CN111444566B - 一种恐怖爆炸冲击波特征参数简化计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种恐怖爆炸冲击波特征参数简化计算方法，首先假设有一装药量为W公斤TNT当量的爆炸装置在距离建筑孔口中心外为R米的地面上爆炸，周围大气压力为P₀，空气密度为ρ₀，孔口结构的体积为V₀，建筑结构的体积为V，从孔口结构进入建筑结构内的冲击波压力是均布的，冲击波特征参数包括冲击波均布压力ΔP_C，正压作用时间τ_+C，平均正压冲量I_C；然后进行爆炸模拟试验，采用数据拟合，得到不同当量常规武器在建筑结构外任意位置爆炸时从任一孔口结构进入建筑结构内的爆炸冲击波参数平均值的计算公式。本发明可快速准确的计算出从孔口结构进入建筑内部的冲击波的各特征参数，对孔口结构内部的毁伤评估和防护评估具有重要意义。

Description

一种恐怖爆炸冲击波特征参数简化计算方法

技术领域

本发明涉及冲击波的计算方法，用于建筑外部发生恐怖爆炸时，具有孔口结构的建筑物内部冲击波特征参数的计算，具体是一种恐怖爆炸冲击波特征参数简化计算方法。

背景技术

孔口结构指带有孔口的工程结构，包括带有孔口的各种防护工程结构以及恐怖爆炸中带有门、窗、排风、通信等孔口的民用建筑等。

近年来，暴恐袭击在世界各地频繁出现，已成为危害国家安全和社会稳定的毒瘤。冲击波是恐怖爆炸主要的毁伤破坏因素。目前世界各国对恐怖爆炸极为重视，在各种严密的针对性安检防范措施下，爆炸装置不可能直接进入建筑物内部，只能隔离在建筑外爆炸，门窗等孔口是各种建筑物最薄弱的环节，爆炸冲击波通过破坏的孔口进入建筑结构内部进行杀伤成为恐怖爆炸的主要致伤方式。为了更好的保护人民生命财产安全，降低类似事件的危害，需要对爆炸袭击所造成的毁伤进行模拟与评估，并提前做好防范措施。建筑内部的冲击波参数分布是描述冲击波毁伤的基础，也是制定必要防护措施的前提和依据，因此快速准确的获得孔口结构内的冲击波特征参数数，对准确评估恐怖爆炸后的灾害损失程度，制定针对性防护措施，提高灾后救援效率等都具有十分重要的意义。而现有的相关研究主要针对爆炸波在街道和建筑群内的分布情况，而针对爆炸冲击波通过破坏的门窗进入建筑内的分布特征等方面的研究至今还鲜见发表，目前，恐怖爆炸通过孔口进入结构内的冲击波分布特征，目前尚无合适的可供使用的计算方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种恐怖爆炸冲击波特征参数简化计算方法，用于建筑外部发生恐怖爆炸时，具有孔口结构的建筑物内部冲击波特征参数的计算；通过本方法，可快速计算出恐怖爆炸中建筑结构内冲击波的各特征参数，计算结果接近实测结果，可迅速对建筑结构内爆炸冲击波分布规律及其影响作出评判，对建筑结构内部冲击波毁伤评估和防护评估具有重要意义。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种恐怖爆炸冲击波特征参数简化计算方法，包括以下步骤：

步骤S1、假设装药量为W公斤TNT当量的爆炸装置在距建筑结构孔口中心外为R米的地面上爆炸，周围大气压力为P₀，空气密度为ρ₀，孔口体积为V₀，建筑结构的容积为V，从孔口结构进入建筑结构内的冲击波压力是均布的，冲击波特征参数包括冲击波均布压力ΔP_C，正压作用时间τ_+C，平均正压冲量I_C，其中，可确定的主定参量组为：

W，R，P₀，ρ₀，V₀，V；

冲击波特征参数作为待定参量，待定参量组为：

ΔP_C，τ_+C，I_c；

用F表示进入该建筑内冲击波的待定参量组，则待定参量组和主定参量组之间存在如下函数关系：

F＝f(W,R,P₀,ρ₀,V₀,V) (1)

