爆炸地埋地管線上動(dòng)應(yīng)力的計(jì)算

爆炸地埋地管線上動(dòng)應(yīng)力的計(jì)算

1爆炸波與土體相互作用常見(jiàn)的武器儀器（武器和宇宙彈）通過(guò)土層產(chǎn)生的地震波可能通過(guò)土層造成，這可能會(huì)影響防護(hù)工程周?chē)裨诟鞣N給排水管道、油管道、天然氣管道和電纜管道。如何計(jì)算地板爆炸的影響，以及地板上是否安全是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。常規(guī)武器鉆地或地面爆炸時(shí),爆炸能量分配為:一部分用于土體產(chǎn)生相變(固態(tài)到液態(tài)的變化)和產(chǎn)生塑性變形;一部分耗散于“成坑效應(yīng)”;另一部分則以地震波形式向外圈傳播,即產(chǎn)生地沖擊,這種地沖擊引起土中埋設(shè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。研究土中爆炸波傳播及其與結(jié)構(gòu)相互作用問(wèn)題常用方法有解析解和數(shù)值解兩種方法。解析方法簡(jiǎn)單易行,但所能解決的問(wèn)題很少,且這些解析解僅是一些穩(wěn)態(tài)解,對(duì)于一些特殊的荷載作用時(shí)仍無(wú)法求解。對(duì)于許多復(fù)雜問(wèn)題通常用有限元方法來(lái)求解,它在分析爆炸波在土體中傳播及其與結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)能夠得到與實(shí)驗(yàn)符合很好的結(jié)論。因此,為研究埋地管道這一類特殊結(jié)構(gòu)抗常規(guī)武器鉆地或地面爆炸地沖擊作用破壞能力,本文借助大型動(dòng)力有限元軟件LS-DYNA3D提供強(qiáng)大的流-固耦合功能,對(duì)土中爆炸地沖擊作用下土與管道相互作用問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,并將模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。2材料的物理特性參數(shù)土介質(zhì)本構(gòu)模型采用帶失效的土壤和可壓縮泡沬塑料模型;管材本構(gòu)模型采用隨動(dòng)硬化雙線性彈塑模型;炸藥爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程采用JWL狀態(tài)方程;空氣材料模型采用空白材料模型給定內(nèi)能線性的多項(xiàng)式狀態(tài)方程表示。土介質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)為:密度ρ=1800kg/m3;泊松比v=0.48;彈性模量E=4.738×107Pa;剪切模量G=1.601×107Pa;體積壓縮模量K=3.948×108Pa。管道材料的物理力學(xué)參數(shù)為:密度ρ=7860kg/m3;泊松比v=0.34;初始彈性模量E0=1.0×1011Pa;屈服應(yīng)力σe=2.89×108Pa;切線模量ETAN=5.0×108Pa。TNT炸藥物理參數(shù)為:密度ρ=1600kg/m3;爆轟波陣面壓力為PCI=1.85×1010Pa。TNT炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)為:單位體積炸藥內(nèi)能E=7.0×109J/m3;狀態(tài)方程其它參數(shù)A=3.712×1011Pa,B=3.231×109Pa;R1=4.15,R2=0.95;ωˉˉ=0.30ωˉ=0.30;空氣材料模型狀態(tài)方程計(jì)算時(shí)可通過(guò)調(diào)整狀態(tài)方程來(lái)避免偏應(yīng)力計(jì)算。3模型建立和計(jì)算為研究鉆地和地面爆炸地沖擊作用下,不同位置處、不同管徑的埋地管道的動(dòng)應(yīng)力,建立了如圖1所示的A、B、C、D四個(gè)有限元計(jì)算模型。