坏中各破坏等级的安全距离。具体工作内容如下： ( 1 ) 根据含能材料的一些基本参数，结合已有的文献及本课题组老师们的经验， 选取了两种云爆药剂，制成试验装置，完成此次野外试验。 ( 2 ) 根据试验测试得到的爆炸冲击波超压，选取建筑物七级破坏超压范围 ( 0 0 0 2 m p a 0 0 7 6 m p a ) 内的冲击波特征参数数据( 超压、正压作用时间、冲量) ， 根据现有的经验和理论，以浇铸t n t 同场实测爆炸数据的拟合公式为基准，获得两 种云爆药剂的t n t 当量与比当量，并在得出数据的过程中分析其规律。 ( 3 ) 利用经过误差分析处理的数据，从超压、正压作用时间、冲量三个参数角 度出发，根据其各自的文献经验公式计算两种云爆药剂的t n t 当量与比当量，并将 此数据与采用t n t 药柱拟合公式计算所得的结果进行对比分析。 ( 4 ) 采用量纲分析法，对超压、正压作用时间及冲量的t n t 当量做综合分析， 最终得到冲击波综合t n t 当量与综合比当量。 ( 5 ) 以试验数据为基础，从冲击波破坏作用的三个决定因素出发，分析两种云 爆药剂在建筑物七级破坏超压范围内爆炸冲击波的破坏作用。 5 2 试验及相关理论分析硕士论文 2 试验及相关理论分析 虽然国内已有关于建筑物的破坏等级的军工规范，但在目前对f a e 武器威力， 尤其是大比例距离的爆炸冲击波效应的数据尚不充分的情况下，加之各种新型f a e 燃料的不断研制生产，f a e 对建筑物的破坏成为了有关生产安全的重点问题之一，故 对其进行研究时，既需要选择具有代表性的燃料，也要有符合规范要求的试验条件。 2 1 试验药剂选择 经过多次小型试验的对比，由于场地、气候、测试条件等因素的影响，如果直接 采用文献经验公式作为t n t 当量计算的基准将会引起较大的偏差，故此次试验选择 了以浇铸t n t 爆源为基准( 后文中将其称为标定药柱) ，选用两种典型云爆药剂( 本 文中用代号a ，b 表示) 作为研究对象，其中a 为两次引爆型f a e 药剂，b 为一次 引爆型f a e 药剂。 a 药剂为一种重要的工业原料，来源充足，价格较低廉，且装填工艺简单、安全， 也是f a e 武器最常用的燃料，经历了2 0 余年时间的考验，迄今仍广泛使用，证明其 仍然是性能比较全面，可用于武器型号的燃料。从7 0 年代到9 0 年代都有典型的武器 选用此燃料，故其作为两次引爆型的f a e 燃料具有代表性和典型性。就燃料本身的 特性而言，它具有较宽的爆轰极限、较小的起爆能、能适应较宽的起爆延滞期和较低 的点火温度，粘度和表面张力小，容易实施抛撒、碎解和雾化，它的液滴或蒸气与空 气的混合物容易起爆并且能使爆轰稳定传播。 虽然a 燃料的爆炸潜能不是很高，且自身含有较多的氧，限制了f a e 不同于凝 聚炸药的特点与优点的进一步发挥和提高，爆轰性能等威力参数属中等，但其爆炸场 的特征具有类比性，可以根据其与近些年发展起来的高威力燃料之间的关系，从而可 推测出高威力燃料的行为。南京理工大学在“八五”一“十五”期间的研究结果显示 【3 1 3 3 】：如果从武器系统的毁伤角度来看，高威力燃料具有比此燃料高2 0 的毁伤威 力；如果从工程设计、安全防护的角度来看，当燃料发生意外爆轰事故时，应考虑高 威力燃料具有比此燃料高3 0 0 0 - 5 0 的破坏能力。 对于b 药剂，选择了南京理工大学自主研发的一种一次引爆型f a e 燃料。在“九 五、十五 期间，国内多家单位自主研制成功的一次引爆型f a e 药剂配方均采用了 液固复合的技术路线，在药剂主成份、配比、研n 生产工艺、物理状态、威力等方 面均有很大的相似性。从药剂的安全性、操作过程中人员的职业卫生等方面考虑，本 次试验选择了南京理工大学研发的一次引爆型液固复合云爆药剂【3 3 1 。 