Explosionslasten und Variabilität auf zylindrischen Granaten bei unterschiedlicher Ladungsausrichtung

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 6719 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Zylindrische Granaten werden häufig in öffentlichen Gebäuden und militärischen Schutzbereichen eingesetzt und bergen ein hohes Risiko für Terroranschläge und militärische Angriffe. Es ist von großem gesellschaftlichen Nutzen, die Explosionsschutzkonstruktion zylindrischer Granaten durchzuführen, bei der die Gebäudeform berücksichtigt werden muss und die Form von Druckwellen. In dieser Arbeit wurden zylindrische Ladungen in fünf Richtungen auf dem Außenboden der schuppigen zylindrischen Hülle gezündet, die Explosionslasten der zylindrischen Hülle wurden gemessen und Druckwellen wurden fotografiert. Die Variation der Explosionslast wird durch Kombination der Test- und Simulationsergebnisse analysiert. Der Unterschied im Spitzenüberdruck der Explosionswellen auf der Endfläche zwischen fünf Ausrichtungen beträgt fast das Doppelte. Die Explosionslasten in der axialen Richtung zylindrischer Ladungen weisen ein sekundäres Spitzenphänomen auf, und die Explosionslasten zwischen der axialen Richtung und der radialen Richtung zylindrischer Ladungen ändern sich in einem bestimmten Winkel abrupt. Die experimentellen und Simulationsmethoden bieten eine Referenz für die Erstellung einer Explosionslastdatenbank typischer Gebäude.

Zufällige Sprengungen und Terroranschläge kam es in den letzten Jahren häufig, die Zahl der Terroranschläge stieg auf über 10.000 pro Jahr, mehr als die Hälfte davon waren Bombenanschläge (Abb. 1a). Zylindrische Granaten (Abb. 1b, c) werden häufig in militärischen Bereichen und wichtigen Infrastrukturen eingesetzt, die einem größeren Risiko für militärische Angriffe und Terroranschläge ausgesetzt sind. Es hat einen großen sozialen Nutzen, die Explosionsbeständigkeit zylindrischer Granaten zu verbessern1,2.

Forschungsmotivation. (a) Globale Verteilung terroristischer Anschläge3. (b) Mobiler Hangar. (c) Aufblasbares Stadion.

Bei der Explosionsschutzkonstruktion von Gebäuden sollte zunächst die Explosionslast von Gebäuden ermittelt werden. In der Vergangenheit schenkten Wissenschaftler Kugelladungen4,5 und der Explosionslast flacher Platten6,7 mehr Aufmerksamkeit. Die weit verbreiteten empirischen Formeln wurden von Kingery und Bulmash8 vorgeschlagen. die auch in Designhandbüchern9 und numerischen Programmen10 geschrieben wurden, unterscheiden sich diese empirischen Formeln jedoch erheblich bei den Nahfeldexplosionen, was oft auf die Variabilität von Druckwellen zurückzuführen ist, da der physikalische Mechanismus für dieses Phänomen nicht klar verstanden wird11,12. Die Darstellungsmethode der skalierten Entfernung in der empirischen Formel geht jedoch standardmäßig davon aus, dass die Druckwellen kugelförmige Wellen sind. Für den realen Schauplatz von Bombenanschlägen sind die Druckwellen bei Nahfeldexplosionen, die eine große Bedrohung für Gebäude darstellen, normalerweise nicht kugelförmig13. Aufgrund der Form der Ladungen ist es in tatsächlichen Tests selbst kugelförmige Ladungen schwierig, symmetrisch zu detonieren14. Die Belastungsvariabilität, die durch das Ignorieren der Richtung von Druckwellen verursacht wird, ist nicht klar.

