Cargas explosivas y variabilidad en capas cilíndricas bajo diferentes orientaciones de carga

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 6719 (2023) Citar este artículo

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Los proyectiles cilíndricos se utilizan ampliamente en edificios públicos y campos de protección militar, y tienen un alto riesgo de ataques terroristas y ataques militares, es de gran beneficio social llevar a cabo el diseño antiexplosión de proyectiles cilíndricos, que debe tener en cuenta la forma del edificio. y la forma de las ondas expansivas. En este artículo, se detonaron cargas cilíndricas en cinco direcciones en el suelo exterior del caparazón cilíndrico escalado, se midieron las cargas explosivas del caparazón cilíndrico y se fotografiaron las ondas expansivas. La variación de la carga explosiva se analiza combinando los resultados de la prueba y la simulación, la diferencia en la sobrepresión máxima de las ondas explosivas en la cara final entre cinco orientaciones es casi el doble. Las cargas explosivas en la dirección axial de las cargas cilíndricas tienen un fenómeno de pico secundario, y las cargas explosivas entre la dirección axial y la dirección radial de las cargas cilíndricas cambian abruptamente en un ángulo específico. Los métodos experimentales y de simulación proporcionan una referencia para establecer una base de datos de cargas explosivas de edificios típicos.

Las explosiones accidentales y los ataques terroristas han ocurrido con frecuencia en los últimos años, y el número de ataques terroristas ha aumentado a más de 10 000 veces por año, más de la mitad de los cuales son bombardeos (Fig. 1a). Los proyectiles cilíndricos (Fig. 1b,c) se utilizan ampliamente en campos militares e infraestructura importante, que corren un mayor riesgo de ataques militares y ataques terroristas, tiene un gran beneficio social para mejorar la resistencia a explosiones de los proyectiles cilíndricos1,2.

motivación de la investigación. (a) Distribución global de los ataques terroristas3. (b) Hangar móvil. (c) Estadio inflable.

El diseño anti-explosión de los edificios primero debe obtener las cargas explosivas de los edificios, en el pasado, los académicos prestan más atención a las cargas esféricas4,5 y las cargas explosivas de las placas planas6,7, las fórmulas empíricas ampliamente utilizadas fueron propuestas por Kingery y Bulmash8, que también fueron escritos en manuales de diseño9 y programas numéricos10, sin embargo, estas fórmulas empíricas difieren significativamente en las explosiones de campo cercano, lo que a menudo se atribuye a la variabilidad de las ondas expansivas debido a que el mecanismo físico de este fenómeno no se comprende claramente11,12. Sin embargo, el método de representación de la distancia escalada en la fórmula empírica por defecto muestra las ondas expansivas como ondas esféricas. Para la escena real de los ataques con bombas, las ondas expansivas en explosiones de campo cercano que representan una gran amenaza para los edificios generalmente no son esféricas13, debido a la forma de las cargas, incluso las cargas esféricas son difíciles de detonar simétricamente en las pruebas reales14. La variabilidad de la carga causada por ignorar la direccionalidad de las ondas expansivas no está clara.

La forma geométrica de los edificios también tiene un impacto importante en las cargas explosivas15,16,17,18, no hay datos de prueba detallados sobre cargas explosivas de carcasas cilíndricas19, y los datos de prueba en explosiones de campo cercano son muy escasos, debido a los calibres tradicionales. no puede soportar una presión tan grande y una temperatura alta de la llama20, y también está limitada por la cantidad de indicadores. Por lo tanto, la compleja propagación de las ondas expansivas se registró mediante técnicas de fotografía de alta velocidad para facilitar el análisis de las cargas explosivas, y la precisión del modelo numérico se verificó por completo.

En este artículo, también se consideró la influencia de factores detallados, como la forma de la carga y la configuración de la detonación13,21,22,23, y se seleccionó el objeto de las cargas explosivas como la carcasa cilíndrica con menos datos de prueba24. Teniendo en cuenta que la velocidad de respuesta de la estructura del edificio es lenta y el efecto de acoplamiento con la onda expansiva no es grande, el modelo rígido se utiliza para probar las cargas explosivas25,26,27. Se obtuvieron imágenes estáticas que mostraban ondas expansivas de forma intuitiva a través del procesamiento de píxeles28 y datos de prueba detallados de las cargas explosivas en la carcasa cilíndrica. La influencia de la orientación de la carga y el proceso de formación de las cargas explosivas se analizaron mediante pruebas y simulaciones.

