工程岩体中多弹重复打击效应的数值模拟分析.pdf

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1、第34卷第3期爆炸与冲击Vo1．34，No．32014年5月EXPL0S10NANDSH0CKWAVESMay，2014文章编号：1001—1455(2014)03—0361—06工程岩体中多弹重复打击效应的数值模拟分析邓国强，杨秀敏(总参工程兵科研四所，北京100850)摘要：根据现场岩体特性，将岩体剖分为结构体和结构面2部分，针对结构体构建了均质岩石本构模型，而后依据结构面分布特性，构建了考虑天然岩体非均质性的空间块体模型。采用这一空间块体模型，对重复打击效果进行了大量数值模拟分析，数值模拟与现场实验结果基本一致，两者均表明，因受残

2、余弹片、命中点偏差和岩体非均质性等因素综合影响，多弹重复打击破坏深度存在着一个极限值。关键词：爆炸力学；钻地武器；重复打击；天然岩体；极限深度中图分类号：0385国标学科代码：13035文献标志码：A在现代常规战争中，尽管钻地武器性能已大幅提高，但对深埋于地下的坚固工程，单发打击仍极难摧毁，因此考虑对同一目标点实施多弹重复打击口]。信息技术的广泛应用使制导武器命中精度得到提高、弹头材料增强、弹壁加厚、引信智能化，在技术上对重点目标实施重复打击已成为可能。实战中已出现了重复打击方式，如巴格达“阿米尔”浅埋掩蔽部遭美军2枚弹先后打击，第1枚

3、弹炸穿通风孔，第2枚弹沿炸孔进入地下空间爆炸使掩蔽部内人员伤亡严重，因此本文中重点探讨多弹重复打击对岩体的破坏效果。针对重复打击破坏效应，已开展了一些数值模拟[1和实验I2]研究，但这些研究都是针对极端理想情况，既没有考虑岩体非均质特性，也没有考虑前后弹的命中点偏差，有些甚至没有考虑钻地弹弹头自身特性以及前弹对岩体侵爆破坏效应对后弹的影响，因此这些研究是片面的，所得结论也就与实际情况出入很大，甚至是错误的。针对这些情况，文献[3]中详细介绍了现场实弹重复炮击实验，本文中采用数值模拟方法进一步分析。l工程岩体的数值描述对复杂的实验现场工程

4、岩体来说，用单纯的本构关系很难描述其变形特性，而在岩体力学中一般将岩体分为结构体和结构面2个部分来考虑。本文中借用这一观点，也将岩体分2个方面来描述，一方面根据岩石实验情况，建立一套描述结构体力学行为的均质本构模型，另一方面根据结构面的空间分布特性，采用数学图论方法来建立天然岩体的空间块体模型。1．1结构体均质本构模型结构体完整性好，可采用均质本构模型来描述，而岩石是典型的脆性多孔介质，力学性能与金属差别很大，其本构模型必须能同时兼顾以下情况：状态方程中考虑压实效应，强度方程中全面考虑破坏前后的力学特点、应力角、静水压力、应变率效应、岩

5、体完整性等影响。在数值计算和理论分析中，一般基于流体弹塑性模型采用解耦的方法，即将应力张量分解为球应力张量和偏应力张量2部分，分别采用状态方程和强度准则来更新43。岩石是多孔隙介质，描述这类介质比较好的有P__l￡]和孔隙塌漏模型[6]，其中简化后采用解析形式孔隙塌漏模型¨6计算简便，参数容易确定，本文中采用这种解析形式(见图1)，分线性段(OA)、压密段*收稿日期：2012-l1—22；修回日期：2013—05—29基金项目：爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室开放课题项目(DPMEIKF201304)作者简介：邓国强(1972～)，男，博

6、士，高级工程师。362爆炸与冲击第34卷(AB)和密实段(BCD)3段来描述，当压力超过点A处的后，进入压密段，卸载后将不再回到点O，空隙部分被压实，超过点B处的后，空隙完全被压实，卸载后将下降到点D，阴影部分表示因被压实而消耗的能量，面积越大，耗能越多。岩石在爆炸冲击载荷下的动态响应是一个非常复杂的过程，目前描述比较好的是损伤模型，认为动态破坏是连续的微损伤累积造成的。从细观上看，微裂纹的扩展和相互作用释放了包围这些损伤材料的应力，从而降低了材料的承载能力；从宏观上看，这种效应降低了材料的刚度与强度。由于岩石拉压差异非常大，因此将二者

7、分开考虑，当处于拉伸状态时采用TCK模型，而处于压缩状态时采用JHR(Johnson—Holmquist—Rock)模型。TCK模型在D．E．Grady等]、杨军等Ⅲg]、王志亮等_】叩的文献中已有详细介绍，这里仅列出主要计算式：图1考虑压实效应的状态方程一3K(1一D)￡v+2G(1一D)e(1)Fig．1EquationofstatewithcrushedeffectD一(16／9)(1一)／(1—2)Ce(2)式中：，为柯西应力，￡为体积应变e为偏应变，为Kroneker符号，K、G为未损伤材料的体积、剪切模量，D为拉伸损伤变量，

8、C是裂纹密度，为损伤泊松比。JHR模型(见图2)是在JH材料模型的基础上，考虑岩石的压缩强度、拉伸强度、损伤演化、应变率、应力角等特性修改而成，其形式为：fFl(P，D。)F2()F。(，P)≤S。P+T(