采用LMT度量单位系统，根据π定理，在主定参量组中有以下无量纲组合：

和/>

于是公式(1)可以写成以下形式：

同理，在待定参量组中压力ΔP_C、正压作用时间τ_+C和正压冲量I_C的无量纲组合为：

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令P_o＝1，ρ_o＝1，可得进入该建筑内爆炸冲击波参数的函数关系的无量纲表示式：

根据公式(3)、(4)、(5)，进入建筑内的爆炸冲击波参数是爆炸无量纲距离和该建筑物无量纲体积两个无量纲量的函数，其中无量纲距离为爆炸点至该建筑孔口中心点的距离与装药量立方根之比，即爆炸比例距离，无量纲体积为孔口体积与该建筑主体体积之比；

步骤S2、固定该建筑的无量纲体积V_o/V不变，改变爆炸比例距离R/W^1/3的大小，进行系列爆炸模拟试验，取得建筑内冲击波参数试验数据，此时，由于建筑内冲击波参数仅与爆炸比例距离有关，公式(3)、(4)、(5)变成如下形式：

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若对试验所获数据进行拟合，可得到该建筑内爆炸冲击波参数随爆炸比例距离的近似计算公式：

步骤S3、固定R/W^1/3不变，改变该建筑V_o/V的大小，做系列试验，测量该建筑内各冲击波参数，取得一系列试验数据，并对计算得到一系列数据进行拟合，根据拟合结果得到各冲击波参数的具体计算公式如下：

步骤S4、将公式(9)、(10)、(11)分别代入(12)、(13)、(14)进行整理，即得不同当量爆炸装置在建筑外任意距离爆炸时从孔口进入建筑结构内的爆炸冲击波参数的计算公式：

当炸药不是正对孔口中心爆炸，而是在孔口外任意位置爆炸，设装药中心与孔口中心连线与孔口轴线的夹角为α，此时公式(15)、(16)、(17)中其他参数不需变化，只需将孔口开口面积换算成在孔口轴线上的投影面积即可，由三角函数关系可知，孔口的有效孔口体积均为V₀cos²α，则有：

公式(18)、(19)、(20)即为不同当量的爆炸装置在建筑外任意位置爆炸时，从孔口结构进入建筑结构内的爆炸冲击波参数的简化计算公式。

所述步骤S2中，获取试验数据的方法为：在建筑内部两侧侧壁上分别设置传感器，改变爆炸比例距离，进行爆炸模拟试验，通过传感器测定不同爆炸比例距离下的建筑内部冲击波特征参数，通过N组不同爆炸比例距离的试验得到一系列试验数据。

所述步骤S3中，获取试验数据的方法为：在建筑内部两侧侧壁上分别设置传感器，改变孔口结构体积的大小，进行爆炸模拟试验，通过传感器测定不同孔口结构体积的建筑内部冲击波特征参数，通过N组不同孔口结构体积的试验得到一系列试验数据。

本发明的有益效果是：本发明所提供的简化计算方法，是基于恐怖爆炸时，建筑的孔口结构内存在压力较为平均的冲击波压力，是在大量试验的基础上，采用量纲分析理论得到的，通过本计算方法，可快速计算出建筑物结构外发生爆炸时，从孔口进入建筑内部的冲击波的各个特征参数，对快速评估爆炸对孔口结构内部人员及设备的毁伤并制定针对性的防护措施具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的计算方法简图。

图2为压力随爆炸比例距离变化时的拟合曲线图。

图3为冲量随爆炸比例距离变化时的拟合曲线图。

图4为正压作用时间随爆炸比例距离变化时的拟合曲线图。

图5为压力随无量纲体积变化时的拟合曲线图。

图6为冲量随无量纲体积变化时的拟合曲线图。

图7为正压作用时间随无量纲体积变化时的拟合曲线图。

图8为若爆炸装置在孔口外任意位置爆炸示意图。

图中，各个点位为相应数据坐标点，曲线为拟合曲线。

图1中，1、炸药，2、建筑结构，3、孔口。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的详细说明。

一种恐怖爆炸冲击波特征参数简化计算方法，包括以下步骤：

步骤S1、如图1所示，假设装药量为W公斤TNT当量的爆炸装置1在距离建筑孔口中心外为R米的地面上爆炸，大气压力为P₀，空气密度为ρ₀，孔口3的体积为V₀，建筑物2的体积为V，从孔口3进入建筑2内的冲击波压力是均布的，冲击波特征参数包括均布压力ΔP_C，正压作用时间τ_+C，平均正冲量I_C，可确定的主定参量组为：