为了能使a 、b 燃料的爆炸场参数得到客观、公正的评估，试验根据相关军工规 6 硕士论文两种云爆药剂的爆炸冲击波特征及防护技术研究 范的要求，将t n t 浇铸成与a 、b 燃料的试验装置相近的圆柱状。 2 2 试验设计 2 2 1 试验场地布置 此次试验的配置都是根据相关军工规范【3 4 】的要求，试验场地具有以下特征： a ) 地面平坦、视野开阔，地面硬度适合试验要求，在冲击波测量要求的范围内 地面没有任何的障碍物。 b ) 试验场区的相对湿度在2 0 0 0 , - - 8 0 之间，风速始终保持在不影响测试结果的可 接受范围内，小于3 m s 。 试验保障：试验场区有配备控制室、测量室以满足测试仪器的可靠工作环境，并 提供安全掩体以保证参试人员的安全，因为是有破片的试验装置，所以对测试线路采 取了有效的保护措施。 测试用传感器的要求：冲击波压力传感器选择了壁面型两类压力传感器，传感器、 适配器在试验前经过计量检定机构进行测量超压范围内的动态标定，经检定都为合格 仪器设备，并在有效期内，性能指标满足固有频率为2 0 0 l ( l 卜5 0 0 l 沮z ；上升前沿 ( 1 0 1 5 ) r o 时，目标只受到冲击波的作用 3 7 1 。冲击波对目标的毁伤程度，取决于其在目标处产生 的超压一时间作用关系和物体本身的抗爆能力两方面。 爆炸冲击波能毁物伤人，当其超压峰值大于0 0 7 5 m p a 时能致人死亡，峰值超压 大于0 0 7 6 m p a 时建筑物将被完全摧毁。对建筑物破坏等级的划分，目前国内按照规 范将其划分为七级，具体情况如下表2 1 所示。 表2 1 建筑物破坏等级与超压值的关系【3 7 】 1 0 硕士论文两种云爆药剂的爆炸冲击波特征及防护技术研究 由上表可知，当冲击波超压值小于0 0 0 2 m p a 时，对建筑物没有任何影响，而当 超压值大于0 0 7 6 m p a 时，建筑物将被完全破坏。所以，在研究建筑物的防护问题时， 需要知道建筑物达到某种破坏程度时的冲击波超压范围，然后根据此数值得出相应的 安全距离等参数。 2 4 空气冲击波对建筑物的破坏作用 火炸药厂、弹药厂中都有危险性工序，若发生爆炸事故，空气冲击波将是对周围 不同距离目标产生毁伤的主要危害形式，而冲击波对目标物( 在此主要指建筑物) 破 坏作用的大小主要由下面7 个因素决定：1 ) 冲击波峰值超压；2 ) 冲击波的作用时间 ( 主要指冲击波的正压作用) ；3 ) 建筑物所处的位置，即建筑物与冲击波阵面的相对 关系；4 ) 建筑物的结构强度；5 ) 建筑物的形状和大i x ；6 ) 建筑物的防护条件；7 ) 建筑物的自振周期。除上述7 个因素外还有一些更为复杂的因素，但都不是主要因素， 故忽略它们的带来的影响。 当建筑物与爆心有一定的距离时，其破坏作用的计算由结构本身振动周期t 与冲 击波正压作用时间f + 确定，当l t 时则主要取决于空气冲击波超压值的大小。不 管是超压还是冲量起决定作用，当有足够远的距离确保建筑物的安全时，这个距离可 叫为冲击波最小安全允许距离( 亦称为安全距离) 。计算最小安全允许距离可由爆炸 相似律从空气冲击波衰减规律分析，最终得到的冲击波最小安全允许距离的计算公式 【3 8 j 如式( 2 3 ) 所示。 r = k 形4( 2 3 ) 式中 r ：被保护建筑物在规定的安全设防标准下到爆炸中心的距离，m ； 胍爆炸的炸药量( 以t n t 当量计) k g ； k 、a ：试验确定的系数及指数，m k g 加。 五洲工程设计院经过多次试验，得出与表2 1 的七级破坏相对应的安全距离公式 【3 9 1 如表2 2 所示( 下文中将此表格的公式称为前人总结公式) 。