李京伯（Kyung Bo Lee）| 李泰熙（Tae Hee Lee）| 李艺娜（Yena Lee）| 洪正旭（Jung-Wuk Hong）
韩国科学技术院土木与环境工程系，大田市裕城区Deahak-ro 291号，34141，大韩民国
摘要
地表爆炸产生的冲击波压力传播和坑洞形态受爆炸物类型、几何形状、土壤性质以及爆炸物相对于土壤的位置的影响。本研究采用多材料任意拉格朗日-欧拉（MMALE）仿真方法，探讨了接触角变化对TNT和铝增强爆药（AEBE）冲击波压力及坑洞形态的影响。通过将仿真结果与实验数据进行比较，验证了离散化的MMALE模型的准确性，并准确预测了冲击波压力和坑洞形态。数值仿真表明，接触角的变化会导致冲击波压力和坑洞形态的非线性变化。AEBE产生的峰值超压始终高于TNT，且坑洞的纵横比和体积受接触角显著影响。多项式回归模型有效描述了接触角变化带来的非线性和系统性变化。本研究建立了一种有效方法，用于评估接触角变化对TNT和AEBE的影响。
引言
爆炸物在地表爆炸时会产生向外的冲击波压力，从而形成坑洞。冲击波压力和坑洞形态受多种因素影响，包括爆炸物类型、几何形状、爆炸物相对于土壤表面的位置以及土壤性质[1]。以往的研究通过实验和数值分析加深了对冲击波压力和坑洞形态的理解。
王（Wang）[2]、[3]、[4]、[5]使用任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法模拟了TNT爆炸产生的冲击波压力传播和坑洞形态，并分别通过实验数据进行了验证。ALE技术能够详细模拟空气冲击波的传播及土壤对爆炸载荷的响应，其中土壤域采用拉格朗日网格进行建模。此外，王（Wang）[6]引入了多材料任意拉格朗日-欧拉（MMALE）方法，用于模拟地雷爆炸中C4爆炸产生的近场冲击波压力。该方法将土壤和空气域都纳入欧拉描述中，使得爆炸产物能够连续扩展到周围区域而不会导致网格变形。王等人[7]进行了数值仿真，研究了冲击波在刚性表面、混凝土表面和土壤表面的传播情况。地面表面采用拉格朗日网格建模，并量化了不同表面类型对冲击波反射和峰值超压的影响。布施（Busch）等人[8]、[9]对硝酸铵/硝甲烷在粘土土壤上的爆炸进行了实验测试和二维ALE仿真，以研究小规模空气冲击效应。测试了多种土壤本构模型，包括联邦公路管理局（FHWA）的Drucker-Prager模型、土壤和泡沫模型以及伪张量模型。通过与实验数据的比较，推荐使用简化的压力依赖强度模型（如土壤-泡沫模型或伪张量模型）来模拟小规模空气冲击。安布罗西尼（Ambrosini）等人[10]、[11]、[12]通过实验和流体动力学仿真分析了TNT重量、埋藏深度与坑洞形态之间的关系，采用了基于Drucker-Prager准则的弹塑性强度模型。他们评估了地表和地下爆炸坑洞，将数值预测结果与实验结果进行了对比。土壤-爆炸物相互作用的效果高度依赖于土壤的类型和材料性质。研究表明，土壤类型、密度和凝聚力的变化会导致冲击波压力和坑洞形态的显著差异[5]、[6]、[8]、[14]；通过使用先前研究中经过实验验证的固定材料属性的土壤模型，可以最小化这种变异性[2]、[3]、[4]、[5]、[6]，从而独立于土壤条件研究爆炸物类型和接触角的影响。
Jung（Jung）[15]和Park（Park）[16]对受近地表TNT爆炸影响的钢筋混凝土结构进行了数值仿真，分析了冲击波与结构表面的相互作用对施加压力的影响以及由此引起的板内时间依赖性损伤传播。Anas等人[17]对空气冲击载荷下的RC板进行了最新综述，强调了损伤机制和经过验证的有限元（FE）模型的作用。此外，Anas等人[18]回顾了与结构响应和保护性设计相关的空气冲击波和地面冲击波参数。Anas和Alam[19]比较了峰值超压的经验公式，而Anas等人[20]研究了RC板的低速冲击响应，进一步强调了高加速度动态加载分析在保护性设计中的重要性。还有一些研究探讨了铝增强爆药（AEBE）相对于TNT的热学和压力特性。陈（Chen）[21]通过实验比较了铝增强炸药（RDX/Al/AP和RDX/Al/B/AP）与TNT的性能，发现铝增强炸药的火球温度更高、高温持续时间更长，且根据峰值超压测量结果其TNT当量也更高。Kolev等人[22]使用反应性粘合剂和优化铝颗粒制备了热压铝增强爆药（H-TBX），并通过现场实验评估了其性能，与其他早期AEBE配方（如Tritonal、PBXN-109和AFX-757）进行了对比。Togashi等人[23]通过数值方法研究了铝增强炸药在封闭环境中的爆炸行为，采用热化学平衡方法模拟了多房间设施中的能量释放过程。
