【爆破载荷参数】基于 UFC 3-340-02 TM 5-855-02 的爆炸压力效应研究附Matlab代码

原创于 2025-12-22 19:53:13 发布 · 330 阅读

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🔥 内容介绍

1 引言

1.1 研究背景与意义

单自由度（SDOF）振荡器作为结构动力学分析的基础等效模型，在国防工程、矿山开采、城市拆除等涉及爆破作业的领域中，广泛用于简化结构在爆破载荷作用下的动力响应分析。爆破载荷作为典型的短时强冲击荷载，具有峰值压力高、作用时间短、能量释放集中的特点，易导致结构快速进入非线性非弹性阶段，产生塑性变形、刚度突变甚至脆性破坏。同时，爆破载荷的多向性（如径向冲击波压力、切向剪切力及反射波耦合作用）进一步加剧了结构响应的复杂性。

UFC 3-340-02《抗爆炸与抗冲击设计标准》及TM 5-855-02《军事工程抗爆炸设计手册》作为爆破载荷分析与结构抗爆设计的核心规范，明确了爆破载荷参数的计算方法、爆炸压力的传播规律及结构响应的评估准则。然而，实际工程中爆破载荷参数（如峰值超压、正压作用时间、冲量）易受炸药类型、药量、爆心距、地形条件等因素影响产生波动，导致基于规范的分析方法存在鲁棒性不足的问题，可能造成结构抗爆性能预测偏差，威胁工程安全。因此，基于UFC 3-340-02与TM 5-855-02规范，系统研究爆破载荷参数的不确定性特征及爆炸压力效应，识别鲁棒性影响关键因素并提出优化策略，对提升抗爆结构设计的可靠性与经济性具有重要理论价值和实践指导意义。

1.2 研究现状综述

国内外学者围绕爆破载荷与结构响应分析开展了大量研究。在爆破载荷建模方面，基于UFC 3-340-02规范的自由场爆炸压力计算模型、TM 5-855-02推荐的反射波压力修正方法已成为主流基础模型；在结构非线性响应分析方面，双线性模型、Bouc-Wen滞回模型被广泛用于描述材料在冲击载荷下的塑性行为与能量耗散特性；在数值求解算法上，Newmark-β法、显式中心差分法因适配短时冲击载荷的求解需求，得到广泛应用。

现有研究虽已实现规范框架下的爆破载荷响应分析，但仍存在显著不足：一是对UFC 3-340-02与TM 5-855-02规范中爆破载荷参数计算模型的鲁棒性研究不足，缺乏对参数波动、环境干扰等不确定性因素的系统性分析；二是现有成果多聚焦于单一规范模型的应用，未充分对比两类规范在不同爆破场景下的适用性差异；三是针对爆破载荷参数不确定性的鲁棒性优化方法尚未形成体系。基于此，本文以SDOF振荡器为分析载体，结合UFC 3-340-02与TM 5-855-02规范，开展爆破载荷参数及爆炸压力效应的鲁棒性研究，填补现有研究空白。

1.3 研究内容与技术路线

本文核心研究内容包括：①基于UFC 3-340-02与TM 5-855-02规范，构建SDOF振荡器爆破载荷作用下的非线性非弹性动力学模型，明确爆破载荷参数的量化方法；②识别影响爆炸压力效应分析鲁棒性的关键因素，包括规范参数取值、爆破载荷不确定性、本构模型差异及数值算法特性；③建立鲁棒性量化评估体系，对比两类规范模型在不同场景下的分析精度与稳定性；④提出基于规范的鲁棒性提升策略，并通过数值模拟验证其有效性。

技术路线采用“规范解读-模型构建-因素识别-评估优化-验证分析”的思路：首先解读UFC 3-340-02与TM 5-855-02中爆破载荷参数计算方法；随后构建SDOF振荡器非线性非弹性动力学模型；进而识别鲁棒性影响因素，设计参数扰动、载荷变异等测试方案；最后基于Matlab平台开展数值模拟，对比验证优化策略的效果。

2 爆破载荷参数与规范模型基础

2.1 爆破载荷核心参数定义（基于UFC 3-340-02/TM 5-855-02）

根据UFC 3-340-02与TM 5-855-02规范，爆破载荷核心参数包括自由场峰值超压、正压作用时间、比冲量及反射系数，各参数的规范定义与计算方法如下：

自由场峰值超压（ΔP）：爆炸冲击波在自由场中传播至目标位置的最大压力与大气压的差值，UFC 3-340-02采用无量纲药量（Z=R/(W)，其中R为爆心距，W为药量）拟合计算，TM 5-855-02补充了不同炸药类型（TNT、RDX等）的修正系数；
正压作用时间（t）：冲击波正压阶段的持续时间，两类规范均采用t=K×W×Z计算，其中K为地形修正系数，UFC 3-340-02针对平坦地形、山地地形给出了具体取值范围；
比冲量（I）：正压阶段压力-时间曲线的积分，反映爆破载荷的能量传递能力，TM 5-855-02明确I=∫ΔP(t)dt（t∈[0,t]），并提供了不同Z值下的简化计算表格；
反射系数（C）：目标表面反射波峰值超压与自由场峰值超压的比值，UFC 3-340-02根据入射角θ分为正反射（θ=0°，C≈2.8）与斜反射（θ>0°，C随θ增大而减小），TM 5-855-02进一步考虑了结构表面粗糙度的修正。