此安全距离都只适用 1 1 2 试验及相关理论分析硕士论文 于爆炸点周围或被保护建筑物周围单方有防护屏障的情况下。 表2 2 不同破坏等级的安全距离公式 2 5 本章小结 破坏等级安全距离公式 二级 三级 四级 五级 六级 七级 r = 2 3 w 1 彪8 r = 5 w 1 忍4 r = 3 7 5 w 1 尼4 r = 2 5 w 1 尼4 r = 1 8 7 5 w 1 彪4 r 1 8 7 5 w 1 2 4 目前国内外的f a e 武器所用燃料有很多种，本文基于研究室之前所做的研究 总结，从原料的性质、来源、制作工艺等方面综合考虑，选择了两种最具代表性和典 型性的云爆药剂作为研究对象。 试验的配置严格按照相关军工规范的要求进行设置的，包括测试系统的技术性 能指标要求，试验装置的现场放置等。 根据相关军工规范的内容及目前人们所关注的安全生产问题，确定本论文对冲 击波超压的研究范围为建筑物七级破坏超压范围( 即0 0 0 2 - - 0 0 7 6 m p a ) ，能更好的匹 配建筑物安全距离的研究。 冲击波对建筑物破坏作用的研究，前人做了大药量的t n t 药柱试验，并且得出 了二级破坏至七级破坏的安全距离公式，但公式只适用于爆炸点周围或被保护建筑物 周围单方有防护屏障的情况。 1 2 硕士论文两种云爆药剂的爆炸冲击波特征及防护技术研究 3 爆炸冲击波超压试验研究 利用上述的测试系统，依据冲击波到达时间、压力峰值及波形有无出现明显异常 现象来判断并选择出有效的测量数据，读出峰值超压叱、正压作用时间o 、冲击 波到达时间t 。，然后根据波形图积分出冲量。评定冲击波的破坏作用，可用峰值超 压心、正压作用时间0 、冲量三个指标。 3 1 超压理论分析 在火炸药领域，很早以前就有学者对于爆炸提出了一种相似定律，即爆炸相似定 律，最普通的形式是霍普金森( h o p k i n s o n ) 克兰兹( c r a n z ) 相似定律，该定律3 9 】 的具体陈述如下：若两个炸药装药品种相同，并且几何形状相似，只是尺寸大小不同， 那么，当它们在相同的大气条件下爆炸时，就会在相同的比例距离上产生自相似的冲 击波。 其中所提的比例距离z 由式( 3 1 ) 表示： z ：堡( 3 1 ) 缈 式中 r ：目标到爆心的距离，单位为m ； 缈：装药质量，单位为蚝。 通过上述陈述可知，我们可以利用爆炸相似定律，以小药量爆炸试验为基础来预 测大的或任意药量的爆炸冲击波的性质。 为了消除试验数据的偶然性，标定药柱与每种试验装置都有3 次平行试验，故在 数据后期处理中，每个半径位置上的有效峰值超压数据需利用式( 3 2 ) 求得爆炸冲 击波超压的算术平均值，并用式( 3 3 ) 求超压算术平均值的标准不确定度，从而得 到该半径位置上的爆炸冲击波统计平均峰值超压a p j ，! ，和标准不确定度仃，。 一 z a p ， 4 p 可= 土生一 ( 3 2 ) 旷厂南善伸, - a p 严 ( 3 3 ) 两式中 a p j ，! ，：距爆心r ，处的爆炸冲击波统计平均峰值超压，单位为1 0 5 p a ； 盯，：距爆心r ，上实测冲击波峰值超压的标准不确定度； 衄：在距爆心r ，处的实测冲击波超压值，单位为1 0 5 p a ，i = 1 , 2 ，3 ，丹； n ：在距爆心尺，处实测到的衄的有效个数。 3 爆炸冲击波超压试验研究硕士论文 3 1 1 标定试验超压数据理论分析 依据能量相似理论【3 9 】，t n t 装药在空气中爆炸时， 冲击波超压值，其满足式( 3 4 ) 的函数关系式： 4p o = f ( 譬) 式中 a p m ：冲击波峰值超压，1 0 5 p a ； 缈 ：t n t 装药质量，蚝； r：冲击波到达距离( 即距爆心的距离) ，m 。 