尽管有许多关于不同爆炸物形状和爆炸情景的研究，但大多数研究都假设了理想的地面接触条件，即爆炸物在土壤表面对称放置。因此，尽管接触角的变化会显著影响地表爆炸中的冲击波压力分布和坑洞形态，但其影响仍不够充分研究。此外，尽管以往的研究显著提高了对爆炸-土壤相互作用的理解，但尚未建立定量评估接触角效应的方法。因此，作为控制冲击波压力分布和坑洞形成的几何因素的接触角尚未得到充分表征。全面理解这一关系对于深入解释地表爆炸行为和提高适用于爆炸分析和保护性设计的预测模型的可靠性至关重要。本研究使用MMALE仿真方法分析了接触角变化的影响。MMALE方法能够同时评估不同接触角下的冲击波压力和坑洞形态。尽管有少数研究使用了圆柱形爆炸物[6]、[24]，但为了与用于验证MMALE模型的实验研究中主要使用的爆炸物几何形状保持一致，本研究采用了长方体形状的爆炸物。
本研究的一个关键挑战是开发一个可靠的MMALE模型，以准确描述长方体形状爆炸物与土壤之间的相互作用。通过将MMALE模型的结果与之前在土壤表面进行的爆炸实验数据相比较，验证了其准确性。还建立了无量纲回归方程，其中峰值超压比表示为归一化接触角和缩放距离的函数，而坑洞形态比则用归一化接触角表示。
此外，经过验证的MMALE模型用于评估AEBE的相对爆炸性能，AEBE以产生高温气体和长时间能量释放而闻名。在不同的接触角下，对TNT和AEBE进行了比较评估。根据仿真结果推断出的AEBE的TNT当量与其他类似爆炸物相比处于合理范围内。总体而言，本研究为评估爆炸物-土壤表面接触角的影响提供了系统的基础，并引入了一种通用方法来评估TNT和AEBE之间接触角变化的影响。
研究框架
本研究采用数值分析方法，探讨了长方体形状爆炸物与土壤表面之间接触角变化对冲击波压力和坑洞形态的影响。图1展示了爆炸后冲击波向周围空气的传播以及土壤中坑洞的同步形成过程。坑洞的深度是从原始土壤表面测量的，而坑洞的长度表示水平距离。
文献中的爆炸实验
通过将MMALE模型的仿真结果与使用长方体形状TNT进行的独立实验数据（用于测量冲击波压力和坑洞形态）进行比较，验证了该模型的准确性[2]、[3]、[4]、[5]。此外，还参考了使用圆柱形C4进行的近距离冲击波压力测量结果以进一步验证[6]。图3展示了TNT的代表性实验设置及冲击波压力和坑洞形态的结果。
MMALE模型的校准
MMALE模型的验证是通过与实验数据进行比较来完成的。校准主要关注影响坑洞形态的土壤侵蚀参数。该参数经过仔细调整，以与实验结果一致。在本研究中，土壤侵蚀采用破坏时的剪切应变（
参数研究概述
本研究使用MMALE模型评估长方体形状爆炸物与土壤表面之间接触角变化对冲击波压力和坑洞形态的影响。同时评估了TNT和AEBE的性能差异，以加深对它们各自爆炸特性的理解。选择长方体形状的爆炸物作为参数研究的参考配置，以便系统地研究接触角的影响。
结论
本研究探讨了长方体形状爆炸物与沙土之间接触角变化对TNT和AEBE的冲击波压力和坑洞形态的影响。分析同时考虑了冲击波压力传播和坑洞形成，全面了解了它们的综合效应。通过参数研究，使用经过实验验证的MMALE模型评估了接触角变化的影响。
CRediT作者贡献声明
李京伯（Kyung Bo Lee）：撰写初稿、软件开发、数据分析、概念构思。李泰熙（Tae Hee Lee）：数据可视化、验证、方法论设计。李艺娜（Yena Lee）：数据可视化、验证、方法论设计、实验研究。洪正旭（Jung-Wuk Hong）：撰写审查与编辑、项目监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。