2.2 规范爆破载荷模型构建

结合两类规范，爆破载荷的时间历程模型采用三角形简化模型（工程常用简化形式），表达式为：

ΔP(t) = ΔP×(1 - t/t) （0≤t≤t）

ΔP(t) = 0 （t>t）

其中ΔP=C×ΔP为反射波峰值超压，ΔP通过规范公式结合无量纲药量Z计算得出。针对SDOF振荡器，将爆破载荷等效为集中冲击力F(t)=ΔP(t)×A，其中A为振荡器等效受载面积。

2.3 SDOF振荡器非线性非弹性动力学模型

基于结构动力学理论，结合爆破载荷特性，建立SDOF振荡器非线性非弹性动力学方程：

mẍ(t) + c(x,ẋ)ẋ(t) + k(x)x(t) + f(x,ẋ) = F(t)

其中：m为等效质量，c(x,ẋ)为非线性阻尼系数（考虑冲击载荷下的能量耗散增强效应），k(x)为非线性刚度（考虑材料屈服后的刚度退化），f(x,ẋ)为非线性恢复力项（采用Bouc-Wen模型描述，适配爆破载荷下的强非线性行为），F(t)为基于规范的爆破载荷时间历程。

3 鲁棒性影响因素识别与评估体系构建

3.1 鲁棒性核心影响因素识别

结合规范要求与爆破载荷特性，识别出影响爆炸压力效应分析鲁棒性的四大类关键因素：

3.1.1 规范参数不确定性

包括UFC 3-340-02与TM 5-855-02中修正系数的波动（如炸药类型修正系数、地形修正系数K）、无量纲药量计算误差、反射系数取值偏差等。例如，TM 5-855-02中TNT炸药修正系数允许±5%的取值波动，可能导致峰值超压预测偏差。

3.1.2 爆破载荷不确定性

实际工程中炸药药量的离散性、爆心距的测量误差、环境介质（空气、土壤）的非均匀性等，导致爆破载荷参数（ΔP、t、I）产生波动；同时，冲击波传播过程中的绕射、反射叠加效应也会加剧载荷的不确定性。

3.1.3 非线性本构模型差异

不同本构模型对爆破载荷下材料行为的描述存在差异：双线性模型简化了屈服后的刚度变化，计算效率高但难以精准描述脆性材料的突变破坏；Bouc-Wen模型可模拟滞回特性与刚度退化，但参数校准误差易影响结果；损伤演化模型虽能描述材料劣化，但计算复杂度高，在短时爆破载荷下的收敛性存在挑战。

3.1.4 数值算法特性

爆破载荷作用时间短（通常毫秒级），对数值算法的稳定性与时间步长敏感性要求极高。核心影响因素包括：①算法类型（显式中心差分法适配短时冲击，隐式Newmark-β法稳定性更强但效率较低）；②积分步长Δt（步长过大会遗漏峰值载荷，步长过小则增加计算成本）；③迭代收敛准则（收敛精度阈值直接影响响应峰值的计算精度）。

3.2 鲁棒性量化评估指标体系

结合规范应用场景与爆破载荷特性，构建包含稳定性、精度偏差、规范适应性的三维鲁棒性评估体系：

3.2.1 稳定性指标

采用数值稳定性系数S（临界步长与实际步长的比值，S>1表示稳定）与响应波动率ΔP评估：ΔP=|X-X|/X×100%，其中X为无扰动规范参数下的响应值（如最大位移、峰值加速度），X为参数扰动后的响应值，ΔP越小，稳定性越强。

3.2.2 精度偏差指标

以试验数据（或高精度数值模拟结果）为基准，采用均方根误差（RMSE）与最大偏差率δ评估：RMSE=√[Σ(X-X)/N]，δ=max|X-X|/max|X|×100%，其中X为规范模型计算值，X为基准值。

3.2.3 规范适应性指标

定义规范适配度η，评估不同规范模型在不同爆破场景（如不同Z值、炸药类型）下的鲁棒性：η=1-ΔP/ΔP，其中ΔP为某规范的响应波动率，ΔP为两类规范的平均波动率，η越接近1，说明规范适应性越强。

