为了研究大当量炸药爆炸特性，运用LS-DYNA软件建立了大当量TNT炸药在空气中爆炸的模型，其计算结果低于经验公式值，可作为抗爆设计下限值。通过不同工况的模拟值，拟合得到通用超压函数，可以直接计算数值模拟结果；以指数函数形式对超压函数进行修正，给出通用修正超压函数，避免了不同经验公式计算引起的偏差。经数据验证，两函数均具有普遍适用性，能更好的指导结构针对大当量炸药的抗爆设计，方便工程应用。

In order to study the explosive characteristics of large equivalent explosives,the LS-DYNA software was used to establish a model for the explosion of large equivalent TNT explosives in air.The calculation result is lower than the empirical formula value and can be used as the lower limit of anti-explosion the simulation values of different working conditions,the general overpressure function is obtained by fitting,and the numerical simulation results can be directly overpressure function is corrected in the form of exponential function,and the universal modified overpressure function is given,which avoids the calculation deviation caused by different empirical data verification,both functions have universal applicability,which can better guide the structural anti-explosion design of large equivalent explosives and facilitate engineering application.

1.引言

近年来，爆炸突发引起的灾害问题时有发生，在建筑结构上尤为常见。为了避免建筑物在突发爆炸事件中遭受重创，在结构设计时应当考虑爆炸冲击荷载，提出有效的抗爆设计方法[1]。为此，有必要对炸药的爆炸特性进行研究。现阶段，对于爆炸冲击荷载在建筑物上的研究集中于小当量炸药，针对大当量炸药的研究较少。考虑到大当量炸药潜在的破坏威力，很有必要对其进行深入研究。目前对于爆炸冲击荷载的研究主要有实验和数值模拟两种方法。一般来说，TNT 当量不小于1 吨为大当量[2]。大当量炸药下进行爆炸实验难度较大，所需设备以及实验条件复杂，实验数据难以获得。LS-DYNA软件可以模拟任何复杂结构计算问题，特别适合模拟碰撞、冲击、爆炸等各种非线性动力问题[3]。本文利用LS-DYNA软件模拟大当量炸药在空气中自由爆炸现象，将数值模拟结果与多个经验公式进行对比，拟合成通用超压函数表达式，并对其合理修正。

2.空气冲击波传播规律

炸药爆炸时，冲击波在空气中传播会形成双层球形的两个区域，外层为压缩区，内层为稀疏区[4]，如图1所示。压缩区的空气因受到压缩，压力远远超过正常大气压，也称为超压，超压是判断爆炸效应的重要参数之一。本文主要研究的就是超压峰值的变化。在空气冲击波向外传播的过程中，波阵面的压力迅速下降。原因如下：炸药爆炸过程中，产生的冲击波是球形的，随着传播距离的增大，波阵面的面积也在增加，这样就导致，即使在理想状态下，波阵面上单位面积分布的能量也会减小，再加上受空气环境因素的影响，会有不可逆的能量损失产生[4]，所以在波传播的过程中波阵面压力迅速减小，并且初始阶段衰减快，后期衰减速度变小，实验结果显示，衰减是按照指数规律衰减的，如图2所示。

3.数值模拟和经验公式的对比

3.1.建立爆炸模型和材料本构关系

本文采用ANSYS 分别建立TNT 当量为1，2，3，4，5 t时的空气爆炸模型，所有单元均采用solid164单元，炸药采用球体模型，尺寸如表1所示[2]，空气域采用立方体，尺寸为52 m×52 m×52 m，示意图如图3，网格尺寸都为0.4 m，采用kg-m-s 单位制，为简化计算，考虑到对称性，可以采用部分建模的方式[5]，以1/8的模型进行计算，如图4，爆点设置在角点，在三个对称面设置对称约束，空气域所有边界面设置为无反射边界[5]。

explosive shock wave propagation diagram图1.球形炸药冲击波传播图

decay law图2.超压衰减规律

plane sketch图3.模型平面简图

model diagram图4.实体模型图

size表1.炸药尺寸当量/t 1 2 3 4 5 半径/m 0. 0. 0. 0. 0.

空气采用NULL 材料模型以及LINEAR_POLYNOMIAL 状态方程[6][7]，线性多项式状态方程为：

式中，P为爆轰压力；E为单位体积内能；V为相对体积。参数如表2所示[2]：

炸药采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN 模型以及JWL 状态方程[8][9]：

式中，P为爆轰压力，V为相对体积，E为单位体积内能，ω、A、B、R1、R2为材料常数。具体参数如表3[2]，其中E0为初始能量，V0为初始相对体积：

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