爆炸冲击信号（精选七篇）
爆炸冲击信号 篇1
瓦斯爆炸大多数以爆燃方式出现, 引爆源产生的火焰在受限巷道内传播过程中会形成激波, 为探索瓦斯爆炸过程的火焰与激波的传播规律, 气体、粉尘爆炸实验管道或爆炸试验巷道相应被建立。但是由于爆炸及燃烧过程中较强的电磁场、强闪光、高温等原因给测量参数的传感器造成不同程度的干扰, 同时信号传输过程中还受到交流电源、信号处理器件等其他噪声污染, 并叠加到爆炸冲击波上, 对分析信号会产生影响, 导致分析结果失真, 影响波形的判别和参数的提取, 通常对这种信号采用低通滤波器滤去高频噪声处理, 而该方法存在分辨率不高、不能同时作时域及频域分析、在时域上不能作局域分析等缺陷[1], 尤其对瓦斯受限空间爆炸测试系统中爆炸冲击波信号延时短、突变快, 信号的结构及其频谱都是时变的典型非平稳信号处理就更显不足, 而常用的小波分析也由于测不准原理的制约, 高频部分的分辨率变差, 对分析效果影响也较大[2]。针对炸药爆炸冲击波信号处理, 前人已做了大量研究, 但是对瓦斯受限空间爆炸测试系统中预混瓦斯/空气混合物爆炸冲击波信号处理研究相对较少, 且在此实验中采集数据时带有大量噪声必定影响传感器的采集精度和分辨率。
小波包理论因在时间域和频率域都可达到高分辨率[3], 特别适合于瓦斯受限空间爆炸测试系统中爆炸冲击波瞬态非平稳信号的处理, 在信号去噪、压缩和突变检测等方面能有效提取信息。本文运用小波包去噪原理对瓦斯受限空间爆炸测试系统压力信号进行去噪研究, 得到对压力测试信号进行小波去噪的最佳小波包基和合理的阈值, 并比较了小波包去噪和其他去噪方法的效果, 为瓦斯受限空间爆炸测试系统压力信号的小波去噪提供了理论依据。
1 小波包去噪理论
小波包变换是小波变换的推广, 与小波变换相比, 小波包变换可以对高频部分提供更精细的分解, 而且这种分解既无冗余, 也无疏漏, 所以对包含大量中、高频信息的信号能够进行更好的时频局部化分析。一些学者已成功的实现了小波包变换, 并且已在计算机上实现, 可以用来处理复杂的数学问题, 其定义如下:
设{hk}是正交尺度函数φ (t) 对应的正交低通实数滤波器, {gk}是正交小波函数ф (t) 对应的高通滤波器, 其中gk= (-) khl-k, 即两系数满足正交关系, 则递归定义函数un称为正交尺度函数u0=φ确定的小波包, 有:
其中, j, k∈z, j是尺度参数, k为时间或位置参数;n∈Z+。
因此, 对于任意非负整数n∈Z+, 存在
将Mallat多分辨分析算法中的正交小波分解算法推广到小波包分解算法, 则得到的小波包快速分解和重构公式为:
式中, 系数d2nj, d2n+1j分别为尺度2l下的一个逼近函数f (t) 在子空间Uj2n和Uj2n+1上的投影[4,5]。
2 受限空间瓦斯爆炸冲击波信号的小波包去噪
2.1 实验装置及测试信号
实验采用的瓦斯爆炸测试系统抗爆本体包括1m3的抗爆罐和五段长为2m抗爆管道, 管道直径为159mm, 末端封闭, 实验共布置了6个2300V1型的压电传感器, 传感器布置如图1所示, P1~P6为压电传感器, 实验环境温度约为24~26℃, 初始压力为101325Pa, 实验配制浓度为9.5%的甲烷/空气预混气体, 点火位置设置在抗爆罐中心位置, 采用电点火头点火, 点火能量约为10J。
传感器采用美国Dytran公司制造的压电式高灵敏度传感器2300V系列的6只。各传感器编号、灵敏度及压力电压比参数见表1。
2.2 爆炸压力数据采集
记录爆炸过程中压力的变化原理是:由压电传感器将瞬态爆炸压力信号转换为0~5v的标准电压信号, 然后利用计算机将电压信号记录下来, 并将其转换为等值的压力信号。数据采集系统的硬件主要包括压力传感器、数据采集卡、接线端子卡和计算机。数据采集卡是用来将模拟电压信号转换为数字信号。本系统采集的是瞬态信号, 对采集卡的转换速率要求比较高, 选用了台湾研华 (Advantec) 公司生产的高性能数据采集卡PCI-1712L, 该卡最高A/D转换频率为1MHz, 采样精度12位, 精度为0.2‰。接线端子卡为PCLD-8712, 可实现8路差动或16路单端模拟量输入。
图2为瓦斯受限空间爆炸测试系统爆炸冲击波P3传感器的测试信号, 瓦斯浓度8%, 采样频率2k Hz, 信号未经滤波处理, 从图中可以看出信号受噪声污染十分严重, 给数据分析带来了困难。
2.3 瓦斯爆炸冲击波压力信号分析的最佳小波包基选择
由于小波包基函数的多样性, 不同的小波包基函数具有不同的性质, 而不同性质的小波包基对去噪效果有着直接的影响[6]。因此, 选择适合瓦斯爆炸冲击波信号的小波包基对去噪非常重要。根据定性选择小波包基的四个条件 (正交性、紧支性、对称性、平滑性和消失矩阵阶数) , 初步选取Daubechies小波系和Symlets小波系作为爆炸冲击波压力信号分析的小波包基, 取典型的Daubechies小波系的db2, db3, …, db10小波包基和Symlets小波系的sym2, sym3, …, sym8分别对各信号进行小波分解然后重构。选取均方差误差 (RMSE) 来反应小波包基重构能力。原始信号与估计信号的均方根误差RMSE越小, 则估计信号就越接近于原始信号, 重构能力越好。RMSE定义如下[7]:
式中, x (n) 为原始信号, xr (n) 为重构信号, N为信号长度。
