異なる装薬方向における円筒砲弾の爆風荷重と変動性

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6719 (2023) この記事を引用

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円筒形砲弾は公共建築物や軍事防護分野で広く使用されており、テロ攻撃や軍事攻撃のリスクが高いため、建物の形状を考慮する必要がある円筒形砲弾の防爆設計を行うことは大きな社会的利益があります。そして爆風形状。 本論文では、鱗片状の円筒砲弾の外周地面で5方向の円筒爆薬を爆発させ、円筒砲弾の爆風荷重を測定し、爆風を撮影した。 試験結果とシミュレーション結果を組み合わせて爆風荷重の変動を解析したところ、5つの方向間での端面の爆風ピーク超過圧力の差はほぼ2倍でした。 円筒装薬の軸方向の爆風荷重には二次ピーク現象があり、円筒装薬の軸方向と径方向の間の爆風荷重は特定の角度で急激に変化します。 実験およびシミュレーションの方法は、典型的な建物の爆風荷重データベースを構築するための参考になります。

近年、誤爆やテロ攻撃が多発しており、テロ攻撃の件数は年間1万件以上に増加しており、その半数以上が爆破事件です（図1a）。 円筒形砲弾（図 1b、c）は、軍事攻撃やテロ攻撃のリスクが高い軍事分野や重要なインフラで広く使用されており、円筒形砲弾の耐爆破性を向上させることは大きな社会的利益をもたらします 1,2。

研究のモチベーション。 (a) テロ攻撃の世界的な分布3． (b) 移動式格納庫。 (c) インフレータブルスタジアム。

建物の耐爆風設計では、最初に建物の爆風荷重を取得する必要があります。これまで学者は球状装薬 4,5 と平板の爆風荷重 6,7 に注目していました。広く使用されている経験式は、Kingery と Bulmash によって提案されました 8、これらの実験式は設計マニュアル9や数値プログラム10にも書かれているが、近距離爆風ではこれらの経験式は大きく異なり、この現象の物理的メカニズムが明確に理解されていないため、爆風が変動することが原因であることが多い11,12。 しかし、経験式におけるスケール距離の表現方法は、デフォルトでは爆風を球面波として表現しており、爆弾攻撃の実際の現場では、建物に大きな脅威をもたらす近距離爆発の爆風は通常非球面である13。装薬の形状により、球形の装薬であっても実際の試験では対称的に爆発させるのは困難です14。 爆風の方向性を無視した場合に生じる荷重変動は明らかではない。

建物の幾何学的形状も爆破荷重に重要な影響を及ぼします15、16、17、18。円筒形の砲弾の爆破荷重に関する詳細な試験データはありません19。また、従来のゲージを使用しているため、近距離爆破での試験データは非常に不足しています。火炎のような大きな圧力と高温に耐えることはできず、ゲージの数によっても制限されます。 そこで、爆風荷重の解析を容易にするために、高速度撮影技術により複雑な爆風伝播を記録し、数値モデルの精度を十分に検証した。

本論文では、装薬の形状や爆轟形態などの詳細な要因の影響13,21,22,23 も考慮し、爆破荷重の対象として試験データの少ない円筒砲弾を選択した24。 建築構造物の応答速度が遅く、爆風との結合効果が大きくないことを考慮して、爆風荷重の試験には剛体モデルが使用される25,26,27。 ピクセル処理28により爆風を直感的に表現した静止画像と、円筒砲弾にかかる爆風荷重の詳細な試験データが得られた。 装薬方向の影響と爆風荷重の形成過程を試験とシミュレーションによって解析した。

装薬の質量は 110 ± 1 g (図 2a)、雷管を含む円筒形の装薬の一端が尾部、もう一方の端が頭部です。 テスト結果の信頼性を確保するために、各ケースは 2 回テストされます。 円筒形シェルは厚さ 30 mm の Q 355 (降伏強度 < 355 MPa) 鋼で作られ、同じ初期条件を確保するために厚さ 30 mm の鋼板が装薬の下に配置され、接地線が配置されます。爆発中の電磁信号をシールドするために鋼板と円筒形のシェルの間にあり、ゲージのケーブルは三角形の鋼材を覆うことで保護されています（図2b）。 合計 10 個のゲージがシェル表面に配置されています (図 2c)。

