1、文章编号:1009-6094(2023)07-2334-06爆炸冲击作用下储油罐毁伤特性的数值模拟*徐文龙1，杨艺2，高明2，毛光辉3，王成3(1 山东大学高等技术研究院，济南 250061;2 北京航空工程技术研究中心，北京 100076;3 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081)摘要:大型储油罐是石油库的主要设备，研究其在爆炸载荷下的动态破坏特性意义重大。为获得拱顶油罐结构在爆炸冲击作用下的毁伤机制，采用 ANSYS/LS DYNA 建立了柴油拱顶油罐的有限元数值模型，开展了不同炸药量和储油量下拱顶油罐结构的爆炸冲击破坏过程的数值模拟研究。结果表明:储罐内部爆炸后会
2、出现两个薄弱区域，分别出现在罐壁与拱顶的环向交接处和柴油液面的分界处;储罐爆炸冲击波的分布几乎不受 TNT 当量变化的影响，但爆炸超压随着 TNT 炸药质量的增加而显著增强;储罐内部的油料液体可以减弱爆炸冲击载荷对罐体结构的破坏效应。研究可为既有罐区安全功能改进和新罐区建设提供理论支撑。关键词:安全工程;柴油;爆炸冲击;拱顶油罐;数值模拟;毁伤中图分类号:X932文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2022.0240*收稿日期:2022 02 24作者简介:徐文龙，副研究员，博士，从事爆炸力学研究，xuwenlong sdu edu cn;王成(通信作者)
3、，教授，博士，博导，从事爆炸力学研究，wangcheng bit edu cn。基金项 目:国 家 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目(11732003，U20A2071)0引言大型储油罐是存储和提供油料的重要设备，具有重要的战略地位和社会价值，是恐怖袭击和战时打击破坏的重点目标，一旦遭到破坏不但会造成大量的人员伤亡和财产损失，而且严重威胁社会安全。1983 年，Baker 等1 建立了 Baker-Strehlow 分析方法与经验公式，对石油化学工业出现的爆炸事故最先进行了系统研究，并对爆炸冲击波的传播特性及破坏作用进行了研究。Clutter 等2 4 采用计算流体动力学与爆炸分析理论，
4、建立了可燃蒸气云爆炸的状态方 程，并 编 制 了 相 应 的 数 值 模 拟 分 析 软 件CEBAM，为可燃气云爆炸的数值模拟研究奠定了理论基础。20 世纪 70 年代以后，国内在圆柱壳结构抵抗冲击破坏方面的研究取得了一定进展。茹重庆等5 和王仁等6 在研究结构承受冲击荷载作用稳定性的基础上系统总结出结构抵抗冲击的动态塑性本构关系，为圆柱壳在冲击荷载作用下的塑性动力屈曲问题建立了理论基础。2001 年，喻健良等7 首先对预混气体在圆形管道内的爆炸过程进行了试验研究，介绍了最大超压在时间和空间上的变化规律，并对 爆 燃 转 爆 轰 过 程(DetonationDeflagrationTrans
5、ition，DDT)进行了初步研究。高建丰等8 综合考虑试验研究和数值模拟的方法，研究了油气混合油罐的爆炸，分析了爆炸冲击波的特性。路胜卓等9 10 采用理论分析、缩比模型爆炸模拟试验与数值模拟结合的方法，研究了浮顶储罐结构和拱顶储油罐在外部混合气体爆炸冲击作用下的动力响应和失效破坏机理。2018 年，胡陈11 首先考虑燃油、空气、炸药和罐体的流固耦合作用，分析了外部爆炸冲击作用下的罐体动力响应机理，深入探讨了多工况下的爆炸超压演变机理和罐体应力应变的发展规律。芦烨等12 分别采用 TNT 当量法和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法对空罐条件