A、B、C三個(gè)模型是模擬計(jì)算鉆地爆對(duì)埋地管道的地沖擊作用,炸藥埋在土塊當(dāng)中央(紅色部分為炸藥),鉆地深度為1.50m,藥量為1.0㎏,選取土塊體積為2.8×3.0×2.0m3,因土塊前后左右四側(cè)和下部均為非反射邊界,頂部為自由邊界,故屬于半無(wú)限土介質(zhì)中爆炸作用問(wèn)題。由于該模型為軸對(duì)稱集團(tuán)裝藥,可取模型的1/4部分進(jìn)行計(jì)算,坐標(biāo)原點(diǎn)O點(diǎn)設(shè)置在裝藥中心正下方,則爆炸系統(tǒng)關(guān)于XOY、YOZ平面對(duì)稱,因此計(jì)算時(shí)模型中土塊體積為1.4×1.5×2.0m3,如圖1中(a)、(b)、(c)所示。模型A中管道埋深為1.8m,模型B中的管道埋深為1.2m,管道均是外徑為0.165m、內(nèi)徑為0.150m的鋼管,模型C中管道的外徑為0.110m、內(nèi)徑為0.1m的鋼管,埋深為1.8m。模型D是模擬計(jì)算地面爆對(duì)埋地管道的地沖擊作用,選取土塊體積為1.6×3.0×1.4m3,空氣體積為1.6×3.0×0.3m3(下部為土塊體積,上部為空氣體積,紅色部分為炸藥),坐標(biāo)系統(tǒng)和A、B、C模型設(shè)置相同。由于爆炸系統(tǒng)關(guān)于XOY平面對(duì)稱,為節(jié)省計(jì)算時(shí)間可選模型的1/2部分進(jìn)行計(jì)算,因此在計(jì)算時(shí)模型D的土塊體積為1.6×1.5×1.4m3,空氣體積為1.6×1.5×0.3m3(如D有限元模型圖所示),其中管道是外徑為0.0825m、內(nèi)徑為0.075m的鋼管,埋深為1.5m。上述四個(gè)有限元模型中,埋地管道距爆心距離均為1.30m。選擇LS-DYNA程序中提供的SOLID164六面體單元分別對(duì)裝藥、土壤、空氣和管道進(jìn)行網(wǎng)格劃分,炸藥、土壤和空氣均采用Eulerian單元,管道采用Lagrange單元。管道與土壤相互耦合采用泛函數(shù)耦合方式,并選擇所有方向上進(jìn)行耦合。4計(jì)算結(jié)果和分析4.1埋地管道應(yīng)力為了研究管道上的變形過(guò)程,在模型A中正對(duì)爆心的管道截面上選取了四個(gè)單元,計(jì)算它們的應(yīng)變值,單元位置如圖2所示:右上側(cè)(管道迎爆面)單元號(hào)為168901(正對(duì)爆心),左下側(cè)(管道爆炸背面)單元號(hào)為169729,左上側(cè)單元號(hào)170074,右下側(cè)單元號(hào)為169246。圖3為以上各單元在不同時(shí)刻、不同方向上的應(yīng)變歷程圖。從圖3可看出,管道在X、Y方向上受到了較大的壓應(yīng)變作用;在Z方向上受到很大的拉應(yīng)變作用;在XY方向(管道的橫截面)剪應(yīng)變也較大;而在YZ、ZX方向上的變形很小,且變化無(wú)規(guī)律,不考慮其破壞。由于管道的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度,因此在爆炸地沖擊作用下管道易產(chǎn)生拉力或剪切破壞。從圖3(c)、(d)中看出正對(duì)爆心的管道背面單元受到的軸向拉應(yīng)力比XY方向上剪應(yīng)力要大得多,因此應(yīng)把軸向受拉破壞作為埋地管道的第一破壞準(zhǔn)則。從圖3中各單元在X、Y、Z、XY方向上的應(yīng)變歷程圖看出,管道應(yīng)變達(dá)到峰值后,迅速回落,此后保持在較小的變化范圍之內(nèi),因此可認(rèn)為埋地管道的受力過(guò)程為瞬態(tài)受力過(guò)程。為了研究管道背面單元沿軸向(Z方向)應(yīng)力大小變化情況,在模型A中管道的背面選擇了四個(gè)單元,計(jì)算它們的軸向應(yīng)力值,單元位置如圖4所示。右端第一個(gè)單元號(hào)為169591(正對(duì)爆心的管道背面處),余下單元號(hào)向左依次為169615、169637和169657,各單元的應(yīng)力變化歷程如圖5所示。