把式( 3 4 ) 按多项式展开可得到下式： 相同的比例距离处有相同的 ( 3 4 ) 蛾= a o + a i ( 筝坞( 筝2 + a 3 ( 警3 + 州警) ” ( 3 5 ) 式中a o 、口1 、a s 、a 3 、? 、为待定系数，而在实际应用中，只取前四项， 且由边界条件r 专o o ，蛾专0 ，可得= o 。故最终采用的拟合公式为式( 3 6 ) ： 叱铂( 筝+ 口2 ( 筝2 + 0 3 ( 警3 ( 3 6 ) 将实测t n t 爆炸场的每个半径位置上求得的冲击波峰值超压平均值p j ，! ，及其对 应的爆心距离尺，和t n t 装药量国三个参数代入式( 3 6 ) 中，利用最小二乘法求得式 中的系数a l 、a 2 、a 3 ，从而确定出现场条件下t n t 爆炸冲击波峰值超压场的一般计 算公式。 同时计算出式( 3 6 ) 置信度为0 9 5 的置信区间的半宽度a ( a e m j ) ，利用3 盯，来确 定，但要保证确定的结果能使测量结果的取值区间在被测量值分布中所包含的百分数 至少为9 5 。可以通过式( 3 7 ) 和式( 3 8 ) 计算出a ( a p m j ) 。 口( 尸j ， ，) = f p 哪 ( 3 7 ) 亡3 0 j f 兰复垒! 型( 3 8 ) m 两式中 a ( a p m j ) ：置信区间的半宽度； a p j ，! ，：不同测点半径上，利用式( 3 2 ) 计算得到的平均值，单位为1 0 5 p a ； 仃，：不同测点半径尺，上利用式( 3 2 ) 计算出的标准不确定度； m：布置测点的测量半径的数量。 f ：置信度为0 9 5 的置信区间半宽度取值区间的百分数 3 1 2 试验装置的超压t n t 比当量理论分析 1 计算试验装置的爆炸冲击波超压t n t 当量( 即为根据试验装置的实测超压， 硕士论文两种云爆药剂的爆炸冲击波特征及防护技术研究 利用标定药柱超压拟合公式求得的等效t n t 质量，单位为k g ) ，可通过以下几个步 骤来得到最终数据。 步骤1 ：试验装置进行试验后，在每一条测线上大致均匀分布的不同爆心距离r ， ( j = 1 ，2 ，3 ，1 1 ；n 6 ) 处，可分别测得1 1 个冲击波峰值超压a p , , j ( j = 1 ，2 ， 3 ，1 1 ；n 6 ) ，将这些数据代入已确定系数的标定药柱的超压拟合公式( 3 6 ) 中，继而可求出1 1 个t n t 当量值彩，( j = 1 ，2 ，3 ，1 1 ；n 6 ) 。然后以第1 发 为例，根据式( 3 9 ) 计算出平均t n t 当量值c o l ，( i 表示第几条测线) ，用式( 3 1 0 ) 求出第i 条测线的标准不确定度仉。 历l 一三y 缈， ( 3 9 ) 彩l f = 一7 缈， l j y j 刀肓。 驴 志否( 哆- - 一o ) l i ) 2 】l 坨 o 1 所以，通过上述两式求得的数据利用式( 3 1 1 ) 确定第i 条测线上的冲击波峰值 超压的t n t 当量为： 0 3 1 f = 0 ) 1 1 o i ， ( 3 1 1 ) 三式中 劬，：为第i 条测线的冲击波峰值超压的t n t 当量，单位为k g ； 国为第i 条测线的冲击波峰值超压的t n t 当量的平均值，单位为k g ； q ，：为第i 条测线的冲击波峰值超压的t n t 当量的标准不确定度。 步骤2 ：从式( 3 1 1 ) 可以看出，对于一发爆炸试验装置，如果利用了两条测线， 则得到的实测冲击波峰值超压t n t 当量相当于4 个值，即c 0 1 1 1c o i l + q ， 0 9 21 1 国l l 一吼l ，0 ) 3 1 10 ) 1 2 + o r l 2 ， 吼= 0 ) i 2 - - o r l 2 ，其算术平均值则为 国l - ( 0 ) 1 + 吐+ 鸭+ 吼) 4 = ( 缈l l + 国1 2 ) 2 。