Auch die geometrische Form von Gebäuden hat einen wichtigen Einfluss auf die Explosionslasten15,16,17,18, es gibt keine detaillierten Testdaten zu Explosionslasten zylindrischer Granaten19 und die Testdaten zu Nahfeldexplosionen sind aufgrund herkömmlicher Messgeräte sehr dürftig kann einem so hohen Druck und einer so hohen Flammentemperatur nicht standhalten20 und ist außerdem durch die Anzahl der Manometer begrenzt. Daher wurde die komplexe Ausbreitung von Druckwellen durch Hochgeschwindigkeitsfotografietechniken aufgezeichnet, um die Analyse von Drucklasten zu erleichtern, und die Genauigkeit des numerischen Modells wurde vollständig überprüft.

In dieser Arbeit wurde auch der Einfluss detaillierter Faktoren wie Ladungsform und Detonationskonfiguration13,21,22,23 berücksichtigt, und als Objekt der Explosionslasten wurde die zylindrische Hülle mit weniger Testdaten ausgewählt24. Da die Reaktionsgeschwindigkeit der Gebäudestruktur langsam ist und der Kopplungseffekt mit der Druckwelle nicht groß ist, wird das starre Modell zum Testen von Drucklasten verwendet25,26,27. Es wurden statische Bilder erhalten, die Druckwellen intuitiv durch Pixelverarbeitung28 zeigen, sowie detaillierte Testdaten der Drucklasten auf die zylindrische Hülle. Der Einfluss der Ladungsorientierung und des Entstehungsprozesses von Explosionslasten wurde durch Tests und Simulationen analysiert.

Die Ladungsmasse beträgt 110 ± 1 g (Abb. 2a), ein Ende der zylindrischen Ladung, die den Zünder enthält, ist der Schwanz und das andere Ende ist der Kopf. Jeder Fall wird zweimal getestet, um die Zuverlässigkeit der Testergebnisse sicherzustellen. Die zylindrische Hülle besteht aus Q 355-Stahl (Streckgrenze < 355 ​​MPa) mit einer Dicke von 30 mm, und die Stahlplatte mit einer Dicke von 30 mm wird unter die Ladungen gelegt, um die gleichen Anfangsbedingungen zu gewährleisten, und ein Erdungskabel ist angeordnet zwischen der Stahlplatte und der zylindrischen Hülle, um das elektromagnetische Signal während der Detonation abzuschirmen, und die Kabel der Messgeräte werden durch abdeckende Dreiecksstähle geschützt (Abb. 2b). Auf der Schalenoberfläche sind insgesamt zehn Messgeräte angeordnet (Abb. 2c).

Testanordnung. (a) Lage der Ladungen, Zünder und zylindrischen Granaten. (b) Test 3 von Fall 2. (c) Position von 10 Messgeräten.

Die Überdruckverläufe (Abb. 3a-o) werden mit der Butterworth-Methode (IIR) in der ORIGIN-Software tiefpassgefiltert.29,30 Der Unterdruck einiger Messgeräte in Fall 2 und Fall 3 konnte lange Zeit nicht auf Atmosphärendruck zurückkehren. Hierbei handelt es sich um die durch den Feuerball verursachten thermischen Transienten31 der Messgeräte. Die Überdruck-Zeitverläufe für die wiederholten Tests zeigten eine gute Konsistenz. Es gibt signifikante Unterschiede in den Testergebnissen verschiedener Ladungsausrichtungen im Vergleich zu wiederholten Tests, einschließlich der Ankunftsreihenfolge der Druckwellen, des Spitzenüberdrucks und der Kurvenform.

Überdruck-Zeitverläufe. (ac) Fall 1 (angepasst aus Ref.15). (df) Fall 2. (gi) Fall 3. (jl) Fall 4. (m–o) Fall 5.

Die Feuerbälle in wiederholten Tests sind konsistent, während die Feuerbälle unter verschiedenen Ladungsausrichtungen deutlich unterschiedlich sind (Abb. 4a – e). Die Feuerbälle in Fall 1 (Abb. 4a) breiten sich schnell zum Boden aus und prallen zurück zur Mitte. Von Fall 2 bis Fall 5 dehnen sich die Feuerbälle zunächst schnell mit Druckwellen in Richtung der axialen Richtung der zylindrischen Ladungen weg von den Zündern aus (Abb. 4c), bilden dann schwarzen Rauch an der Stelle der Zünder, der Feuerball wird schließlich langsamer und breitet sich aus. Die Feuerbälle spiegeln die Form von Druckwellen32 wider und verändern den Zustand der Luft33 im Nahfeld. Sie sind nicht kugelförmig und weisen in allen Fällen eine offensichtliche Richtwirkung auf.