テストの手配。 (a) 装薬、雷管、円筒形砲弾の位置。 (b) ケース 2 のテスト 3。(c) 10 個のゲージの位置。

過圧履歴 (図 3a ～ o) は、ORIGIN ソフトウェア 29,30 のバターワース法 (IIR) によってローパス フィルター処理されています。ケース 2 とケース 3 の一部のゲージの負圧は、長時間にわたって大気圧に戻ることができませんでした。これは、火の玉によって引き起こされるゲージの熱過渡現象31です。 反復試験の過圧時間履歴は良好な一貫性を示し、反復試験と比較して異なる装薬方向の試験結果には、爆風の到達順序、ピーク過圧、曲線の形状などに大きな違いがありました。

過圧時の履歴。 (ac) ケース 1 (参考文献 15 から適応)。 (df) ケース 2. (gi) ケース 3. (jl) ケース 4. (m–o) ケース 5.

繰り返しのテストでの火の玉は一貫していますが、異なる電荷方向の下での火の玉は大きく異なります（図4a〜e）。 ケース 1 (図 4a) の火の玉は地面に向かって急速に広がり、中央に向かって跳ね返ります。 ケース 2 からケース 5 では、火球はまず爆風とともに起爆装置から遠ざかる円筒状装薬の軸方向に向かって急速に膨張し（図 4c）、次に起爆装置の位置で黒煙を形成し、最終的に火球の速度が低下して周囲に広がります。 火球は爆風 32 の形状を反射し、近傍の空気の状態を変化させます 33。それらは非球形であり、すべての場合において明白な指向性を持っています。

2 ミリ秒での繰り返しテストの爆発生成物。 (a) ケース 1。(b) ケース 2。(c) ケース 3。(d) ケース 4。(e) ケース 5。

爆風の静止画像（図5）は、前の画像のピクセルを減算し、輝度を上げ、コントラストを強調することによって得られ、元の写真（図4）よりも爆風がより明瞭になっています。 一次衝撃波は火球から離れた後、急速に楕円波に発展し（図5a）、端面に衝突して反射波を形成し（図5b）、最後に反射波が二次衝撃波に衝突します。衝撃波（図 5c）が高圧領域を形成して跳ね返る 15,34,35 と、2 つの波は干渉することなく元の軌道に留まるように見えます（図 5d）。

1ミリ秒、2ミリ秒、3ミリ秒、4ミリ秒の爆風。 (ad) ケース 1. (e–h) ケース 2. (il) ケース 3. (mp) ケース 4. (qt) ケース 5。

円筒形装薬が空中で爆発するか36、37、地上で爆発するかに関係なく、爆風は軸方向（図5i、j）よりも円筒形装薬の半径方向（図5e、f）に沿って速く膨張します。円筒状装薬の半径方向の面（細長比 L/D = 1.58）が構造物を通過するとき、爆風荷重は比較的大きくなります（図 3）。 ケース 4 (図 5m–p) とケース 5 (図 5q–t) の画像と比較すると、起爆装置の位置は火球よりも爆風に与える影響が小さいことがわかります。

端面に近い電荷により、端面のピーク過圧は側面のピークよりも大きくなり、円筒形シェルの端でのピーク過圧は約75％減衰します（図6a）。 実際の状況において装薬の向きが不確実な要素として考慮される場合、ゲージ 9 とゲージ 10 でのピーク過圧の変動は非常に大きく、ピーク過圧の平均と変動は両方とも爆風が伝播するにつれて徐々に減少し、ピーク過圧は側面には信号対雑音比が小さく、外れ値があります（図6b）。

爆風荷重の変動解析。 (a) ピーク過圧の分布。 (b) ピーク過圧の統計的変動。 (c) ゲージ 10 でのテストとシミュレーションの結果。 (d) ケース 3 とケース 2 の比較。 (e) 爆風下での円筒形装薬 (3.6 ミリ秒で 0.459 kg) の爆発生成物と爆風波 (参考文献 37 から適応) ）。 (f) 一次端波と二次端波。

ケース 3 (図 3g–i) の過圧時間履歴には 2 つのピークがあります。2 つのピークの出現は、火炎干渉、波の多重反射 38、39、40、エッジ除去効果、装薬形状 37、爆発などの要因に影響される可能性があります。 2 つのピーク間の間隔時間から判断すると、最も可能性の高い原因は、円筒状電荷の端波 (二次端波とも呼ばれる 36) の背後にある橋波の延長波であると考えられます。 シミュレーションはそれぞれ LS-DYNA ソフトウェア 41、42 と AUTODYN ソフトウェア 20、43 で実行されました (次のセクションで説明)。LS-DYNA のシミュレーション結果の 2 つのピークはテスト結果よりも小さく、テストとシミュレーションでは、AUTODYN で電荷が上方に 9.4 度偏向された場合に一貫した結果が得られました (図 6c)。 他のケースと比較して、ケース 3 のピーク過圧は大幅に小さく (図 6a)、最大推力も大幅に減少します (図 6d)。