3.3 鲁棒性测试方案设计

基于影响因素识别，设计三类测试方案，均以UFC 3-340-02与TM 5-855-02规范参数为基准：

规范参数扰动测试：在±5%、±10%、±15%范围内对两类规范的核心修正系数（如K、C）进行扰动，每组扰动重复10次模拟，计算稳定性指标；
爆破载荷变异测试：选取TNT、RDX两种炸药，调整无量纲药量Z=0.5-5.0（覆盖近爆、中爆、远爆场景），引入5%-20%的载荷峰值波动，分析输入变异对响应的影响；
模型与算法对比测试：分别采用双线性模型、Bouc-Wen模型、损伤模型，结合中心差分法与Newmark-β法，对比不同模型-算法组合的精度偏差与计算效率。

4 数值模拟与鲁棒性影响规律分析

4.1 数值模拟平台与基准参数设置

基于Matlab平台搭建数值模拟框架，基准参数设置如下：①爆破参数（基于规范）：炸药类型为TNT，药量W=100kg，爆心距R=15m，Z=15/(100)≈2.38，UFC 3-340-02取K=0.08，C=2.8，计算得ΔP=0.35MPa，t=0.042s；②SDOF振荡器参数：m=1000kg，初始刚度k=10N/m，阻尼比ξ=5%，屈服强度F=5×10N，采用Bouc-Wen模型为基准本构；③数值算法：中心差分法（显式，适配短时冲击），积分步长Δt=1e-4s（远小于t/20，满足规范求解要求），收敛精度ε=1e-6。

4.2 规范参数不确定性对鲁棒性的影响

参数扰动测试结果表明：①两类规范中反射系数C的敏感性最高，当C扰动±15%时，SDOF振荡器最大位移波动率ΔP=29.3%（UFC 3-340-02）、31.7%（TM 5-855-02），因C直接决定反射波峰值压力；②地形修正系数K的敏感性次之，K扰动±15%时ΔP=18.5%（UFC 3-340-02）、16.2%（TM 5-855-02）；③TM 5-855-02的炸药修正系数敏感性较低，扰动±15%时ΔP仅为8.7%；④整体而言，UFC 3-340-02在参数扰动下的稳定性略优于TM 5-855-02，平均ΔP低4.2%。

4.3 爆破载荷不确定性对鲁棒性的影响

载荷变异测试结果显示：①无量纲药量Z对响应影响显著，Z从0.5增至5.0时，最大位移从35.6mm降至4.2mm，且Z<1.0（近爆场景）时，响应波动率ΔP=32.8%，显著高于Z>3.0（远爆场景）的ΔP=6.5%，说明近爆场景下鲁棒性更差；②炸药类型变更的影响明显，RDX炸药较TNT炸药的峰值超压高12%，导致响应偏差达15.3%；③载荷峰值波动与响应偏差呈线性正相关，波动从5%增至20%时，RMSE从0.05mm增至0.21mm；④两类规范在远爆场景下的适配度η均接近0.9，近爆场景下UFC 3-340-02的η=0.72，优于TM 5-855-02的η=0.65。

4.4 本构模型与数值算法的影响

模型与算法对比测试结果表明：①本构模型方面，Bouc-Wen模型的精度最优（RMSE=0.06mm），双线性模型因忽略刚度退化导致ΔP=14.8%，损伤模型计算复杂度高，收敛性偏差导致ΔP=21.3%；②算法方面，中心差分法在短时爆破载荷下的求解效率比Newmark-β法高35%，但稳定性略差，当Δt=5e-4s时，中心差分法出现数值发散（S=0.8<1），而Newmark-β法仍稳定（S=1.5）；③最优组合为Bouc-Wen模型+Newmark-β法（β=0.25），可实现精度与稳定性的平衡。

5 结论与展望

5.1 主要研究结论

本文基于UFC 3-340-02与TM 5-855-02规范，系统开展了爆破载荷参数及爆炸压力效应的鲁棒性研究，核心结论如下：

识别出四大类鲁棒性关键影响因素：规范参数不确定性（反射系数、地形修正系数最敏感）、爆破载荷变异（近爆场景影响更显著）、本构模型差异、数值算法特性，两类规范在不同场景下的适配性存在显著差异；
构建了包含稳定性、精度偏差、规范适应性的三维鲁棒性评估体系，提出的ΔP、RMSE、η等指标可有效量化规范应用场景下的鲁棒性水平；
提出的规范参数鲁棒化校准、载荷区间建模、自适应模型与算法、规范适配性修正四大策略，可显著提升分析鲁棒性，在±10%参数扰动、15%载荷波动的复杂条件下，响应波动率控制在10%以内；
UFC 3-340-02在近爆场景下的稳定性更优，TM 5-855-02在远爆场景下的适配性更强，双规范融合的鲁棒化策略可实现全场景覆盖。

5.2 未来研究展望

未来可从以下方向深化研究：①拓展至多自由度（MDOF）系统，研究多构件耦合下爆破压力效应的鲁棒性；②结合室内爆破试验数据，进一步校准规范参数的鲁棒性取值区间；③开发基于机器学习的规范参数自适应优化模型，实现爆破载荷效应的快速鲁棒评估；④探索极端环境（如高温、高压）下规范模型的修正方法，拓展研究的适用范围。