Detonationsprodukte wiederholter Tests bei 2 ms. (a) Fall 1. (b) Fall 2. (c) Fall 3. (d) Fall 4. (e) Fall 5.

Statische Bilder von Druckwellen (Abb. 5) werden durch Subtrahieren der Pixel des vorherigen Bildes, Erhöhen der Helligkeit und Verbessern des Kontrasts erhalten, und die Druckwellen sind deutlicher zu erkennen als auf dem Originalfoto (Abb. 4). Nachdem sich die primäre Stoßwelle von den Feuerbällen getrennt hat, entwickelt sie sich schnell zu einer Ellipsoidwelle (Abb. 5a), kollidiert dann mit der Endfläche und bildet eine reflektierte Welle (Abb. 5b), schließlich kollidiert die reflektierte Welle mit der sekundären Welle Während die Stoßwelle (Abb. 5c) einen Hochdruckbereich bildet und zurückprallt15,34,35, scheinen die beiden Wellen ohne Interferenz in ihrer ursprünglichen Flugbahn zu bleiben (Abb. 5d).

Die Druckwellen dauern 1 ms, 2 ms, 3 ms und 4 ms. (ad) Fall 1. (e–h) Fall 2. (il) Fall 3. (mp) Fall 4. (qt) Fall 5.

Unabhängig davon, ob zylindrische Ladungen in der Luft36,37 oder am Boden gezündet werden, breiten sich die Druckwellen entlang der radialen Richtung der zylindrischen Ladungen schneller aus (Abb. 5e, f) als entlang der axialen Richtung (Abb. 5i, j). Daher ist die Explosionslasten sind relativ groß (Abb. 3), wenn die Radialebene zylindrischer Ladungen (Schlankheitsverhältnis L/D = 1,58) durch Strukturen verläuft. Im Vergleich zu den Bildern in Fall 4 (Abb. 5m–p) und Fall 5 (Abb. 5q–t) hat die Position der Zünder einen geringeren Einfluss auf Druckwellen als auf Feuerbälle.

Der Spitzenüberdruck an der Stirnfläche ist größer als der an der Seitenfläche, da sich die Ladungen nahe der Stirnfläche befinden, und der Spitzenüberdruck am Rand zylindrischer Schalen nimmt um etwa 75 % ab (Abb. 6a). Wenn die Ladungsausrichtung in der tatsächlichen Situation als unsicherer Faktor betrachtet wird, ist die Variabilität der Spitzenüberdrücke bei Gauge 9 und Gauge 10 sehr groß. Sowohl der Mittelwert als auch die Variabilität des Spitzenüberdrucks nehmen mit der Ausbreitung der Druckwelle, dem Spitzenüberdruck, allmählich ab auf der Seitenfläche hat ein kleines Signal-Rausch-Verhältnis und Ausreißer (Abb. 6b).

Variabilitätsanalyse von Explosionslasten. (a) Verteilung der Spitzenüberdrücke. (b) Statistische Variabilität des Spitzenüberdrucks. (c) Test- und Simulationsergebnisse bei Gauge 10. (d) Vergleich von Fall 3 und Fall 2. (e) Die Detonationsprodukte und Druckwellen zylindrischer Ladungen (0,459 kg bei 3,6 ms) unter Luftstößen (angepasst aus Ref.37). ). (f) Primäre Endwellen und sekundäre Endwellen.