W，R，P₀，ρ₀，V₀，V；

冲击波特征参数作为待定参量，待定参数量组为：

ΔP_C，τ_+C，I_c；

待定参量组和主定参量组之间存在如下函数关系：

F＝f(W,R,P₀,ρ₀,V₀,V) (1)

采用LMT度量单位系统，根据π定理，在主定参量组中有以下无量纲组合：

和/>

于是公式(1)可以写成以下形式：

采用LMT度量单位系统，根据π定理，在待定参量组中有压力ΔP_C、正压作用时间τ_+C和正压冲量I_C的无量纲组合为：

和/>

令P_o＝1，ρ_o＝1，可得进入该建筑内的各爆炸冲击波参数的一般函数关系的无量纲表示式：

根据公式(3)、(4)、(5)，建筑内的爆炸冲击波参数是爆炸比例距离和改孔口结构无量纲体积的函数；

步骤S2、固定该建筑的无量纲体积V_o/V不变，改变爆炸比例距离R/W^1/3，此时，由于该建筑内冲击波参数仅与爆炸比例距离有关，公式(3)、(4)、(5)变成以下形式：

通过系列爆炸模拟试验，测量该建筑内各冲击波参数，按照公式(6)、(7)、(8)对试验数据进行综合处理，其结果如表一所示：

表一 不同爆炸比例距离结构内冲击波参数统计

根据表一的试验数据，分别作出建筑内冲击波压力、冲量和正压作用时间与爆炸比例距离的关系图，其结果如图2、图3、图4中各个点位所示，由上述关系图可知，建筑内冲击波压力、冲量和正压作用时间与爆炸比例距离的关系均符合指数函数特征，根据这一规律，分别对建筑内不同的冲击波参数进行拟合，其结果如图2、图3、图4中拟合曲线所示；

从图2、图3、图4中可以看出，拟合的曲线比较接近于实测结果，根据拟合结果可得到该建筑内的各爆炸冲击波参数随爆炸比例距离的近似计算公式：

步骤S3、固定R/W^1/3不变，改变该建筑V₀/V的大小，做系列试验，测量该建筑内各冲击波参数，取得一系列试验数据，如表二所示，

表二 不同无量纲体积GS内冲击波参数统计

将步骤S2中得到的关系式(9)、(10)、(11)代入步骤S3所获取的一系列试验数据中进行变换计算，得到如表三所示数据，

表三 不同无量纲体积GS内冲击波相关参数统计

并对表三中一系列数据进行拟合，其结果如图5、图6、图7所示，根据拟合结果得到各冲击波参数的具体计算公式如下：

步骤S4、对关系式(12)、(13)、(14)进行整理，即得不同当量爆炸装置在建筑外任意距离爆炸时从孔口结构进入建筑结构内的爆炸冲击波参数的简化计算公式：

当炸药不是正对孔口中心爆炸，而是在孔口外任意位置爆炸，设装药中心与孔口中心连线与孔口轴线的夹角为α，如图8所示，此时公式中其他参数不需变化，只需将孔口开口面积换算成在孔口轴线上的投影面积即可。由三角函数关系可知，孔口的有效孔口体积均为V₀cos²α。

公式(18)、(19)、(20)即为不同当量的爆炸装置在建筑外任意位置爆炸时，从孔口结构进入建筑结构内的爆炸冲击波参数的简化计算公式。

所述步骤S2和S3中，获取试验数据的方法为：在建筑内部不同位置分别设置传感器，分别改变爆炸比例距离和孔口结构体积，进行爆炸模拟试验，通过传感器测定不同爆炸比例距离下的建筑内部冲击波特征参数。

本发明未详述部分为现有技术。

Claims (3)