由图3得知, Symlets小波包系重构瓦斯爆炸冲击波压力信号的能力更强, 特别是sym2、sym4、sym5、sym8的重构能力最为突出, sym8小波包基对瓦斯爆炸冲击波信号的重构能力最强。因此, 选择瓦斯爆炸冲击波压力信号小波分析的最佳小波包基为sym8。
为验证小波包基重构信号准确度, 采用瓦斯爆炸冲击波压力原始信号与小波包基重构信号的相关系数作为定量分析, 定义为[7]:
式中:;x (n) 为瓦斯爆炸冲击波压力原始信号;xr (n) 为原始信号多尺度分解后经小波包基重构信号;N为信号长度。
经计算, Sym8小波包基重构出的信号与原始信号相关系数为0.9571, 接近于1, 相关性好, Sym8小波包基重构出的信号与原始信号峰值接近 (如图4) , 因此, sym8重构瓦斯爆炸冲击波压力信号的能力强。
2.4 小波包分解及频域分割
小波包分解可以对信号的频带进行多层次划分, 对小波变换没有细分的高频部分进行进一步分解, 并能够根据要分析的信号的一些特征, 自适应地选择相应的频带, 提高时频分辨率。通过MATLAB, 对信号进行三层分解, 并计算最佳小波包分解树如图5。假设原始信号最高频率为fH, 最低频率为0, 则基层小波包树节点对应频带宽度为fH/2N[8], 信号被划分为8个频带 (如表1) 。由图6所示, 瓦斯爆炸冲击波压力上升阶段频带复杂, 主要是此阶段带有强电磁场、强闪光、高温现象, 并且频带主要集中于0~fH/2低频率范围。
2.5 阈值选择
信号去噪的阈值选择很重要。采用SURE (stein’s unbiased estimation of risk) 阈值准则, 阈值T设为: (其中n为信号长度) 。为很好地保留原始信号的特征尖峰电, 选择硬阈值方法对信号进行去噪。
2.6 爆炸冲击波压力信号去噪
选取信号去噪效果定量分析参数信噪比 (SNR) 和均方根误差 (RMSE) 。如果去噪后的信号具有较高的信噪比 (SNR) 和较小的均方根误差 (RMSE) , 则可保证去噪后的信号既能较好的保留原始信号特性, 又能满足很好的去噪效果[9], SNR和RMSE定义如下:
用式 (7) 和 (8) 计算SNR和RMSE分别为32.9d B和7.05×10-4。由图7可以看出, 小波包分析在降低噪声的同时, 仍然保留信号突变部分的信息, 因此, 对于易于发生突变, 且频率随时间变化的瓦斯爆炸冲击波压力信号, 小波包技术适宜受限空间瓦斯爆炸冲击波压力信号去噪。
3 结论
1) 根据小波包基选取原则, 采用RMSE和相关系数作为定量分析参数, 得到Symlets小波包系中的Sym8是对受限空间瓦斯爆炸冲击波压力信号进行分析和去噪的最佳小波包基。
2) 利用小波包分解信号, 通过分析信号的频带分布, 得出瓦斯爆炸冲击波压力上升阶段频带复杂, 并且频带主要集中于0~fH/2低频率范围。
3) 采用小波包分析对受限空间瓦斯爆炸冲击波压力信号去噪, 大大提高信号分析结果的准确性, 可作为该类实验信号数据处理程序。
摘要：由于受限空间瓦斯爆炸冲击波压力信号具有突变性和瞬态非平稳性特点, 采用小波包分析进行去噪处理。选取典型的Daubechies小波包系和Symlets小波包系各小波包基对信号的重构均方根误差, 并计算了原始信号与重构信号的相关系数, 确定Sym8为处理瓦斯爆炸冲击波压力信号的最佳小波包基。去噪结果显示:小波包分析在降低噪声的同时, 仍然保留信号突变部分的信息, 能尽可能不失真得重现有效信号, 受限空间瓦斯爆炸冲击波压力信号小波包去噪能够得到更可靠地结果。
关键词：受限空间瓦斯爆炸冲击波,小波包分析,信号去噪
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小型水池抗爆炸冲击极限药量分析 篇2
1 爆炸水池物理模型
小型爆炸试验水池的直径为4m, 深度为3m, 底层为防震垫层、砂层和混凝土层, 整个水池净重7845kg。底板厚0.02m, 侧板厚0.018m。水池筒体和底板使用16Mn R钢材, 筋板使用Q235A钢, 其中16Mn R钢材料屈服强度σs为327MPa, Q235A钢材料屈服强度σs为325MPa。水池是按照压力容积进行设计的, 承压能力不小于1MPa。
水池环向应力计算方法为:在水池上截取任一微小长度为a的半环。考虑在y方向上半环受到水的静压力与内力 (应力) 平衡, 则有:
式中, σ0为水池池壁应力, δ为池壁厚度, a为池壁半环高度;P为静水压力;d为水池直径。
按照公式 (1) 计算, 可以得到在压力容器内部压力为1MPa时, 筒体的环向应力为125MPa[1]。
装药水中爆炸1时, 水中任意点的冲击波压力峰值[2]为:
式中:Pm为装药中心到测点处的峰值压力 (105Pa) , W为装药量 (kg) , R为测试点与装药中心的距离 (m) ;K1取为533.3, A1取为1.13。
2 材料模型
2.1 水的材料模型
水的状态方程采用多项式状态方程进行描述。压缩时 (μ>0) 为:
Pa1a22a33 (b0b1b22) 0E (3)
膨胀时 (μ≤0) 为:
式中, μ=ρ/ρ0-1, ρ0为材料的参考密度, ρ为物质密度;系数a1、a2、a3、b0、b1由试验拟合数据得到, 分别为2.2GPa、9.54GPa、14.6GPa、2.8、2.8[3,4,5]。
2.2 炸药的材料模型
炸药为TNT, 密度为1.6g/cm3, 爆轰产物的状态方程为JWL方程[3,4,5]:
式中:A、B、ω、R1、R2为JWL方程参数, 分别取A=373.8GPa、B=3.747GPa、ω=0.35、R1=4.15、R2=0.9、E=6.0e9J/m3, E、V为爆轰产物的内能和体积。
3 池壁应力计算
建立水下爆炸水池抗水下爆炸实验冲击的三维模型。基于所建模型的对称性, 建立四分之一模型, 模型包含水、空气以及金属水池池壁。水池底部与混凝土地基刚性连接, 采用刚性处理。水池池壁采用壳体单元。空气和池壁采用拉格朗日单元划分网格, 水采用欧拉网格划分。
根据有限元模型, 计算不同质量炸药爆炸时, 池壁的mises应力, 得到当装药量为110g时, 装药起爆后, 池壁受到冲击波冲击后的mises应力最大值为320.3MPa, 此时, 按照公式 (2) , 池壁处爆炸产生的冲击波压力峰值为10.2MPa。
由于爆炸载荷属动载作用, 并且是不均匀地加载到池壁上, 故池壁承受的爆炸载荷峰值强度要大于静载荷压力。计算结果表明:爆炸水池承受的静水压力与爆炸冲击波峰值压力之比约为1:10。
4 结语
水下爆炸水池按照压力容器设计, 可承受压力为1MPa。爆炸载荷为动载荷, 且载荷不是均匀加载在池壁表面, 故水下爆炸水池承受爆炸冲击波峰值压力应大于水下爆炸水池承受压力。数值计算结果表明, 冲击波压力峰值为10MPa时, 池壁最大应力为320MPa。考虑到材料的动载荷屈服强度要大于静载荷屈服强度, 可认为水下爆炸水池可承受水下爆炸冲击波峰值压力为10MPa, 对应的装药量为110g。爆炸水池承受的静水压力与爆炸冲击波峰值压力之比约为1:10。
参考文献
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爆炸冲击信号 篇3
1 泡沫铝性能简介
泡沫铝是一种在金属铝基体中分布着大量气泡的金属材料，它兼有连续金属相和分散空气相的特点，使其具有许多独特的功能。泡沫铝在压缩过程中，有高而宽的应力平台，在压缩过程中大量能量在近似恒应力下被吸收[4]，这种特性使得泡沫铝具有很高的吸能效率。此外，通过已有的静态力学研究进一步表明泡沫铝是一种极具潜力的吸能缓冲材料，具有很高的冲击吸能本领[5]。下面采用有限元软件是LS-DYNA，对该软件进行简要的叙述。
2 数值模拟
2.1 LS-DYNA程序
LS-DYNA程序是在美国Larence Livermore National Lab．由J.Q.Hallquist博士主持开发完成的，主要目的是为武器设计提供分析工具，后经不断的改进和扩充，目前已成为著名的非线性动力分析软件，支持它的前处理器很多，本文使用的是ANSYS。下面就对本文所选用的材料参数与状态方程进行叙述。
2.2 材料参数与状态方程
本文所采用的材料参数与状态方程如下:数值模拟所用的TNT炸药，密度ρ1=1.6 g/cm3，爆速D=0.7 cm/μs,CJ压力为25.5 GPa。采用Jones,Willkins,E.L.Lee等提出的JWL状态方程[6,7]来模拟炸药爆轰过程中压力和内能及相对体积的关系，该状态方程为:
其中，A,B,R1,R2均为材料常数;P为压力;V为相对体积;E01为初始内能。计算时TNT炸药状态方程中的参数如表1所示。
空气用下面的气体状态方程来模拟，该状态方程[8]为:
其中，P'为空气压力;γ为气体热指数，γ=1.4;ρ2为空气相对密度，ρ2=1.3×10-3g/cm3;E02为空气内能，E02=2.5×10-1MPa。
钢板采用DYNAT24双线性弹塑性本构模型进行模拟，材料的参数分别为:ρ=7.85×103kg/m3,E=210 GPa,Et=3 GPa，μ=0.3，σs=0.4 GPa。
B.A.Gama等[9]对泡沫铝材料进行数值模拟时曾采用Honeycomb蜂窝结构模型，这里采用Crushablefoam本构模型[8]来模拟。泡沫铝的本构关系需要输入材料的工程应力应变曲线。已有研究者通过SHPB实验得到了如图1所示泡沫铝应力应变曲线及其他参数:ρ0=1.2×103kg/m3,E=1.2 GPa,v=0.3,Pcut=10 MPa。其中，Pcut为拉伸荷载下定义失效的拉伸应力截止值[10]。
2.3 计算结果分析
对所建立的有限元模型进行简要叙述(见图2)。该模型是利用波阵面上的超压遵从Hopkinson比例定律的衰减特性[11]，依托“某工程防护门抗化爆冲击波试验”进行了1∶5模型缩尺，坑道截面尺寸见图3。采用Euler算法，模拟出坑道口部爆炸冲击波的峰值压力，口部峰值压力约为1.03 MPa(如图4所示)。
2.3.1 普通钢板防护门对爆炸冲击波的衰减性能研究
在坑道口部设置一定厚度的普通钢板防护门。关于钢板防护门厚度问题，在类似问题的研究中[12]，研究人员通常选取的普通钢板厚度为6 mm，本文亦是如此。
数值模拟分两步进行:第一步采用Euler算法，对如图2所示的有限元模型进行数值计算，并在爆炸冲击波传播至普通钢板防护门的临界面上，选取多个具有代表性的单元，把这些单元的平均压应力时程曲线作为施加在普通钢板防护门的加载曲线(如图5所示)。第二步是把第一步求出的平均压应力时程曲线施加在普通钢板防护门上，对其进行数值模拟。该方法模拟出的结果与试验结果吻合得较好，已得到不少研究人员的运用[12]。文中所选取的单元主要为截面中轴线上、拱顶附近应力较大的单元。