La masa de la carga es de 110 ± 1 g (Fig. 2a), un extremo de la carga cilíndrica que contiene el detonador es la cola y el otro extremo es la cabeza. Cada caso se prueba dos veces para garantizar la fiabilidad de los resultados de la prueba. La carcasa cilíndrica está hecha de acero Q 355 (límite elástico < 355 MPa) con un espesor de 30 mm, y la placa de acero con un espesor de 30 mm se coloca debajo de las cargas para garantizar las mismas condiciones iniciales, se coloca un cable de tierra. entre la placa de acero y la coraza cilíndrica para blindar la señal electromagnética durante la detonación, y los cables de calibres están protegidos por aceros triangulares de recubrimiento (Fig. 2b). Un total de diez indicadores están dispuestos en la superficie de la carcasa (Fig. 2c).

Arreglo de prueba. (a) Ubicación de cargas, detonadores y cartuchos cilíndricos. (b) Prueba 3 del Caso 2. (c) Ubicación de 10 manómetros.

Las historias de sobrepresión (Fig. 3a-o) se filtran en paso bajo mediante el método Butterworth (IIR) en el software ORIGIN29,30, la presión negativa de algunos manómetros en el Caso 2 y el Caso 3 no pudo volver a la presión atmosférica durante mucho tiempo, estos son los transitorios térmicos31 de los medidores causados por la bola de fuego. Los historiales de tiempo de sobrepresión para las pruebas repetidas mostraron una buena consistencia, existen diferencias significativas en los resultados de las pruebas de diferentes orientaciones de carga en comparación con las pruebas repetidas, incluido el orden de llegada de las ondas expansivas, la sobrepresión máxima y la forma de la curva.

Historias de sobrepresión-tiempo. (ac) Caso 1 (adaptado de Ref.15). (df) Caso 2. (gi) Caso 3. (jl) Caso 4. (m–o) Caso 5.

Las bolas de fuego en pruebas repetidas son consistentes, mientras que las bolas de fuego bajo diferentes orientaciones de carga son significativamente diferentes (Fig. 4a-e). Las bolas de fuego en el Caso 1 (Fig. 4a) se propagan rápidamente hacia el suelo y rebotan hacia el centro. Del Caso 2 al Caso 5, las bolas de fuego primero se expanden rápidamente con ondas expansivas hacia la dirección axial de las cargas cilíndricas lejos de los detonadores (Fig. 4c), luego forman humo negro en la ubicación de los detonadores, la bola de fuego finalmente se ralentiza y se esparce. Las bolas de fuego reflejan la forma de las ondas expansivas32 y cambian el estado del aire33 en el campo cercano, no son esféricas y tienen una directividad evidente en todos los casos.

Productos de detonación de ensayos repetidos a 2 ms. (a) Caso 1. (b) Caso 2. (c) Caso 3. (d) Caso 4. (e) Caso 5.

Las imágenes estáticas de las ondas expansivas (Fig. 5) se obtienen restando los píxeles de la imagen anterior, aumentando el brillo y mejorando el contraste, y las ondas expansivas son más evidentes que la foto original (Fig. 4). Después de que la onda de choque primaria se separa de las bolas de fuego, se convierte rápidamente en una onda elipsoide (Fig. 5a) y luego choca con la cara del extremo y forma una onda reflejada (Fig. 5b), finalmente, la onda reflejada choca con la onda secundaria onda de choque (Fig. 5c) para formar un área de alta presión y rebotar15,34,35, las dos ondas parecen permanecer en sus trayectorias originales sin interferencias (Fig. 5d).

Las ondas expansivas a 1 ms, 2 ms, 3 ms y 4 ms. (ad) Caso 1. (e–h) Caso 2. (il) Caso 3. (mp) Caso 4. (qt) Caso 5.