可用极差法确定其标准不确定度，步骤如 下。 标准偏差可由式( 3 1 2 ) 计算得到： s ( x ) = ( 盘k 一国血) 以 ( 3 1 2 ) 式中 j ( x ) ：标准偏差； ：，i n t 当量的最大值，单位为k g ； 0 ) m i a ：n 盯当量的最小值，单位为k g ； 巩：极差法的系数，其值与样本量k 的关系见下表3 1 。 表3 1 极差法的系数以表 k234567891 0 反1 1 3 1 6 92 0 62 3 32 5 32 7 02 8 52 9 73 0 8 3 爆炸冲击波超压试验研究 硕士论文 用极差法确定的标准不确定度则可根据式( 3 1 3 ) 计算得出： o - = s ( x ) 4 k ( 3 1 3 ) 式中 仃，：极差法确定的标准不确定度； s ( x ) ：标准偏差； 七 ：样本的数量。 步骤3 ：3 1 1 节中，在确定标定t n t 爆炸试验的公式( 3 6 ) 的三个系数时引入 了一个标准不确定度，其计算方法如下。 计算置信度为0 9 5 的置信区间半宽度时得到了一个取值区间的百分数 ，通过 其可计算试验装置的冲击波峰值超压的t n t 当量的相对标准偏差为： 坚2 f ( 3 1 4 ) 国 假设测量值在允许不确定度极限范围内的概率分布为均匀分布，则通过式( 3 6 ) 引入的试验装置冲击波超压t n t 当量的标准不确定度可表示为： 听= 曲 ( 3 1 5 ) 两式中 望：试验装置冲击波超压t n t 当量的相对标准偏差； 彩 o - r ：使用公式( 3 6 ) 时引入的标准不确定度； ：概率分布的置信因子，此处，= 3 。 步骤4 ：通过步骤2 和步骤3 ，可以确定出综合标准不确定度以，用式( 3 1 6 ) 计算： o c = 哆+ 露 ( 3 1 6 ) 利用综合标准不确定度，可确定置信度为0 9 5 时的第j 发试验装置的扩展不确定 u j ( j = 1 ，2 ，e eee ee9 n ) ，用式( 3 1 7 ) 计算： 甜，= 2 0 c ( 3 1 7 ) 步骤5 ：根据上述步骤，确定单发试验装置的冲击波峰值超压的1 n t 当量，计 算结果可用式( 3 1 8 ) 表示： 彩，= 彩甜， ( 3 1 8 ) 步骤6 ：如果有n 个相同药量和设计参数的试验装置，则按照上述的超压t n t 当量的求法，计算出第j ( j = l ，2 ，e e eee e 9n ) 个试验装置的t n t 当量，并采用式( 3 1 9 ) 形式表示。 缈，= 国，“， ( 3 1 9 ) 式中 国，：为第j 发试验装置的冲击波峰值超压的t n t 当量，单位为蚝； 1 6 硕士论文两种云爆药剂的爆炸冲击波特征及防护技术研究 缈，：为第j 发试验装置的所有测线上的冲击波超压的平均t n t 当量，单位k g ： u ，：为第j 发试验装置的冲击波峰值超压的n 叮当量的扩展不确定度。 与上述步骤2 原理相似，n 个试验装置爆炸冲击波超压的t n t 当量的可能值为： ( 0 1 + 甜l ，c o l - - 1 l ，( - 0 2 + 甜2 ，( - 0 2 - - , 2 ，e e e e eo9 国+ 甜，缈- - u ，。其算术平均值国则 可用下列公式( 3 2 0 ) 求得，标准不确定度用公式( 3 2 1 ) 计算，扩展不确定度按式 ( 3 1 7 ) 计算： 历， 历：! 三!