由图6可以看出:在坑道口部设置普通钢板防护门时，相同位置处的爆炸冲击波峰值压力约为0.045 MPa。由此可以看出:在坑道口部设置一定厚度的普通钢板防护门，可以有效地降低坑道中爆炸冲击波的峰值压力。从爆炸冲击波对人员的伤害情况[13]显示，该峰值压力仍然会使坑道内部设备和人员受到伤害。因此，在无任何缓冲层的情况下，普通钢板在爆炸冲击波作用下产生的破坏作用是不容忽视的。为此，我们考虑在坑道口部设置泡沫铝缓冲层，以此来降低坑道口部爆炸冲击波的峰值压力。
2.3.2 缓冲层设置在普通钢板防护门前时的衰减性能研究
泡沫铝缓冲层设置在普通钢板防护门前面时，普通钢板防护门厚度为6 mm，泡沫铝缓冲层厚度为10 mm，对该新型防护结构的计算结果、对比分析如下:当泡沫铝缓冲层设置在普通钢板防护门前面时，由图7可以看出:普通钢板背面爆炸冲击波峰值压力约为22.5×10-3MPa(即0.225 atm)，与0.045 MPa相比，其峰值压力大幅度降低，泡沫铝有效地降低爆炸冲击波的峰值压力，保证了坑道内部设备和人员的安全。
3 结语
本文利用泡沫铝的衰减特性，将泡沫铝和普通钢板组合起来作为一种新型防护结构，与普通钢板防护门相比，该新型防护结构更能有效地降低爆炸冲击波的峰值压力，在很大程度上保证了坑道内部设备和人员的安全。在信息化战争中，该新型防护结构对洞库口部的抗爆缓冲设计有着重要的参考和应用价值。
摘要：运用大型有限元软件LS-DYNA,在相同爆炸冲击波作用下,对坑道口部普通钢板防护门前面不设置泡沫铝缓冲层和设置泡沫铝缓冲层两种情况分别进行了数值模拟和对比分析,结果表明:泡沫铝缓冲层对爆炸冲击波峰值压力有着良好的衰减特性,对坑道口部抗爆炸冲击波设计有着一定的参考价值。
爆炸冲击信号 篇4
岩土工程离心机的基本原理是通过离心机的高速旋转, 在模型中产生离心力, 通过控制离心机的转速, 可以使按照相似比尺制作的土工模型中各点的应力状态与原型中一致[1]。目前, 岩土工程离心机主要用来模拟边坡稳定、桩基承载力及地基沉降、挡土墙稳定性等静力学问题和沙土地震液化等问题[2], 模拟爆炸、冲击等动载的实验研究国内几乎还没有开展。然而, 由于恐怖活动的日益增多, 研究领域的日益扩展, 加上传统手段如现场试验和数值模拟等的局限性, 人们也已开始将岩土工程离心机用于模拟爆炸、冲击等动荷载。现场试验、数值模拟和离心机模拟的优缺点比较见表1。由表1可以看出, 离心机模拟爆炸、冲击等动荷载有其他两种方法难以相比的优越性, 应在工程中广泛采用, 以下简单介绍其工作原理。
2 基本原理
2.1 离心机模拟爆炸的原理[3]
Schmit和Holapple从热力学角度出发, 根据质量、动量、、能能量量守恒定律和本构方程, 结合量纲分析方法 (π定律) , 考虑爆炸中独立的参数如g, d, δ, Y, ρ, a, Q, 得到了以下5个无量纲的参数, 即:
其中, V为爆破漏斗 (弹坑) 体积;ρ为土的密度;W为炸药质量;δ为炸药密度;Q为单位质量炸药爆炸放出的能量 (能量密度) ;d为炸药埋深;Y为土体强度;a为炸药直径;g为重力加速度。
当两组试验的π值相同时, 则两组试验相似。
假定爆破漏斗体积为上述各变量的函数, 即:
可转化为:
当两组试验采用同样的土样, 同样的炸药时, π4, π5为常量, 则有:
当炸药埋深为0时, 即炸药在表面爆炸时, π3=0, 则有:
即若控制π2为常量, 则π1为定值, 两个试验相似。则有:
以上结论中, 式 (3) , 式 (5) 两结论非常重要, 它们表示可以用加速的离心力场中小当量炸药来模拟正常重力场中大当量炸药爆炸的情况, 其相似关系为g1/g2= (W2/W1) 1/3, 如1 g的炸药在Ng的加速度下爆炸可以模拟N3g的炸药在1g的重力加速度下爆炸的情况, 若药包埋于土壤以下, 则模型试验与原型试验的埋深与加速度成反比。
Schmit在1980年用Ottawa干砂做了多组埋深为0的试验, 得到以下规律:
其中, A为V, r, h, 即爆破漏斗体积, 半径和深度;B为KV, Kr, Kh, 即爆破漏斗体积, 半径和深度的修正系数;C为系数, A=V时, C=1;A=r, h时, C=1/3;D为α, β, γ, 均为与实验有关的常数。B, D均由模型试验测得数据整理得到。
2.2 离心机模拟冲击的原理[4,5]
通常认为撞击问题可以由以下几个变量来描述, 即a, U, δ, ρ, Y, g。假设V为上述变量的函数, 即:
用量纲分析法可以得到以下几个无量纲的参数:
其中, V为爆破漏斗 (弹坑) 体积;ρ为土的密度;m为撞击物体的质量;Δ为撞击物体的密度;d为炸药埋深;a为撞击物直径;U为撞击物 (如陨石) 的速度;其他参数同前。
两组试验π值相同时, 则两组试验相似。由此可得两组试验相似的相似准则为:
即可以用加速的离心力场中小质量物体的撞击来模拟正常重力场中大质量物体撞击的情况, 前提是两个试验中物体的速度必须相同。
Holsapple等人于1993年研究天体撞击形成撞击坑时对一般撞击问题进行了讨论。利用量纲分析方法和一些数学假设如“点源”理论和“耦合参数”理论, 得到了以下公式:
其中, K1, K2, μ, v均为与试验有关的常数, 对干砂, μ=0.4, 对于其他含水的目标, μ=0.55, 通常情况下v=1/3。
3 离心机模拟爆炸的应用实例
地面爆炸对地下隧道及其他结构的影响如下[6,7]:
Anirban.De等人于2006年对此进行了深入的研究, 他们用外径为76 mm, 壁厚为2.5 mm的铜管来模拟外径为5.3 m, 衬砌厚度为175 mm的地铁隧道, 覆土为Nevada干砂, 模拟覆土厚度为1.8 m, 3.6 m和0.9 m聚氨酯保护层+2.7 m覆土三种情况。炸药选择TNT, 质量为2.6 g, 加速度为70g, 来模拟正常情况下约0.9 t TNT在地面爆炸的情况。试验在铜管上沿轴向和径向上布置了19个应变片或应变花来测量爆炸发生前后的应变, 数据采集频率为15 k Hz。试验布置图见图1。
试验结束后, 用轮廓测量仪测得爆破漏斗体积、半径和深度。按照相似比尺, 可以换算得到, 原型试验中爆破漏斗半径为12 m, 深度为1.25 m。分析应变得到应力, 可以计算爆炸对地下结构的影响, 进而校核地下结构的抗爆能力。试验还表明, 保护层可以大大减小爆炸对地下结构的影响, 这个理论可以应用在盾构壁后注浆中, 也可以用于对抗爆有特殊要求的建 (构) 筑物的设计中。
4 结语
用岩土工程离心机来模拟爆炸和冲击荷载, 为相关试验提供了一种新的思路, 未来必将有着非常广阔的应用前景。本文第一次提出用岩土工程离心机来模拟大坝抗核打击的能力, 在未来必将成为现实。
摘要：从比较三种模拟爆炸的方式, 即现场试验、离心机模拟和数值模拟的优缺点出发, 介绍了岩土工程离心机在模拟爆炸及冲击时的基本原理和试验验证, 并阐述了各国学者所做的一些研究如地面爆炸对地下隧道及其他建筑结构的影响、离心机模拟大爆破等, 最后创造性的提出了对三峡大坝抗爆能力校核的试验方法。
关键词：离心机,爆炸,冲击,相似比尺
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爆炸冲击信号 篇5
近几年由于蓄意破坏或人为失误所造成的爆炸事故不断发生, 而爆炸对建筑物的损伤与破坏造成了巨大的生命和财产损失。因此, 对于易于遭受爆炸破坏的建筑物需要进行抗爆设计与加固[1]。
防爆挡墙可以减弱炸药爆炸产生的冲击波、碎片对建筑的危害。构筑防爆挡墙是抗爆设计的方式之一。
为了研究爆炸空气冲击波的传播规律, 验证防爆挡墙对爆炸空气冲击波的防护效果是否有效, 进一步了解爆炸空气冲击波在有阻碍物条件下的传播规律, 本文应用非线性显示有限元分析软件AU-TODYN建立了爆炸冲击波在三种情况下, 即无防爆挡墙、有防爆挡墙和宽度及高度增大了的防爆挡墙的传播模型, 进而分析防爆挡墙对爆炸空气冲击波的防护效应及影响因素。
1 防爆挡墙的作用
1.1 爆炸破坏因素
爆炸事故发生时, 引起破坏的因素大致如下:爆炸产物的直接作用;空气冲击波峰值超压和冲量的作用;固体抛掷物如石头、碎片向四周飞散的作用;地震波的传播。一般来说地震波的破坏远小于空气冲击波的作用;物体离爆炸点较远时, 爆炸产物作用不到, 对物体无影响;砖石、碎片等固体抛掷物, 对物体仅能造成局部破坏, 所以, 在研究爆炸安全时, 主要考虑空气冲击波的破坏作用, 其次考虑固体抛掷物的作用, 再次考虑爆炸产物的作用, 最后才考虑地震波的作用。
1.2 防爆挡墙的作用与意义
从爆源自身防护安全和周围建筑物、人员安全两个方面考虑, 易遭受爆炸破坏的建筑物附近应设置防爆挡墙。
尽管偶然的爆炸事故可能使挡墙遭受破坏, 但挡墙的设置可以减低爆炸破坏的程度, 如果挡墙在防护过程中受到破坏, 那么来自挡墙的二次碎片也必须作为危害评估的一部分进行考虑。
2 数值模型
2.1 空气模型
计算空气区域的尺寸为200m*150m*100m, 压强为101.325k Pa, 密度为1.293kg/m3。计算方法采用3D-Euler Gonunov算法。计算中网格划分数量为375000个。 (见图1)
2.2 爆源模型
爆源设定为质量6824kg、半径1m的球形裸装TNT炸药。炸药采用中心起爆, 爆心坐标为 (20m, 75m, 0m) 。本次计算采用Euler算法。由于计算区域较大, 划分网格数量较多, 为了使计算更加快速、方便, 在炸药起爆初始阶段, 采用1D-Eluer方式计算炸药的起爆, 待炸药起爆的到一定时候后再将结果映射到3D-Euler空气网格中去继续计算。1D-Eluer计算中网格划分数量为200个, 计算区域半径为10m。 (见图2)
2.3 防爆挡墙模型
工况2中挡墙长宽高分别为90m, 2m, 10m, 工况3中挡墙长宽高分别为130m, 2m, 20m, 挡墙迎爆面距爆心的距离都为136m。
实际工程中, 防爆挡墙一般采用混凝土结构。而本次计算挡墙设计在距爆心140m处, 由下述经验公式 (4) 计算得出, 距爆心140m (距离背爆面2m) 处上述药量爆炸产生的冲击波压力峰值为113.4k Pa, 远小于混凝土墙的屈服强度, 所以本次计算认为爆炸产生的空气冲击波不会对混凝土墙产生破坏效果, 即基本不会发生塑性形变。由上述分析认为本次计算中混凝土墙可以近似的看作是刚性墙, 在其他计算中, 也可以采用这种方式验算, 考虑是否需要用刚性墙代替混凝土墙, 可以减少计算时间。AUTODYN中Euler算法的缺省边界条件默认为刚性避免, 所以采用挖空Euler区域的方法等效的代替刚性墙。
3 材料模型及相关参数
3.1 高能炸药模型和J WL方程
裸装TNT炸药选用高能炸药模型, 该模型可以描述炸药的爆轰过程, 表1给出了计算中TNT炸药材料的参数值。
3.2 理想气体模型
空气采用理想气体模型, 材料参数见表2[3]。
高能炸药模型中材料压力p基本公式如下[2]
式中, 压力peos通过JWL状态方程计算, V为比容, E为比内能。F由下式进行计算:
式中, 时间t1为距离爆轰点最近点的爆轰终止时间, D为炸药爆速, Aemax为单元最大截面积, ve为单元体积。VCJ为CJ点比容值。高能炸药模型需要和JWL状态方程联用, JWL状态方程材料压力p基本公式如下:
式中, A、B、R1、R2和覣为常数, E为比内能, V为爆轰产物体积与未爆轰炸药体积之比。
3.3 球形TNT裸装炸药Backe r经验公式[4]
4 计算结果
4.1 工况1:无挡墙冲击波传播的模拟
计算结果说明与分析:探针16, 26, 36, 46的距地面高度分别为2m, 6m, 10m, 12m。由上述经验公式 (4) 计算的压强值为113.4k Pa, 与上图中108.3k Pa结果对照, 模拟结果与经验公式计算结果比较吻合, 误差不足5%。从而也初步验证了本次数值模拟是可信的。
计算结果说明与分析:探针1, 2, 3, 4距爆心距离分别为0m, 40m, 60m, 80m。从中可以看出明显的冲击波衰减现象。下图6为经验公式计算的冲击波衰减规律, 对比两波形基本类似。
4.2 工况2:冲击波作用于长90m高10m挡墙的模拟
计算结果说明与分析:和图4对比可知, 有挡墙存在后, 上述四点的峰值压力有一定程度的降低, 而且各点达到峰值压力的时间也不相同, 这显然是由于挡墙的防护效果引起的, 从中也可以看出存在挡墙确实起到了一定的防护效果。
5 结论
(1) 工况1模拟结果与经验公式计算结果比较吻合, 误差不足5%。从而验证了爆炸空气冲击波是随着距离的增加而衰减的。 (2) 构筑防爆挡墙确实可以降低爆炸空气冲击波的危害。 (3) 增高防爆挡墙的高宽度可以起到更好的防护作用。 (4) 防爆挡墙后方应该存在一个最佳的防护位置, 可以使爆炸空气冲击波的危害减小到最小。
摘要：本文采用ANSYS/AUTODYN软件, 研究了爆炸空气冲击波的衰减规律和防爆挡墙对冲击波的防护效应。分别在无挡墙及有挡墙防护的条件下, 对爆炸形成的空气冲击波作了计算分析, 并考虑了两种尺寸的防爆挡墙对爆炸冲击波防护效应的作用及影响。模拟结果表明, 爆炸空气冲击波衰减的规律与经验公式对比存在一定的可信范围内的误差;一座科学、合理设置的防爆挡墙确实能起到降低冲击波危害的效果, 而改变挡墙的尺寸, 可以影响防护效果的好坏。通过分析和模拟结果, 可以为爆炸安全的研究提供一定的依据和参考。
关键词：爆炸冲击波,防爆挡墙,数值模拟
参考文献
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爆炸冲击信号 篇6
冲击波对目标的毁伤程度,决定于冲击波的超压作用过程,在毁伤分析的过程中,需要综合考虑超压△P和I+比冲量的共同作用,依据试验所得到两种毁伤参数值进一步利用合理的分析方法对毁伤进行有效评估。但是在实际的毁伤试验中,由于某些系统误差或不可控因素的出现,即便是同等试验条件下的不同次试验,试验值往往也是存在差异的,故在利用上述指标进行毁伤评估前,需要对上述指标参数的真值进行确定,一般来讲我们是以期望值作为其真值的有效估计,而期望值与试验数据所服从分布的分布参数又存在一定的对应关系,以正态分布N(θ,σ2)为例,其参数θ即为期望值,因此温压战斗部爆炸冲击波毁伤的试验鉴定问题即为对毁伤参数所服从分布以及分布参数进行合理统计推断的问题。
1 温压战斗部毁伤小子样试验鉴定基本思路
对于一个统计推断问题,一般包括三种信息的利用:总体信息、样本信息和验前信息。总体信息,即总体分布或总体分布所属分布族给出的信息;样本信息,即从总体中抽样(现场试验)样本给出的信息;验前信息,即在抽样(现场试验)之前有关统计问题的信息[1]。
由于试验成本等客观条件的限制,温压战斗部等高效毁伤战斗部的毁伤试验研究往往会体现出明显的小子样特性,即现场试验数据非常稀少,完全依靠现场试验信息进行试验分析的方法无法满足现实需求,因此研究人员开始关注于小子样条件下合理利用仿真数据进行科学试验分析和统计决策的研究。故此时对毁伤参数的统计推断需要首先获取充分的验前信息,再利用一致性检验的方法对所得仿真数据进行验证,若通过验证则说明仿真数据可信度良好,可以用来集合现场试验数据进行统计推断;若无法通过验证则说明仿真数据不可信,需改进仿真模型,或做其它进一步处理,最后利用通过一致性检验后的仿真数据,并结合现场试验数据运用Bayes方法对毁伤参数进行科学合理的统计推断。
可以看到,温压战斗部爆炸冲击波毁伤小子样试验鉴定主要包括三部分工作:仿真数据的获取。一致性检验和Bayes方法在小子样统计推断中的应用。仿真数据的获取以及一致性检验的方法在另文已有研究,本文主要针对Bayes小子样统计推断理论进行讨论。
2 基于Bayes方法的小子样统计推断
2.1 Bayes方法基本原理
由于总体分布的表达式都是依赖于其分布参数的,假设其分布参数为θ,那么不同的θ对应不同的总体分布。Bayes观点认为,任一总体分布的未知分布参数θ都是一随机变量,服从某一概率分布π(θ),称之为验前分布,即在进行现场试验前有关于θ的验前信息的概率分布。那么,样本(x1,x2,…,xn)的产生分为两个步骤,首先从验前分布π(θ)中产生一个θ,然后利用所产生的θ从总体分布中产生样本(x1,x2,…,xn)。
假设验前分布密度函数为π(θ),根据条件概率公式,样本X与参数θ的联合分布可表示为h(x,θ)=p(x│θ)π(θ),获得样本(x1,x2,…,xn)后,根据Bayes全概率公式有验后分布为:
其中p(x│θ)代表总体分布密度函数,它表示在分布参数θ给定时总体指标X的条件分布,∫Θp(x│θ)π(θ)dθ则为x的边缘密度函数,可记为m(x),Θ为θ的取值域。