Ya sea que las cargas cilíndricas se detonen en el aire36,37 o en el suelo, las ondas expansivas se expanden más rápido a lo largo de la dirección radial de las cargas cilíndricas (Fig. 5e,f) que a lo largo de la dirección axial (Fig. 5i,j), por lo tanto, la las cargas explosivas son relativamente grandes (Fig. 3) cuando el plano radial de las cargas cilíndricas (relación de esbeltez L/D = 1,58) pasa a través de las estructuras. En comparación con las imágenes del Caso 4 (Fig. 5m–p) y el Caso 5 (Fig. 5q–t), la posición de los detonadores tiene menos efecto sobre las ondas expansivas que sobre las bolas de fuego.

La sobrepresión máxima en la cara del extremo es mayor que la de la cara lateral debido a que las cargas están cerca de la cara del extremo, y la sobrepresión máxima en el borde de las carcasas cilíndricas se atenúa en aproximadamente un 75% (Fig. 6a). Si la orientación de la carga se considera un factor incierto en la situación real, la variabilidad de las sobrepresiones máximas en los indicadores 9 y 10 es muy grande, tanto la media como la variabilidad de la sobrepresión máxima disminuyen gradualmente a medida que se propaga la onda expansiva, la sobrepresión máxima en la cara lateral tiene una pequeña relación señal-ruido y valores atípicos (Fig. 6b).

Análisis de variabilidad de cargas explosivas. (a) Distribución de las sobrepresiones máximas. (b) Variabilidad estadística de la sobrepresión máxima. (c) Resultados de prueba y simulación en el calibre 10. (d) Comparación del caso 3 y el caso 2. (e) Los productos de detonación y las ondas expansivas de cargas cilíndricas (0,459 kg a 3,6 ms) bajo ráfagas de aire (adaptado de Ref.37 ). (f) Ondas finales primarias y ondas finales secundarias.

El historial de tiempo de sobrepresión en el Caso 3 (Fig. 3g–i) tiene dos picos. La aparición de dos picos puede estar influenciada por factores como la interferencia de la llama, múltiples reflejos de ondas38,39,40, efectos de limpieza de bordes, forma de carga37 y detonación. configuración, a juzgar por el intervalo de tiempo entre los dos picos, la causa más probable es la onda de extensión de las ondas puente detrás de las ondas finales de las cargas cilíndricas (también conocidas como ondas finales secundarias36). Las simulaciones se llevaron a cabo en el software LS-DYNA41,42 y el software AUTODYN20,43 respectivamente (descritos en la siguiente sección), los dos picos de los resultados de la simulación en LS-DYNA son más pequeños que los resultados de la prueba, y se encontró que la prueba y la simulación logró resultados consistentes cuando la carga se desvió hacia arriba 9,4 grados en AUTODYN (Fig. 6c). En comparación con otros casos, las sobrepresiones máximas en el Caso 3 son significativamente menores (Fig. 6a) y el impulso máximo también se reduce significativamente (Fig. 6d).

Los resultados de las pruebas repetidas en el Caso 4 son bastante diferentes (Fig. 3j), considerando que la sobrepresión del Manómetro 9 y el Manómetro 10 disminuye al mismo tiempo, y los otros manómetros tienen buena repetibilidad, lo que evita la falla de algunos manómetros o el detonación incompleta de cargas. Además, no debería ser causado por la interferencia de los medidores con las bolas de fuego, después de todo, las bolas de fuego en las dos pruebas repetidas fueron similares (Fig. 4d). La orientación de carga en el Caso 4 es un compromiso entre el Caso 2 y el Caso 3, coincidentemente, los resultados de la Prueba 7 son similares a los del Caso 3, mientras que los resultados de la Prueba 8 (Similar a los resultados en AUTODYN) son similares a los de Caso 2, por lo tanto, es posible que la carga o detonador en la Prueba 7 tenga una desviación de ángulo, esto también indica que la diferencia de carga entre el Caso 2 y el Caso 3 no es una transición lenta, sino un cambio repentino (Las ondas expansivas de forma cilíndrica las cargas son más complejas en esta dirección y el pico de presión tiende a cambiar abruptamente44) ocurre en la orientación de carga del Caso 4.