ケース 4 で繰り返されたテストの結果は、ゲージ 9 とゲージ 10 の過圧が同時に減少し、他のゲージの再現性が良好であることを考慮すると、まったく異なります (図 3j)。装薬の不完全な爆発。 さらに、これは火の玉による計器の干渉によって引き起こされるべきではありません。結局、2 回の繰り返しテストでの火の玉は類似していました (図 4d)。 ケース 4 の電荷の向きは、ケース 2 とケース 3 の妥協点です。偶然にも、テスト 7 の結果はケース 3 の結果と似ており、テスト 8 の結果 (AUTODYN の結果と同様) はケース 3 の結果と似ています。したがって、ケース 2 では、テスト 7 の装薬または起爆装置に角度の偏差がある可能性があります。これは、ケース 2 とケース 3 の間の荷重の差がゆっくりとした移行ではなく、突然の変化であることも示しています (円筒形の爆風)この方向では電荷はより複雑になり、ピーク圧力は急激に変化する傾向があります44)。ケース4の電荷方向では発生します。

ケース1の火の玉（図4a）と爆風（図5a）は、地面の鏡面反射により、円筒形装薬の空中爆発（図6e）の火の玉の半分に似ています。 一次端の波と二次端の波の間には明らかな接合と層化があります（図6f）。

爆轟ガスは円筒形の砲弾の端付近で高速回転し（図7a）、再び燃焼して安定した渦輪を形成し（図7b）、端面から遠ざかっていきます。 渦リングの伝播は以前の研究の仮定と矛盾し45、46、可視化された画像はモデルのエッジでの除去効果を理解するのに役立ちます（この流れ現象はハドソン法の仮定と矛盾します47）、AUTODYNもLS-DYNAもこの複雑な流れ現象をシミュレートするのは困難です。

渦の輪。 (a) ケース 3 の渦リング。(b) 5 ms での渦リング。

耐爆風設計の関心は、爆風によって構造物が完全に破壊されないことにあります。爆風荷重の試験に剛体シェルを使用する理由は、爆風速度が構造物の応答速度よりもはるかに速く、構造物の変形が大きいためです。構造物は爆風にほとんど影響を与えません。 ゲージを取り付ける前にプレブラストが実行され、円筒形の砲弾が動かないほどの重さであることが判明しました。 テストは周囲に無線信号のない人里離れた山で実施され、円筒形シェルとバンカーは磁気クレーンによって設置され、2 台のディーゼル発電機が装置に電力を供給しました。

ハイスピードカメラは防弾ガラス越しに撮影しました（図8a）。 テスターと機器は爆発現場から 20 m 離れたバンカー内にあります (図 8b)。 ゲージは雌ねじでねじ込まれ、表面がシェル表面と面一になるように異なる厚さのスペーサーを追加しました（図 8c）。 圧電信号は、保護アングル鋼で覆われた 30 m のグラファイトシールドケーブルを介して送信され、電荷デバッガーを介して取得機器に接続されます (図 8d)。 最後に、それはコンピュータ上のマッチング動的信号処理システムによって保存および処理されます（図8d）。ゲージの感度はテスト前に校正され、処理システムに入力されます。信号のサンプリング周波数は200 kHzに設定されます（フィルタリング）元の信号を記録した後）、撮影周波数は 10,000 fps です。 フィールドテストの雰囲気条件は、温度 35 ± 7 °C、湿度 46 ± 10%、気圧 95.5 kPa48 を簡易的に記録したものである。

テスト方法。 (a) ハイスピードカメラ。 (b) ガラス窓のあるバンカー。 (c) シェルの内側と外側のゲージ。 (d) デバッガ、動的データ収集、および処理システムを充電します。

装薬と砲弾の両方をカバーするには比較的大きな空気領域が必要であり、計算効率を考慮すると 3D (三次元) モデルで細かいメッシュを使用することは困難です。 円筒状装薬の軸方向が地面に対して垂直であるため（図9a、b）、2D結果マッピングはケース1で採用できます。材料パラメータ、特定のシミュレーション方法、および検証は参考文献15にあります。