( 3 2 0 ) n 一【高丢( 石j + u j - 动2 】1 ，2 ( 3 2 1 ) 综上6 个步骤所述，具有相同设计参数和试验参数的n 个试验装置的爆炸冲击 波峰值超压t n t 当量的最终值可由式( 3 2 2 ) 表示： 国：石甜( 3 2 2 ) 2 计算某种试验装置的爆炸冲击波超压t n t 比当量( 即为利用实测超压，根据 标定药柱拟合公式计算冲击波超压t n t 当量，其与燃料装药量相比所得的结果，是 无量纲量) ，可通过以下方法来得到某种含能材料的爆炸冲击波超压t n t 比当量的最 终数据。 公式( 3 1 9 ) 得到的爆炸冲击波峰值超压t n t 当量，将其与试验装置的装药量m 。 相比，可得出试验装置的爆炸冲击波超压比当量口，其计算公式为式( 3 2 3 ) 。 q ，= ，甜，) m f ( 3 2 3 ) 根据公式( 3 2 0 ) 得到的试验装置爆炸冲击波峰值超压t n t 当量的平均值结果， 将其与试验装置的燃料装药质量肌，相比，可得出该种试验装置的爆炸冲击波超压比 当量g ，计算公式为式( 3 2 4 ) 。 q = 沏u ) m f ( 3 2 4 ) 3 2 爆炸冲击波超压数据分析 3 2 1 标定药柱超压数据分析 从试验测得的3 发1 6 k g 药量的标定药柱的数据中，选择出爆炸冲击波超压在 0 0 0 2 , - - , 0 0 7 6 m p a 范围内的冲击波超压及其对应的正压作用时间和冲量数据。然后根 据试验时所记录的气候条件，按照2 2 3 节中的几个系数修正公式对数据进行修正。 按照2 2 4 节中误差处理的方法去除偏差较大的值后，将3 发相同参数的标定药柱所 测得的数据做算术平均值计算，并根据式( 3 3 ) 及下文将提到的其他两个冲击波参 数不确定度计算式( 4 4 ) ( 5 4 ) ，分别计算不确定度，所得结果如表3 2 所示。 1 7 3 爆炸冲击波超压试验研究硕士论文 表3 2 标定药柱的冲击波特征参数值 由表3 2 可知，在符合建筑物七级破坏超压范围要求的数据中，距爆心1 5 m 时符 合上限要求，但小于上限值，故上限值在l o m 1 5 m 之间的某个距离处( 因为l o m 位 置时的超压值大于0 0 7 6 m p a ) ，而在1 l o m 处的超压值则与下限值几乎相等。 对标定药柱的冲击波超压实测值进行拟合时，由于只有7 个数据点，且比例距离 较大需分段拟合，可能带来较大误差，所以，本文根据已有数据点，在o r i g i n 软件中 画出平滑的曲线，然后利用曲线内推和外推得出足够多的数据点( 外推的范围为试验 装置中最小与最大的比例距离) ，然后选择不同比例距离范围，利用最小二乘法分段 拟合超压数据， 暑 旦 邕 爱 拟含 口1 口z 0钟卸t i l l 比例距离m ，l c g - ， 图3 1 不同比例距离范围的超压拟合曲线图 图3 1 为不同的比例距离范围内的超压比例距离拟合曲线图，图中的四条曲线， 只有3 群线的超压值是其他曲线的十分之一，其他曲线超压值范围都一样，所以，为 了方便比较和看图，在图中没有将3 拌线按照实际超压值作图，而是将其放大1 0 倍。 由上图可知，对于2 、3 、4 拟合曲线而言，与原始点划线相似度最高的是2 拌拟合曲 线，即为将所有数据拟合得到的曲线。最终得到相似度最高的拟合公式为： 1 8 、 硕士论文两种云爆药剂的爆炸冲击波特征及防护技术研究 凹- o 4 3 ( 警) + 19 0 7 ( 警) 2 _ 4 2 6 0 ( 筝3 ( 3 2 5 ) 其比例距离范围为：5 9 4 3 7 。 国 根据式( 3 8 ) 可计算得到标定药柱超压的刍w 0 值为0 0 1 2 ，故根据式( 3 7 ) 可 知其置信度为0 9 5 的置信区间的半宽度口( p j ，! ，) 值