La bola de fuego (Fig. 4a) y las ondas expansivas (Fig. 5a) en el Caso 1 es similar a la mitad de la bola de fuego en las ráfagas de aire de cargas cilíndricas (Fig. 6e), debido al reflejo especular del suelo. Hay una unión y estratificación obvias entre las ondas finales primarias y las ondas finales secundarias (Fig. 6f).

El gas de detonación gira (Fig. 7a) a alta velocidad cerca del borde de las conchas cilíndricas y vuelve a arder, formando anillos de vórtice estables (Fig. 7b) y propagándose lejos de la cara final. La propagación de los anillos de vórtice entra en conflicto con las suposiciones de investigaciones anteriores45,46, las imágenes visualizadas ayudan a comprender los efectos de limpieza en los bordes del modelo (este fenómeno de flujo entra en conflicto con las suposiciones del método de Hudson47), tanto AUTODYN como LS-DYNA tienen dificultades para simular este complejo fenómeno de flujo.

Anillos de vórtice. (a) Anillos de vórtice del Caso 3. (b) Anillos de vórtice a 5 ms.

El interés en el diseño resistente a explosiones es que las estructuras no pueden ser completamente destruidas por las ondas expansivas, la razón para usar la carcasa rígida para probar las cargas explosivas es que la velocidad de las ondas explosivas es mucho mayor que la velocidad de respuesta de las estructuras, y la deformación de estructuras difícilmente afectarán las ondas expansivas. Se realizó una voladura previa antes de instalar los medidores y se encontró que la carcasa cilíndrica era lo suficientemente pesada como para no moverse. Las pruebas se llevaron a cabo en una montaña remota sin señales de radio alrededor, la carcasa cilíndrica y los bunkers fueron instalados por una grúa magnética y 2 generadores diesel proporcionaron electricidad para el equipo.

La cámara de alta velocidad disparó a través de un vidrio a prueba de balas (Fig. 8a). Los probadores e instrumentos se encuentran en un búnker a 20 m del lugar de la explosión (Fig. 8b). Los calibres se desenroscaron con rosca interna y se agregaron espaciadores de diferentes espesores para garantizar que la superficie quede al ras con la superficie de la carcasa (Fig. 8c). Las señales piezoeléctricas se transmiten a través de cables blindados con grafito de 30 m cubiertos con acero de ángulo protector y se conectan al instrumento de adquisición a través de depuradores de carga (Fig. 8d). Finalmente, es almacenada y procesada por el sistema de procesamiento de señales dinámicas coincidentes en la computadora (Fig. 8d), la sensibilidad de los medidores se calibró antes de las pruebas y la entrada al sistema de procesamiento, la frecuencia de muestreo de las señales se establece en 200 kHz (filtrado). después de grabar las señales originales) y la frecuencia de disparo es de 10.000 fps. Las condiciones atmosféricas de las pruebas de campo se registraron simplemente, la temperatura es de 35 ± 7 °C, la humedad es de 46 ± 10 % y la presión del aire es de 95,5 kPa48.

Métodos de prueba. (a) Cámara de alta velocidad. (b) Bunkers con ventanas de vidrio. (c) Indicadores dentro y fuera del caparazón. (d) Depurador de carga, adquisición dinámica de datos y sistema de procesamiento.

Cubrir tanto la carga como el caparazón requiere un dominio de aire relativamente grande, y es difícil usar una malla fina en el modelo 3D (tridimensional) considerando la eficiencia computacional. El mapeo de resultados 2D se puede adoptar en el Caso 1 debido a que la dirección axial de las cargas cilíndricas es perpendicular al suelo (Fig. 9a, b), el parámetro del material, los métodos de simulación específicos y la verificación se pueden encontrar en la ref.15.

Mapeo de resultados 2D (adaptado de Ref.15). (a) El modelo 2D y los resultados de la simulación. (b) Los resultados de la simulación del modelo 3D y los resultados de las pruebas.