2D 結果マッピング (Ref.15 から適応)。 (a) 2D モデルとシミュレーション結果。 (b) 3D モデルのシミュレーション結果とテスト結果。

地面の反射の影響を受ける 2D 結果の再マッピングは、ケース 1 を除き、他のケースには使用できません。ケース 3 では、まず勾配グリッド法が採用されます (図 10a ～ d)。つまり、電荷の近くでは密なグリッドが使用され、より粗いグリッドが使用されます。グリッドは低圧領域で使用され、副次波の強い不連続性は AUTODYN ではシミュレートできません (図 10b)。LS-DYNA では、比較的複雑な勾配グリッドを簡単に分割でき、キーワード *INITIAL_VOLUME_FRACTION_GEOMETRY を使用してさまざまな形状の充填電荷を使用しますが、二次端波は正常にシミュレートされていますが（図10d）、円筒シェル近くの粗いグリッドにより波の層状化は曖昧で、対応するピーク過圧はテスト結果よりも小さくなります（図6c）。

グラデーショングリッドとブロックの再マッピング。 (a、b) AUTODYN での勾配グリッド モデルとシミュレーション結果。 (c、d) LS-DYNA での勾配グリッド モデルとシミュレーション結果。 (e–h) AUTODYN でのブロック再マッピング プロセスとシミュレーション結果。 (e) 初期圧力分布。 (f) 0.625 mm グリッドでのシミュレーション結果。 (g) 1.25 mm グリッドのモデルへのブロックの再マッピング。 (h) 5 回連続してブロックを再マップした後の最終モデル。

ブロックの再マッピング機能は、TNT (電荷) が充填後の空気圧に直接変換されるオイラー FCT ソルバーでのみ使用できるため (図 10e)、これは爆発プロセス、ブロックに対する爆発点の影響を自動的に無視します。 AUTODYN での再マッピングを使用すると、細かいメッシュのシミュレーション結果 (図 10f) をより大きな空気領域の 3D モデル (図 10g) に再マッピングできます。この方法は、ケース 3 の二次端波のシミュレーションに良い影響を与えます。 2 つの波の層別は明らかであり (図 10h)、過圧時間履歴の 2 つのピークはテスト結果と一致しています (図 6c)。 3D ブロック リマッピングは複雑な装薬の爆風荷重に対して高い精度を備えていますが、この方法では空気領域を常に調整する必要があるため、モデリング プロセス全体が複雑になります。

爆発波の静止画像は、ピクセル減算によってより適切に取得され、起爆装置の位置は、近接場爆風の爆発生成物に大きな影響を与えます。 異なる装薬方向における端面の爆風荷重の差はほぼ 2 倍になります。 円筒形装薬の軸方向が円筒形砲弾の方向を向いている場合、円筒形砲弾の端にかかる爆風荷重には 2 番目のピークがあり、そのピーク過圧と最大推力は 2 倍に減少します。2 番目のピークは橋によって形成される延長波です。カメラに捉えられた 2 番目の衝撃波面ではなく、終了波の背後にある波。 同時に、ケース 4 の繰り返しテストでは大きな差が見られ、特定の角度で爆風荷重が急激に変化することがわかりました。 小規模爆弾攻撃の実際のシナリオでは、スケールされた距離で考慮される装薬相当量とスタンドオフ距離に加えて、装薬の形状、爆発構成、および装薬の方向の影響をさらに考慮する必要があります。 この論文では、あらゆる装薬方向の爆風荷重をシミュレートできる詳細なシミュレーション方法を提供します。 実験およびシミュレーションの方法は、典型的な建物構造の爆風荷重のデータベースを構築するための参考資料を提供できます。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この資金は、中国国家重点研究開発プログラム、2020YFB1901403、黒竜江省青少年育成財団、JQ2020E004 によって提供されました。

教育省の構造動的挙動と制御の主要研究室、ハルビン工業大学、ハルビン、150090、中国

フェイ・イン、シュドン・ジー、フォン・ファン

工業情報化省の土木災害のスマート予防および軽減の主要研究室、ハルビン工業大学、ハルビン、150090、中国

フェイ・イン、シュドン・ジー、フォン・ファン

Norinco Group、航空弾薬研究所、ハルビン、150030、中国

ウェイ・ウーチェン＆ジェン・ディアンシュアン

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転載と許可

ying、F.、Zhi、X.、Fan、F. 他。 異なる装薬方向における円筒砲弾の爆風荷重と変動。 Sci Rep 13、6719 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-30785-8

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受信日: 2022 年 11 月 12 日

受理日: 2023 年 3 月 1 日

公開日: 2023 年 4 月 25 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30785-8

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