6、下油罐内可燃气体爆炸流场进行了数值模拟研究，揭示了储罐内部的动态压力变化和罐壁压力分布规律。综上所述，当前储罐爆炸研究多集中于空罐条件下外部爆炸冲击作用机理和内部可燃气体爆炸机理，对于储油条件下采用流固耦合效应的内部爆炸冲击储罐结构的动态响应机理研究还十分有限。因此，本文采用非线性有限元软件 ANSYS/LS DYNA建立 37.04 m3拱顶储罐的数值模型，研究在内部爆炸冲击作用下，不同储油量和炸药量情形下储罐结构的动态响应和失效破坏过程。1有限元数值模型1.1数值模型储罐有限元模型如图1 所示，罐高355 cm，油罐半径为 191.67 cm，壁厚 0.2 cm，拱顶高度为 41.37cm
7、，油罐公称容积为 37.04 m3。炸药位于储油罐的中心。模型分为储罐结构单元、炸药单元、空气单元和柴油单元 4 部分，见图 1。模型采用显式动力有限元软件 ANSYS/LS DYNA 进行分析计算，其中炸药、柴油和空气采用Euler 网格建模并使用多物质 ALE 算法，并且采用关键字*CONSTAINED_LAGANGE_IN_SOLID 来4332第 23 卷第 7 期2023 年 7 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 7Jul，2023控制三者的流固耦合作用，储罐壳体采用 Lagrange网格建模，采用六面体单元
8、形式进行规整网格划分，使用关键字*CONTOL_ALE 定义空气模型的外界压力为标准大气压，参数 PEF 设为 1 104GPa。同时，使用关键字*SET_PAT_LIST 对涉及的流体和固体进行分组，采用关键字*ALE _ MULTI _MATEIAL_GOUP 依次控制对应分组的 ALE 多物质组。1.2材料模型与参数储罐结构使用 SHELL 163 薄壳单元建立，该模型以 Cowper 和 Symonds 提出的公式13 来表示材料的应变率和屈服应力的关系。y=1+()c1Pk(e+effp)n(1)式中y为屈服应力;为应变率;c、P 为 Cowper-Symonds 应变率参数;e为弹
9、性应变;effp为有效塑性应变;k 为强度系数;n 为硬化系数。储罐结构材料选用 Q235A 钢，其具体参数详见表 1。TNT 炸药采用高能炸药引爆燃烧材料模型，用Jones-Wilkins-Lee(JWL)状态方程描述爆轰过程压力和内能及相对体积的关系，状态方程14 为p=A 1 1()Ve1V+B 1 2()Ve2V+VE(2)式中p 是压力，V、E 分别为相对体积和内能，A、B、1、2、为 JWL 状态方程参数，见表 2。图 1拱顶储罐有限元模型Fig 1Finite element model of vaulted storage tank表 1Q235A 钢的参数Table 1Par
10、ameters of Q235A steel密度/(kgm3)弹性模量/(Nm2)泊松比屈服强度/MPa失效应变7.85 1032.06 10110.32350.2空气使用 SOLID 164 实体单元建立，采用理想气体材料模型，其状态方程为p=C0+C1+C22+C33+(C4+C5+C62)E(3)式中p 为压力;E 为单位体积初始内能;C0 C6为常数;为空气体积变化参数，=0 1，0为最初的空气密度，为自定义的空气密度。空气的材料模型具体系数见表 3。柴油使用 SOLID 164 实体单元建立，应用空材料模型(Null)，用 Gruneisen 状态方程进行控制。该状态方程应用撞击速度
11、 粒子速度来定义压缩或膨胀材料的压力。压缩状态(0)为p=0C2 1+1 0()2 a221 (S1 1)S221+S33(1+)22+(0+a)E(4)膨胀状态(0)为p=C2+(0+a)E(5)式中0为 Gruncisn 常数;a 为 0和 =0 1 的一阶体积修正值;0为柴油的密度;为自定义的柴油密度;E 为单位体积初始内能;C 为未扰动环境下的声速;S1 S3为常数。式(4)和(5)能延伸成多项式形式。压缩状态(0)为p=a1+a22+a33+(b0+b1+b22)0e(6)膨胀状态(0)为p=a1+(b0+b1)0e(7)式中a1、a2、a3、b0、b1和 b2是常数，由 Grune
