空军勤务学院 江苏 徐州 221000
摘要：基于显式的有限元动力分析软件ANSYS/LS-DYNA，结合具体的工况条件，模拟了GBU-28钻地武器对不同跨度坑道的破坏过程，结果表明：当坑道跨度较小时，拱肩部位受到爆炸冲击波和结构自身作用产生的拉伸应力的影响，最容易出现破坏现象，这为坑道工程设计提供了一定的参考依据。
关键词：钻地武器，不同跨度，破坏效应
0引言
随着钻地武器的发展，越来越多的地下坑道工程投入到了建设中。研究钻地武器对不同跨度的坑道工程的破坏效应规律，提出相对应的加固和改造措施，对于提高坑道工程的抗爆能力具有重要意义。
本文拟通过数值模拟，结合相关理论研究，分析GBU-28钻地弹在同一爆心距的条件下对不同跨度的地下坑道工程的破坏效应规律进行分析，为相关地下坑道工程的设计和加固提出参考依据。
1计算工况
地下坑道工程多为直墙拱形结构，现对不同跨度的地下直墙拱结构进行数值模拟。将结构跨度z分别为4、6和12m三种类型，拱顶高度分别为4.0m、5.0m和6.5m。为便于分析，拱顶结构为厚度为0.5m的钢筋混凝土，坑道底部结构厚度为0.3m。假设坑道周围岩土种类为花岗岩，坑道结构的混凝土强度等级为C40，所用钢筋的等级为HRB335，钢筋的直径为20mm，间距为200mm。
由于GBU-28是目前比较典型的常规钻地武器，而且它的数据也比较完整，因此,本文GBU-28钻地弹为例进行计算。GBU-28的等效TNT当量为413kg，炸药简化为56.3cm*56.3cm*80cm长方体装药，爆心离坑道工程顶部的距离为2m。
2材料模型的选取
2.1炸药的材料模型和状态方程
炸药采用*MAT_HIGH_EXPLOSION_BURN材料模型及状态方程*EOS_JWL。相关参数取值见文献[1]：
2.2空气的材料模型和状态方程
本文空气的材料模型*MAT_NULL和*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL状态方程，其相关参数取值见文献[1]：
2.3岩石、钢筋和混凝土材料模型
岩石材料参数比较复杂，本文采用第10号流体弹塑性模型[ ]，即*MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO材料模型，来模拟岩石的特性。与此模型配合Gruneisen状态方程。钢筋采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC[ ]材料模型，混凝土采用*MAT_BRITTLE_DAMAGE[2]材料模型。
3.有限元模型及模拟结果分析
3.1有限元模型
在数值模拟分析中，炸药为中心起爆，在岩石和坑道的外侧和底面添加透射边界，模拟无限大的岩土环境，对称面施加对称约束。数值模拟方法仍采用多物质流固耦合方法。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆其具体为炸药和周围空气采用ALE单元，岩石和直墙拱顶形坑道采用Lagrange单元，Lagrange单元与ALE单元在一定的范围内进行流固耦合,采用g-cm-us单位制。由于计算模型的空间对称性，建模时建立四分之一模型，计算时间为3．0ms，每0.6us输出一个文件。
3.2数值模拟结果分析
坑道工程结构的破坏过程分析
在炸药当量为431kg，爆心距为2m条件下，不同跨度的坑道工程结构的破坏过程。
通过对跨度为4m的坑道工程的破坏过程分析可知，炸药在坑道正上方爆炸后冲击波在岩石中传播一段距离后。入射到坑道的钢筋混凝土结构中，首先在坑道工程的顶部产生较大的压应力，拱顶部受到冲击波的作用后向下运动，这就造成坑道结构的圆拱和直墙的接合部分产生较大的拉应力，当压应力超出钢筋混凝土的破坏极限时，混凝土结构就会产生破坏现象。破坏过程的图像可以看出炸药爆炸后的应力波在拱顶处产生的压力最大。
通过对跨度为6m的坑道的破坏过程分析可知，炸药爆炸后，冲击波传到拱顶部分，使拱顶受到冲击波的作用，产生向下的位移，这就使拱肩部分受到了拉伸应力，由于拉伸应力大于混凝土结构所能承受的最大应力，导致拱肩部位的混凝土首先出现了破坏的现象，爆炸产生的冲击波在拱顶的作用力最大，但其值还未超出拱顶混凝土结构所能承受的极限，所以拱顶部分的混凝土结构还未遭到破坏。
通过对跨度为12m的坑道的破坏过程分析可知，炸药爆炸后，与爆心位于同一垂直线上的拱顶部分所受的压力最大，虽然跨度为12m的坑道工程在设定的计算条件下没有产生破坏现象，但从应力分布的情况来看，拱顶部分最可能出现破坏现象。
由分析可以得出以下结论：当所建的坑道工程跨度较小时，在爆炸荷载作用下，冲击波在拱顶部分产生的应力最大，但由于拱肩部分容易受到结构拉力和冲击波应力的影响，所以拱肩部分更容易破坏，所以在建设跨度较小的坑道工程时，适当的对拱肩部分的设计进行改进。当所建的坑道工程跨度较大时，在爆炸荷载作用下，冲击波在拱顶部位产生的应力最大，所以在建设较大跨度的坑道工程时，要注重增强顶部结构的抗爆能力。
4结论
通过有限元动力分析软件ANSYS/LS-DYNA，结合具体的工况条件,得到以下结论：
(1)利用数值模拟能比较形象直观地反映坑道工程在爆炸荷载作用下各个部位的受力情况以及破坏的过程。
(2)当坑道的跨度较小时，在爆炸荷载的作用下，坑道的拱肩部分容易受到应力波和结构拉力的影响，容易遭到破坏，在设计跨度较小的坑道时要适当增加拱肩部分的强度，对已经投入使用的坑道工程，可以对拱肩部分采取适当的加固措施。
(3)当坑道的跨度较大时，爆炸产生的应力波主要集中于拱顶部分，并且拱顶外侧所受的应力要大于拱顶内侧所受的应力。所以在设计跨度较大的坑道时，可以在拱顶部分增加被覆层，提高拱顶部分的抗爆能力。
参考文献:
[1]武海军,杨军,黄风雷等．不同耦合装药下岩石的应力波传播特性[J]．矿业研究与开发．2002．22(1)44-49．
[2]LS-DYNA Keyword User's Manual. Livermore Software Technology Corporation. 2003
[3]HENRYCH J．爆炸动力学及其应用[M]．熊建国译．北京：科学出版社，1987．
[4] 白金泽．LS-DYNA3D理论基础与实例分析[M]．北京：科学出版社，2005：75-103．
论文作者:王春光,王建武,张勇
论文发表刊物:《防护工程》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/28
标签：坑道论文; 拱顶论文; 跨度论文; 应力论文; 工程论文; 模型论文; 炸药论文; 《防护工程》2017年第17期论文;