從圖5中可看出單元號(hào)169591應(yīng)力峰值最大,其它單元應(yīng)力峰值距爆心越遠(yuǎn)其值越小。單元號(hào)169591在t=0.008999s時(shí)刻達(dá)到應(yīng)力峰值,根據(jù)爆炸系統(tǒng)對(duì)稱性,得到如圖6所示的t=0.008999s時(shí)刻整個(gè)管道(爆心在管道中點(diǎn)的上方)軸向應(yīng)力分布圖。從圖6中可看出正對(duì)爆心的管段背面處單元分布著較大的軸向應(yīng)力作用,沿管道軸向離爆心較遠(yuǎn)的管段背面處單元分布著較小的軸向應(yīng)力作用。圖7、8、9分別為圖1中B、C、D模型中管道應(yīng)力峰值時(shí)刻其背面軸向應(yīng)力分布圖,從中可得出同樣的結(jié)論。由以上分析可知,在爆炸地沖擊作用下,正對(duì)爆心的埋地管段背面部分承受著很大的軸向拉應(yīng)力作用,此部分容易首先遭到受拉破壞。4.2鉆地爆對(duì)管道所受應(yīng)力的影響表1為圖1中各模型中正對(duì)爆心的管段背面軸向拉應(yīng)力峰值的計(jì)算結(jié)果。從表1中看出:鉆地爆時(shí)管道所受應(yīng)力峰值比地面爆要大得多;A、B模型中管道所受應(yīng)力峰值基本相等;C模型中管道所受應(yīng)力峰值比A、B模型中管道應(yīng)力峰值稍大一點(diǎn)。由此可知,鉆地爆產(chǎn)生的能量通過(guò)土體介質(zhì)轉(zhuǎn)化為對(duì)管道的作用比地面爆要大得多;鉆地爆作用下管道埋設(shè)深度對(duì)其所受應(yīng)力影響不大,主要與管道距爆心遠(yuǎn)近有關(guān);另外,管徑較小的埋地管道受爆炸地沖擊作用影響較大。4.3材料參數(shù)分析為了驗(yàn)證上述有限元計(jì)算模型模擬結(jié)果的可信性,按照?qǐng)D1中A有限元模型尺寸在6.0×6.0×2.0m3的彈坑內(nèi)進(jìn)行模型試驗(yàn)。填埋在彈坑內(nèi)管道兩端需固定方法是把管道兩端分別插入兩個(gè)混凝土墩?qǐng)A孔內(nèi),圓孔與管道之間的孔隙用砂子填塞,用黃土、沙質(zhì)填土、干沙和回填土填埋管道。試驗(yàn)中各種材料計(jì)算參數(shù)與數(shù)值模擬中各種材料計(jì)算參數(shù)是一致的。測(cè)試系統(tǒng)中電阻應(yīng)變片型號(hào)為BF120-5AA,電阻應(yīng)變儀型號(hào)為YD-28型,數(shù)據(jù)采集和分析選用數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與處理系統(tǒng)(即DASP采集分析系統(tǒng)),在正對(duì)爆心的管段背面處貼應(yīng)變片,測(cè)得應(yīng)變歷程如圖10所示,其應(yīng)變峰值為286.11個(gè)微應(yīng)變。數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示,管道背面在Z方向上的應(yīng)力峰值達(dá)到24.37MPa,換算成應(yīng)變值為243.7個(gè)微應(yīng)變,與實(shí)測(cè)應(yīng)變峰值286.11個(gè)微應(yīng)變很接近,且模擬計(jì)算應(yīng)變曲線圖(如圖3(c)所示)和實(shí)測(cè)應(yīng)變曲線圖也吻合較好。5對(duì)埋地管道的沖擊(1)正對(duì)爆心的埋地管段背面上承受著很大的軸向拉應(yīng)力作用。埋地管道結(jié)構(gòu)(管道接口、管材腐蝕部分等)抗拉能力一般比抗壓能力弱,爆炸地沖擊作用下正對(duì)爆心的埋地管段背面部分容易遭到材料受拉破壞。(2)常規(guī)武器鉆地爆產(chǎn)生的能量通過(guò)土體介質(zhì)轉(zhuǎn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