12、isen 状态方程转换而来。通过对各常数赋值，对式(6)和表 2TNT 炸药模型参数Table 2TNT explosive model parametersA/GPaB/GPa12E/(Jm3)V3733.234.15 0.950.37.0 1091.0表 3空气的材料参数Table 3Material parameters of air0/(kgm3)E/PaC0C1C2C3C4C5C61.2932.5 10500000.40.4 053322023 年 7 月徐文龙，等:爆炸冲击作用下储油罐毁伤特性的数值模拟Jul，2023(7)求解。其中，a1=2.19 1015，a2=9.224 1
13、011，a3=8.767 1011，b0=0.4934，b1=1.3937，b2=0。柴油单位体积初始内能 E=1.92 105Pa，密度 0=850 kg/m3，黏滞系数 =0.96 103Pas，单位质量初始内能 e=3.3 107J/kg。1.3炸药当量计算可燃气云爆炸以冲击波的形式从爆心向四周迅速扩散。爆炸峰值超压随着扩散传播距离的增大不断衰减。为了预估峰值超压和动量，依据 Baker等1 的研究得知，可以应用式(8)将泄漏扩散发生燃烧爆炸的可燃气云的质量转变成相同爆炸能量的TNT 等效质量。单位体积柴油云雾的 TNT 当量为WTNT=abWfQfQTNT(8)式中WTNT为单位体积柴
14、油云雾的 TNT 等效质量;ab为自由当量系数，参照相关研究，可燃气云爆炸的取值范围一般为 0.01 0.05，一般取 ab=0.04;Wf为单位体积蒸气云雾中柴油的质量，标准状态下取 0.08 kg/m3;Qf为柴油的燃烧热，为 4.2 104kJ/kg;QTNT是 TNT 炸药的爆炸热，为 4.5 103kJ/kg。由式(8)计算得 WTNT=0.03 kg/m3。Wc=WTNT+We(9)式中Wc是计算中的 TNT 炸药质量，We是计算中施加的 TNT 炸药质量。2数值模拟结果分析2.1储油罐结构毁伤特性分析针对钢材料的塑性屈服，实际情况下常用表明钢材料弹性形变比能的 von Mises
15、 屈服准则。为了更清楚地观察罐壁进入塑性阶段的动态响应，模拟计算出 18.52 kg TNT、储油量为 40%情况下的不同时刻储罐结构的 von Mises 应力云图，见图 2。从图2 可以得知，在 t=0.75 ms 时，空气冲击波传播至储罐四周。这是因为爆炸后生成的空气冲击波以球状向外扩散，首先传播到拱顶，然后再传播到储罐的罐壁。由于 TNT 炸药的位置上方无其他物质阻挡，理论上拱顶区域会存在较大的应力，拱顶的塑性变形也比较大，也能得知在拱顶与罐壁的环向连接区域有清晰的应力集中现象，因而会出现皱褶状较大的塑性变形，是内部爆炸的薄弱区域。从图 2 可以得知，罐内发生爆炸后出现了两个薄弱区域:
16、第一个薄弱区域存在于拱顶与罐壁的环向交接处，这是因为罐壁至拱顶发生突变，致使交界面上的应力分布发生变化，具有显著的应力集中现象，从而使得储罐产生失效破坏;第二个薄弱区域存在于柴油液面与罐内上部空气的交界处，这是因为TNT 炸药产生的爆炸冲击波作用在柴油液体上，致使罐壁承受来自液体的巨大挤压力，同时，拱顶的竖向塑性变形会对罐壁产生向上的竖向拉应力，钢材料在竖向拉应力的作用下，瞬间遭受横向的压应力作用，根据强度破坏准则可知，钢材极易失效毁坏。2.2TNT 炸药质量对储油罐结构毁伤特性的影响分别取 4.63 kg、9.26 kg、18.52 kg 的 TNT 炸药质量和储油量为 40%进行数值模拟，分析其结构压力云图，见图 3。从图 3 可以得知，储罐结构在受到爆炸冲击载荷作用后，破坏位置大致相近，均是在拱顶与罐壁环向交接处和柴油液面与罐内上部空气的交界处发生变形和破化，因此储罐结构内部的爆炸冲击波的分布几乎不受 TNT 炸药质量变化的影响，即拱顶与罐壁环向连接处和储罐破坏处的爆炸超压最大，其次是拱顶与罐底中心的周边位置的爆炸超压，其他区域的爆炸超压最小。此外，还可以得知，尽管分布规律所受影