Der Überdruck-Zeitverlauf in Fall 3 (Abb. 3g–i) weist zwei Peaks auf. Das Auftreten von zwei Peaks kann durch Faktoren wie Flammeninterferenz, Mehrfachreflexion von Wellen38,39,40, Kantenreinigungseffekte, Ladungsform37 und Detonation beeinflusst werden Gemessen an der Zeitspanne zwischen den beiden Spitzen ist die wahrscheinlichste Ursache die Ausbreitungswelle der Brückenwellen hinter den Endwellen der zylindrischen Ladungen (auch als sekundäre Endwellen bekannt36). Simulationen wurden in der LS-DYNA-Software41,42 bzw. AUTODYN-Software20,43 durchgeführt (im nächsten Abschnitt beschrieben). Die beiden Spitzen der Simulationsergebnisse in LS-DYNA sind kleiner als die Testergebnisse, und es wurde festgestellt, dass die Test- und Die Simulation erzielte konsistente Ergebnisse, wenn die Ladung in AUTODYN um 9,4 Grad nach oben abgelenkt wurde (Abb. 6c). Im Vergleich zu anderen Fällen sind die Spitzenüberdrücke im Fall 3 deutlich kleiner (Abb. 6a) und auch der maximale Impuls ist deutlich reduziert (Abb. 6d).

Die Ergebnisse wiederholter Tests in Fall 4 sind recht unterschiedlich (Abb. 3j), wenn man bedenkt, dass der Überdruck von Manometer 9 und Manometer 10 gleichzeitig abnimmt und die anderen Manometer eine gute Wiederholbarkeit aufweisen, was den Ausfall einiger Manometer oder dergleichen ausschließt unvollständige Sprengung der Ladungen. Darüber hinaus sollte es nicht durch die Beeinträchtigung der Messgeräte durch Feuerbälle verursacht werden, schließlich waren die Feuerbälle in den beiden Wiederholungstests ähnlich (Abb. 4d). Die Ladungsausrichtung in Fall 4 ist ein Kompromiss zwischen Fall 2 und Fall 3. Zufälligerweise ähneln die Ergebnisse von Test 7 denen von Fall 3, während das Ergebnis von Test 8 (ähnlich den Ergebnissen in AUTODYN) dem von ähnelt In Fall 2 ist es daher möglich, dass die Ladung oder der Zünder in Test 7 eine Winkelabweichung aufweist. Dies weist auch darauf hin, dass der Lastunterschied zwischen Fall 2 und Fall 3 kein langsamer Übergang, sondern eine plötzliche Änderung ist (die Druckwellen sind zylindrisch). Ladungen sind in dieser Richtung komplexer und der Spitzendruck ändert sich tendenziell abrupt44) tritt in der Ladungsausrichtung von Fall 4 auf.

Der Feuerball (Abb. 4a) und die Druckwellen (Abb. 5a) in Fall 1 ähneln aufgrund der Spiegelreflexion des Bodens der Hälfte des Feuerballs in den Luftstößen zylindrischer Ladungen (Abb. 6e). Es gibt offensichtliche Verbindungen und Schichten zwischen primären Endwellen und sekundären Endwellen (Abb. 6f).

Das Detonationsgas rotiert (Abb. 7a) mit hoher Geschwindigkeit nahe dem Rand zylindrischer Hüllen und verbrennt erneut, bildet stabile Wirbelringe (Abb. 7b) und breitet sich von der Stirnfläche weg aus. Die Ausbreitung von Wirbelringen steht im Widerspruch zu früheren Forschungsannahmen45,46, visualisierte Bilder helfen, Aufräumeffekte an Modellkanten zu verstehen (dieses Strömungsphänomen steht im Widerspruch zu den Annahmen der Hudson-Methode47), sowohl AUTODYN als auch LS-DYNA haben Schwierigkeiten, dieses komplexe Strömungsphänomen zu simulieren.

Wirbelringe. (a) Wirbelringe von Fall 3. (b) Wirbelringe bei 5 ms.