La reasignación de resultados 2D afectada por la reflexión del suelo no se puede usar para otros casos, excepto para el Caso 1, para el Caso 3, primero se adopta el método de cuadrícula de gradiente (Fig. 10a–d), es decir, se usan cuadrículas densas cerca de cargas y más gruesas. En el área de baja presión, las rejillas se utilizan en el área de baja presión, la fuerte discontinuidad de las ondas finales secundarias no se puede simular en AUTODYN (Fig. 10b), en LS-DYNA, las rejillas de gradiente relativamente complejas se pueden dividir fácilmente, y la palabra clave *INITIAL_VOLUME_FRACTION_GEOMETRY se usa para llenan cargas de varias formas, aunque las ondas finales secundarias se simulan con éxito (Fig. 10d), la estratificación de las ondas es borrosa debido a la cuadrícula gruesa cerca de las capas cilíndricas, y la sobrepresión pico correspondiente es menor que los resultados de la prueba (Fig. 6c).

Cuadrícula de degradado y reasignación de bloques. ( a, b ) Modelo de cuadrícula de gradiente y resultados de simulación en AUTODYN. ( c, d ) Modelo de cuadrícula de gradiente y resultados de simulación en LS-DYNA. (e-h) Proceso de reasignación de bloques y resultados de simulación en AUTODYN. (e) Distribución de la presión inicial. ( f ) Resultados de la simulación en cuadrículas de 0,625 mm. (g) Reasignación de bloques al modelo de grillas de 1,25 mm. (h) Modelo final después de 5 reasignaciones de bloques consecutivas.

Dado que la función de reasignación de bloques solo se puede usar en el solucionador Euler-FCT, donde TNT (carga) se convierte directamente en presión de aire después del llenado (Fig. 10e), esto ignora automáticamente el efecto del punto de detonación en el proceso de detonación, el bloque la reasignación en AUTODYN se puede utilizar para reasignar los resultados de simulación de malla fina (Fig. 10f) al modelo 3D en un dominio de aire más grande (Fig. 10g), este método tiene un buen efecto en la simulación de ondas finales secundarias en el Caso 3, la estratificación de las dos ondas es clara (Fig. 10h), los dos picos en las historias de sobrepresión-tiempo son consistentes con los resultados de la prueba (Fig. 6c). La reasignación de bloques 3D tiene una alta precisión para las cargas explosivas de cargas complejas, pero este método necesita ajustar el dominio del aire constantemente, por lo que todo el proceso de modelado es complicado.

Las imágenes estáticas de las ondas expansivas se obtienen mejor mediante la sustracción de píxeles, la posición de los detonadores tiene un mayor efecto sobre los productos de detonación en las explosiones de campo cercano. La diferencia entre las cargas explosivas de la cara final en diferentes orientaciones de carga es casi el doble. Cuando la dirección axial de las cargas cilíndricas apunta hacia la carcasa cilíndrica, las cargas explosivas en el borde de las carcasas cilíndricas tienen un pico secundario, en el que la sobrepresión máxima y el impulso máximo se reducen al doble, el segundo pico es una onda de extensión formada por el puente onda detrás de la onda final, no los segundos frentes de choque capturados en la cámara. Al mismo tiempo, la prueba repetida del Caso 4 mostró una gran diferencia, lo que indica que hay un cambio repentino en las cargas explosivas en un ángulo específico. Para el escenario real de ataques con bombas a pequeña escala, además del equivalente de carga y la distancia de separación considerada en la distancia escalada, se debe prestar más atención a la influencia de la forma de la carga, la configuración de la detonación y la orientación de la carga. Este documento proporciona un método de simulación detallado que puede simular las cargas explosivas de cualquier orientación de carga. Los métodos experimentales y de simulación pueden proporcionar una referencia para establecer una base de datos de cargas explosivas de estructuras de edificios típicas.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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La financiación fue proporcionada por el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China, 2020YFB1901403, Heilongjiang Youth Development Foundation, JQ2020E004.

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Fei Yin, Xudong Zhi y Feng Fan

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Fei Yin, Xudong Zhi y Feng Fan

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Wuchen Wei y Dianshuang Zheng

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FY y XZ escribieron el texto principal del manuscrito, XZ y FF revisaron el manuscrito, WW y DZ brindan apoyo en las pruebas.

Correspondencia a Xudong Zhi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Yin, F., Zhi, X., Fan, F. et al. Cargas explosivas y variabilidad en capas cilíndricas bajo diferentes orientaciones de carga. Informe científico 13, 6719 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30785-8

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Recibido: 12 noviembre 2022

Aceptado: 01 de marzo de 2023

Publicado: 25 abril 2023

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

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