利用Bayes方法的一切统计推断均是基于上述所得验后分布开展的,从验后分布表达式可以看出,该公式集合了总体、样本和验前三部分信息,故基于验后分布对θ进行统计推断比传统统计推断方法要更加合理、也更加有效[1]。
2.2 运用自助法确定验前分布
假设存在独立同分布子样X=(x1,x2,…,xn),且xi~F(X),i=1,…,n,θ=θ(F)为F(X)的一个待估参数,Fn为子样X的经验分布函数,为θ的估计,此时可记估计误差为:
称Rn为自助统计量,自助法的核心思想即是利用自助统计量Rn去逼近Tn,以得到θ(F)的统计特性。具体步骤可归纳如下:
(1)利用X=(x1,x2,…,xn)构造经验分布函数Fn。
(2)从Fn中抽取再生子样X*(j)=(x*j1,x*j2,…,x*jn),1<j<m可称X*(j)为自助样本。
(3)计算X*(j)相应的经验分布Fn*(j)和自助统计量Rn(j):
(5)根据所得m个自主样本X*(j),可得到θ(F)的m个可能取值θj(F),再利用直方图等方法进一步可求出参数θ(F)的分布。
自助法效果的好坏在很大程度上取决于Rn与Tn的近似程度,在样本量较大时,Rn与Tn具有良好的相似性,故在利用自助法时子样的样本容量n不能过小,一般取n叟8。同时,在抽取再生子样时,样本组数m要尽量充足,一般m垌n。
2.3 Bayes估计理论
前面提到温压战斗部爆炸冲击波毁伤的试验鉴定问题即为对毁伤参数所服从分布以及分布参数进行合理统计推断的问题,不同于武器装备定型试验鉴定,无需对某项指标参数是否符合标准进行判定,只是对某项毁伤指标参数的真值进行估计,因此这里只对Bayes估计理论展开必要分析。
2.3.1 损失函数与Bayes点估计
讨论未知分布参数的估计问题时,在充分考虑样本信息和验前信息的基础上,还要对参数值与估计值之间的差异进行充分的考量。假设未知分布参数为θ,其估计值为为子样X=(x1,x2,…,xn)的函数。
所谓损失函数即为当真值为θ,而选取某个估计时所造成的损失,可记为。为了衡量估计的好坏,需考虑在给定子样X之下的平均损失:
若使平均损失,则必为验后分布的数学期望值,即
此时,记θ的Bayes估计值为,称为验后期望估计。
2.3.2 Bayes区间估计
假设未知分布参数θ的验后分布为π(θ│X),对于给定样本X和置信度α,若存在θL和θR,使得:
则称区间[θL,θR]为参数θ的置信度α为的置信区间。
上述置信区间为一种等尾可信区间,但在实际应用中最理想的置信区间应为区间长度最短的区间。仍以上述参数为例,若存在区间C,满足:P(θ∈C│X)=∫Cπ(θ│X)dθ=1-α(4)
且对任意给定的θ1∈C和θ2埸C,总有π(θ1│X)<π(θ2│X)。
则称C为θ的置信水平α的最大验后密度置信区间,简称(1-α)HPD置信区间。
当验后密度函数π(θ│X)为单峰且对称时,(1-α)HPD置信区间就是等尾置信区间,当验后密度函数不满足单峰或对称时,其(1-α)HPD置信区间比较难于求解,此时可利用算法进行近似求解。假令π(θ│X)为单峰不对称,确定其(1-α)HPD置信区间的方法如下[1]:
给定k,解方程π(θ│X)=k,得到θL(k)和θR(k),令区间C(k)=乙θL(k),θR(k)│,计算概率
若P(θ∈C(k)│X)>1-α,则增大k,再重新计算θL(k)和θR(k);
若P(θ∈C(k)│X)<1-α,则减小k,再重新计算θL(k)和θR(k);
若P(θ∈C(k)│X)=1-α,则C(k)即为所求。
3 结束语
温压战斗部爆炸冲击波毁伤的小子样试验鉴定研究,即针对小子样条件下毁伤参数所服从分布以及分布参数的合理统计推断方法的讨论,大体包括仿真数据的获取、一致性检验和小子样统计推断三部分内容,其中在统计推断部分主要是利用Bayes方法进行合理估计。
参考文献
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遥控爆炸系统的TB信号测试 篇7
1 遥控爆炸系统的概况及控制过程
炸药震源同步控制系统也叫遥控爆炸系统, 是地震勘探的主要辅助设备之一, 随着地震勘探技术和地震仪器的不断发展, 并为了满足勘探市场的需求, 遥控爆炸系统从高压炮盒发展到无线电控制的智能遥控爆炸系统。
遥控爆炸系统由编码器、译码器和电台通讯设备组成, 编码器在仪器车上, 译码器跟随炮点移动, 由于两者不在同一个地点, 所以需要通过无线电台进行通讯以及信号数据的传输和返回。在仪器车上的编码器接收到地震仪器发出的点火命令以后通过无线电台向译码器发送同步码和启动码, 译码器接收、解编、验证启动码后再确认与编码器的同步, 然后产生译码器钟TB, 同时编码器也会向仪器发送钟TB, 采集系统就开始采集地震数据, 与此同时高压作用到雷管而起爆所产生的验证TB和井口信号通过电台返回给编码器进行处理。编码器与译码器其实是相同的, 只是改变参数设置成了编码器或者译码器, 目前常用的编译码器有SHOT PRO、SHOT PRO II和BOOM BOX三种类型。
2 常用的遥控爆炸系统测试方法
2.1 示波器回路法