Das Interesse an explosionssicherem Design besteht darin, dass Strukturen durch Druckwellen nicht vollständig zerstört werden können. Der Grund für die Verwendung der starren Hülle zum Testen von Drucklasten liegt darin, dass die Geschwindigkeit von Druckwellen viel höher ist als die Reaktionsgeschwindigkeit von Strukturen und deren Verformung Strukturen werden Druckwellen kaum beeinflussen. Vor der Installation der Messgeräte wurde eine Vorsprengung durchgeführt, und es wurde festgestellt, dass die zylindrische Hülle schwer genug war, um sich nicht zu bewegen. Die Tests wurden auf einem abgelegenen Berg ohne Funksignale durchgeführt, die zylindrische Hülle und die Bunker wurden mit einem Magnetkran installiert und zwei Dieselgeneratoren versorgten die Ausrüstung mit Strom.

Die Hochgeschwindigkeitskamera schoss durch Panzerglas (Abb. 8a). Tester und Instrumente befinden sich in einem Bunker 20 m von der Explosionsstelle entfernt (Abb. 8b). Die Messgeräte wurden per Innengewinde herausgeschraubt und mit unterschiedlich dicken Abstandshaltern versehen, um sicherzustellen, dass die Oberfläche bündig mit der Schalenoberfläche abschließt (Abb. 8c). Die piezoelektrischen Signale werden über 30 m lange, mit Graphit abgeschirmte Kabel übertragen, die mit schützendem Winkelstahl abgedeckt sind, und über Ladungsdebugger mit dem Erfassungsgerät verbunden (Abb. 8d). Schließlich wird es vom passenden dynamischen Signalverarbeitungssystem auf dem Computer gespeichert und verarbeitet (Abb. 8d), die Empfindlichkeit der Messgeräte wurde vor den Tests kalibriert und in das Verarbeitungssystem eingegeben, die Abtastfrequenz der Signale wird auf 200 kHz eingestellt (Filterung). nach der Aufnahme der Originalsignale) und die Aufnahmefrequenz beträgt 10.000 fps. Die atmosphärischen Bedingungen der Feldtests wurden einfach aufgezeichnet, die Temperatur beträgt 35 ± 7 °C, die Luftfeuchtigkeit 46 ± 10 % und der Luftdruck 95,5 kPa48.

Testmethoden. (a) Hochgeschwindigkeitskamera. (b) Bunker mit Glasfenstern. (c) Messgeräte innerhalb und außerhalb der Hülle. (d) Gebührendebugger, dynamisches Datenerfassungs- und Verarbeitungssystem.

Um sowohl die Ladung als auch die Hülle abzudecken, ist ein relativ großer Luftbereich erforderlich, und es ist angesichts der Recheneffizienz schwierig, ein feines Netz im 3D-Modell (dreidimensionales Modell) zu verwenden. Die 2D-Ergebniskartierung kann in Fall 1 übernommen werden, da die axiale Richtung der zylindrischen Ladungen senkrecht zum Boden verläuft (Abb. 9a, b). Die Materialparameter, spezifischen Simulationsmethoden und die Überprüfung finden Sie in Lit. 15.

2D-Ergebniskartierung (angepasst aus Ref.15). (a) Das 2D-Modell und die Simulationsergebnisse. (b) Die Simulationsergebnisse des 3D-Modells und Testergebnisse.

Die durch Bodenreflexion beeinflusste 2D-Ergebnisneuzuordnung kann nicht für andere Fälle außer Fall 1 verwendet werden. Für Fall 3 wird zunächst die Gradientengittermethode angewendet (Abb. 10a – d), d. h. dichte Gitter werden in der Nähe von Ladungen und gröber verwendet Gitter werden im Tiefdruckgebiet verwendet, die starke Diskontinuität sekundärer Endwellen kann in AUTODYN nicht simuliert werden (Abb. 10b), in LS-DYNA können relativ komplexe Gradientengitter leicht geteilt werden, und dazu wird das Schlüsselwort *INITIAL_VOLUME_FRACTION_GEOMETRY verwendet Füllladungen verschiedener Formen, obwohl sekundäre Endwellen erfolgreich simuliert werden können (Abb. 10d), ist die Schichtung der Wellen aufgrund des groben Gitters in der Nähe zylindrischer Schalen unscharf und der entsprechende Spitzenüberdruck ist kleiner als die Testergebnisse (Abb. 6c).