1.一种恐怖爆炸冲击波特征参数简化计算方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤S1、假设有一枚装药量为W公斤TNT当量的炸弹在距离建筑孔口中心外为R米的地面上爆炸，周围大气压力为P₀，周围空气密度为ρ₀，孔口结构的体积为V₀，建筑结构的体积为V，从孔口结构进入建筑结构内的冲击波压力是均布的，冲击波特征参数包括冲击波均布压力ΔP_C，正压作用时间τ_+C，平均正压冲量I_C，其中，可确定的主定参量组为：

W，R，P₀，ρ₀，V₀，V；

冲击波特征参数作为待定参量，待定参数量组为：

ΔP_C，τ_+C，I_c；

用F表示进入该建筑内冲击波的待定参量组，则待定参量组和主定参量组之间存在如下函数关系：

F＝f(W,R,P₀,ρ₀,V₀,V) (1)

采用LMT度量单位系统，根据π定理，在主定参量组中有以下无量纲组合：

和

于是公式(1)可以写成以下形式：

采用LMT度量单位系统，根据π定理，在待定参量组中有压力ΔP_C、正压作用时间τ_+C和正压冲量I_C的无量纲组合为：

和/>

令P_o＝1，ρ_o＝1，可得进入该建筑内的各爆炸冲击波参数的一般函数关系的无量纲表示式：

根据上述公式(3)、(4)、(5)，进入该建筑内的爆炸冲击波参数是两个无量纲变量的函数，即爆炸冲击波参数是该建筑外的无量纲距离和该建筑内的无量纲体积的函数，其中无量纲距离为炮弹爆炸点至该建筑孔口中心点的距离与炮弹装药量的立方根之比，即爆炸比例距离，无量纲体积为该建筑孔口的体积与该建筑主体的体积之比；

步骤S2、固定该建筑的无量纲体积V_o/V不变，改变爆炸比例距离R/W^1/3的大小，做系列爆炸模拟试验，测量该建筑内各冲击波参数，取得一系列试验数据，并对试验所获得一系列数据进行拟合，此时，由于该建筑内冲击波参数仅与爆炸比例距离有关，公式(3)、(4)、(5)变成以下形式：

根据拟合结果可得到该建筑内的各爆炸冲击波参数随爆炸比例距离的近似计算公式：

步骤S3、固定R/W^1/3不变，改变该建筑V_o/V的大小，做系列试验，测量该建筑内各冲击波参数，取得一系列试验数据，将步骤S2中得到的关系式(9)、(10)、(11)代入步骤S3所获取的一系列试验数据中进行计算，并对计算得到一系列数据进行拟合，根据拟合结果得到各冲击波参数的具体计算公式如下：

步骤S4、对关系式(12)、(13)、(14)进行整理，即得不同当量常规武器在建筑结构外任意距离爆炸时从任一孔口结构进入建筑结构内的爆炸冲击波参数平均值的计算公式：

当炸药不是正对孔口中心爆炸，而是在孔口外任意位置爆炸，此时设装药中心与孔口中心连线与孔口轴线的夹角为α，公式(15)、(16)、(17)中其他参数不需变化，只需将孔口开口面积换算成在孔口轴线上的投影面积即可，由三角函数关系可知，孔口的有效孔口体积均为V₀cos²α，则有：

公式(18)、(19)、(20)即为不同当量的爆炸装置在建筑外任意位置爆炸时，从孔口结构进入建筑结构内的爆炸冲击波参数的简化计算公式。

2.根据权利要求1所述的一种恐怖爆炸冲击波特征参数简化计算方法，其特征是：所述步骤S2中，获取试验数据的方法为：在建筑内部两侧侧壁上分别设置传感器，改变爆炸比例距离，进行爆炸模拟试验，通过传感器测定不同爆炸比例距离下的建筑内部冲击波特征参数，通过N组不同爆炸比例距离的试验得到一系列试验数据。

3.根据权利要求1所述的一种恐怖爆炸冲击波特征参数简化计算方法，其特征是：所述步骤S3中，获取试验数据的方法为：在建筑内部两侧侧壁上分别设置传感器，改变孔口结构体积的大小，进行爆炸模拟试验，通过传感器测定不同孔口结构体积的建筑内部冲击波特征参数，通过N组不同孔口结构体积的试验得到一系列试验数据。

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