20世纪60年代, 在勘探事业发展的初期, 是使用的矿用爆炸机引爆电雷管。用雷管线在炸药包外困成死结, 另用一块1.5V电池接到仪器的示波器检流计回路, 当雷管线被炸断时所产生的负脉冲就被当作是爆炸信号。这种方法可能会因为炮线捆扎不紧而炸不断雷管线或者下药等过程中造成了雷管线的破皮短路或者漏电等现象而造成了断点不清或者无信号返回。虽然勘探初期所使用的这种测试方法的废炮率很高, 但是记录的却是真正无误的起爆信号。随着技术的发展, 对于环境和安全的高要求, 这种既麻烦又危险的方法已经不再使用了。
2.2 雷管电阻测试法
由于单次反射法被多次覆盖勘探所代替, 对于爆炸机的要求也越来越高, 进而诞生出了高压爆炸机。高压爆炸机起爆电路上串联了一个变压器, 起爆电流通过变压器时会感应一个信号, 就以此信号代替起爆的真实信号, 但是有一个前提, 就是在300V高压下引爆两发毫秒级电雷管的时差为1ms, 以此为基础的验证TB信号才能代替起爆的真实信号, 否则就是假信号, 所采集的数据也是虚假的。
测试遥控爆炸机时, 首先在高压点火端的两个接线柱上直接接上一个几欧姆或者十几欧姆的电阻, 或者用雷管线在安全距离以外连接一发雷管, 在跟仪器确认爆炸机序列号是正确的以后便可充电等待, 仪器发出点火信号引爆电阻或者雷管, 引爆后通过无线通讯设备回传给仪器, 仪器记录数据进行分析, 验证爆炸机是否合格, 然后连续进行五次, 并且要求五次是连续合格才算是测试成功。这种方法其实是在模拟地震生产, 跟真正的生产原理是一样的, 区别在于只用仪器的辅助道记录了TB信号数据而没有采集生产数据, 而且在野外施工过程中如果出现连续五炮没有TB信号或者出现延迟那这五炮全部是废炮, 不予采用。由于这种方法方便快捷而且雷管和电阻的成本低廉, 所以是现在国内外比较主流的一种测试爆炸机的方法。但是高压爆炸机其实是爆炸机内部电路的电容在完全充电后再放电引爆电雷管, 引爆电雷管或者击穿电阻后爆炸机译码器产生的验证TB返回编码器, 但是无论是电雷管还是电阻都有一定的阻抗, 要击穿就必然会花费一定的时间, 而这段时间无形中就会延长了验证TB和钟TB的时差。经多次反复试验证明, 这个时差是很微小的, 达到了微秒级, 不会影响生产数据的真实性, 否则也不会在国内外广泛的运用, 而且现在所使用的Pelten公司生产的SHOT PRO系列能通过软件调整TB延迟。但是如果设备存在老旧或维修不善等问题也会发生时差超标的现象, 而且经过仪器初级处理后的这个微秒级的时差是看不出来的, 所以一旦出现这个现象还仍然在继续生产的话就会发生生产事故造成巨大的经济损失, 如果没有及时发现而上交的地质数据有误也会对以后油气储藏的判断造成不可估量的影响。现在有一些国外的甲方公司已经不认可这种爆炸机测试方法了。
2.3 电感效应法
在初中我们就学过电感和互感, 而且电流的传播速度在电阻很小的情况下几乎相当于光速, 以这种近乎于光速的互感效应产生的信号能极大的满足目前对于爆炸机同步性的时差范围的测试。检波器内部磁芯就是由磁缸和磁靴组成的, 本身就是一个很强的磁场, 磁缸外部缠绕着漆包线。所以就想到了利用电感产生信号来测试遥控爆炸系统, 如图1所示。
在爆炸机点火端连接一段约50cm长的雷管线并将中间部分在检波器外壳处缠绕。由于点火的瞬时电流最大能达到40A, 如果直接施加到采集单元上会击穿电路板或者保护电路, 这也是不将高压点火柱直接连接到采集单元而是通过互感效应将电流进行衰减后再连接到采集单元的原因。自制的雷管线线圈和检波器磁芯线圈形成了两个同轴的互感线圈, 因为电流大小和线圈缠绕匝数成反比, 检波器磁芯的线圈匝数达到上千, 所以雷管线缠绕15圈到20圈即可, 不能缠绕过多, 否则衰减电流不够小的话会烧坏采集单元, 如图2所示。
爆炸机充电后由仪器发出点火命令, 雷管线圈的两端电压瞬间由400V高压衰减到0, 电流也由强变弱, 产生一个变化的磁场, 必然也会在检波器内部线圈感应出一个由强变弱的电流, 但是电流流向刚好相反, 连接检波器的采集单元则将这次电流变化的规律及强度由两次光电转换后传送给仪器进行分析。仪器记录的高压起跳时间就是爆炸机的点火时间。通过实验对比, 高压信号在验证TB和钟TB之间, 是完全符合技术指标的。需要额外说明一点就是, 由电磁学中的左手定理我们可以知道, 检波器磁芯起跳方向取决于雷管线的绕向和高压点火柱的连接方向即磁感线方向和电流方向, 野外生产中一般都是要求采集道初至是下跳, 所以如果绘制出的数据纸质记录显示是上跳, 排除检波器芯体焊反等问题, 只需将点火柱两端接线调换改变雷管线圈的电流流向即可出现下跳, 如图3所示。
3 结语
爆炸信号是衡量地震采集数据真实与否的一个十分重要的标量, 它能确保原始采集数据的准确无误, 它包含在地震采集的每一炮的资料里面, 所以按要求应当在现场实时进行的, 但是目前为了追求效益一般只是在开工后的前几炮会认真比对, 而且要每一炮都比对确实工作量比较大。不过出现差错的话一天的辛苦工作都会被全盘否决, 因此要引起施工人员相当的重视。本文的测试方法提供一些参考, 随着技术的发展应该会有更方便实用更科学的方法出现。
摘要：只有达到同步采集即激发源激发的时间和仪器开始采集数据的时间达到一致, 才能说明采集的数据是真实有效的, 而要实现同步采集就要靠遥控爆炸系统, 所以遥控爆炸系统对于地震数据的真实性起到了决定性的作用, 而遥控爆炸系统主要是由编译码器和无线通讯设备组成, 文章主要对遥控爆炸系统的几种测试方法进行分析比对, 希望能进一步完善测试方法以达到更好的效果。
关键词：遥控爆炸系统,同步采集,编译码器
参考文献
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