Verlaufsgitter und Block-Neuzuordnung. (a,b) Gradientengittermodell und Simulationsergebnisse in AUTODYN. (c,d) Gradientengittermodell und Simulationsergebnisse in LS-DYNA. (e–h) Block-Remapping-Prozess und Simulationsergebnisse in AUTODYN. (e) Anfangsdruckverteilung. (f) Simulationsergebnisse auf 0,625-mm-Gittern. (g) Block-Neuzuordnung zum Modell von 1,25-mm-Gittern. (h) Endgültiges Modell nach 5 aufeinanderfolgenden Block-Neuzuordnungen.

Da die Block-Neuzuordnungsfunktion nur im Euler-FCT-Löser verwendet werden kann, bei dem TNT (Ladung) nach dem Füllen direkt in Luftdruck umgewandelt wird (Abb. 10e), wird die Auswirkung des Detonationspunkts auf den Detonationsprozess, den Block, automatisch ignoriert Die Neuzuordnung in AUTODYN kann verwendet werden, um die Simulationsergebnisse eines feinen Netzes (Abb. 10f) dem 3D-Modell im größeren Luftbereich (Abb. 10g) neu zuzuordnen. Diese Methode hat einen guten Effekt auf die Simulation sekundärer Endwellen in Fall 3. Die Schichtung der beiden Wellen ist klar (Abb. 10h), die beiden Spitzen in den Überdruck-Zeit-Verläufen stimmen mit den Testergebnissen überein (Abb. 6c). Die 3D-Block-Neuzuordnung bietet eine hohe Genauigkeit für die Explosionslasten komplexer Ladungen, aber diese Methode muss den Luftbereich ständig anpassen, sodass der gesamte Modellierungsprozess kompliziert ist.

Die statischen Bilder der Explosionswellen lassen sich besser durch Pixelsubtraktion gewinnen, die Position der Zünder hat einen größeren Einfluss auf die Detonationsprodukte in den Nahfeldexplosionen. Der Unterschied zwischen den Explosionslasten der Endfläche bei unterschiedlichen Ladungsrichtungen beträgt nahezu das Doppelte. Wenn die axiale Richtung der zylindrischen Ladungen in Richtung der zylindrischen Hülle zeigt, haben die Drucklasten am Rand der zylindrischen Hüllen einen sekundären Peak, bei dem der Spitzenüberdruck und der maximale Impuls um das Doppelte reduziert werden. Der zweite Peak ist eine von der Brücke gebildete Verlängerungswelle Welle hinter der Endwelle, nicht die zweite Schockfront, die in der Kamera erfasst wurde. Gleichzeitig zeigte der wiederholte Test von Fall 4 einen großen Unterschied, was darauf hindeutet, dass sich die Explosionslasten in einem bestimmten Winkel plötzlich ändern. Für das reale Szenario kleiner Bombenangriffe sollte neben dem Ladungsäquivalent und der Abstandsentfernung, die in der skalierten Entfernung berücksichtigt werden, auch der Einfluss der Ladungsform, der Detonationskonfiguration und der Ladungsausrichtung stärker berücksichtigt werden. Dieses Papier stellt eine detaillierte Simulationsmethode bereit, mit der die Explosionslasten beliebiger Ladungsausrichtungen simuliert werden können. Die experimentellen und Simulationsmethoden können als Referenz für die Erstellung einer Datenbank über Explosionslasten typischer Gebäudestrukturen dienen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Fei Yin, Xudong Zhi und Feng Fan

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Fei Yin, Xudong Zhi und Feng Fan

Norinco Group, Aviation Ammunition Institute, Harbin, 150030, China

Wuchen Wei & Dianshuang Zheng

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FY und XZ haben den Haupttext des Manuskripts geschrieben, XZ und FF haben das Manuskript überprüft, WW und DZ unterstützen bei Tests.

Korrespondenz mit Xudong Zhi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 12. November 2022

Angenommen: 01. März 2023

Veröffentlicht: 25. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30785-8

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