다양한 충전 방향에서 원통형 쉘의 폭발 하중 및 변동성

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6719(2023) 이 기사 인용

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원통형 쉘은 공공 건물 및 군사 보호 분야에서 널리 사용되며 테러 공격 및 군사 공격의 위험이 높으므로 건물 형태를 고려해야 하는 원통형 쉘의 방폭 설계를 수행하는 것이 큰 사회적 이익입니다 그리고 폭발파의 모양. 본 논문에서는 비늘이 있는 원통형 포탄의 외부지면에서 5방향의 원통형 폭약을 폭발시키고, 원통형 포탄의 폭발 하중을 측정하고 폭발파를 촬영했습니다. 시험결과와 시뮬레이션 결과를 결합하여 폭발하중의 변화를 분석한 결과, 5방향 간 끝면 폭발파의 최대 과압 차이가 거의 2배에 달했습니다. 원통형 폭약의 축 방향 폭발 하중은 2차 피크 현상을 가지며, 원통형 폭약의 축 방향과 반경 방향 사이의 폭파 하중은 특정 각도에서 급격하게 변화합니다. 실험 및 시뮬레이션 방법은 일반적인 건물의 폭발 하중 데이터베이스를 구축하기 위한 참고 자료를 제공합니다.

최근 몇 년간 우발적인 폭발과 테러 공격이 자주 발생했으며, 테러 공격 건수는 연간 10,000회 이상으로 증가했으며 그 중 절반 이상이 폭탄 테러였습니다(그림 1a). 원통형 포탄(그림 1b,c)은 군사 공격과 테러 공격의 위험이 더 큰 군사 분야 및 중요 인프라에서 널리 사용되며, 원통형 포탄의 폭발 저항을 향상시키는 것은 큰 사회적 이점이 있습니다1,2.

연구 동기. (a) 테러 공격의 전 세계적 분포3. (b) 이동식 격납고. (c) 팽창식 경기장.

건물의 폭발 방지 설계는 먼저 건물의 폭발 하중을 얻어야 합니다. 과거에는 학자들이 구형 폭약4,5 및 평판의 폭발 하중6,7에 더 많은 관심을 기울였습니다. 널리 사용되는 경험식은 Kingery 및 Bulmash8가 제안했습니다. 이는 설계 매뉴얼9 및 수치 프로그램10에도 기록되어 있지만 이러한 경험식은 근거리 폭발에서 크게 다르며, 이는 종종 폭발파의 가변성에 기인하는 것으로, 이 현상에 대한 물리적 메커니즘은 명확하게 이해되지 않습니다11,12. 그러나 경험식의 스케일링 거리 표현 방식은 기본적으로 폭발파를 구형파로 표현하고 있으며, 실제 폭탄 공격 현장의 경우 건물에 큰 위협이 되는 근거리 폭발의 폭발파는 대개 비구형파이다13, 폭약의 모양으로 인해 구형 폭약이라도 실제 테스트에서는 대칭으로 폭발하기가 어렵습니다14. 폭발파의 방향성을 무시함으로써 발생하는 하중 변동성은 명확하지 않습니다.

건물의 기하학적 형태도 폭발 하중에 중요한 영향을 미치며15,16,17,18 원통형 포탄의 폭발 하중에 대한 자세한 테스트 데이터는 없으며19 근거리 폭발의 테스트 데이터는 기존 게이지로 인해 매우 부족합니다. 화염의 큰 압력과 높은 온도를 견딜 수 없으며20 게이지 수에 의해 제한됩니다. 따라서 폭발하중 분석을 용이하게 하기 위해 고속 사진촬영 기술을 이용하여 폭발파의 복잡한 전파를 기록하였고, 수치모델의 정확성이 충분히 검증되었습니다.

본 논문에서는 폭약 형태와 폭발 구성13,21,22,23과 같은 세부 요인의 영향도 고려되었으며 폭발 하중의 대상은 테스트 데이터가 적은 원통형 쉘로 선택되었습니다24. 건물 구조의 응답 속도가 느리고 폭발파와의 결합 효과가 크지 않다는 점을 고려하여 강체 모델을 사용하여 폭발 하중을 테스트합니다. 픽셀 처리28를 통해 폭풍파를 직관적으로 보여주는 정적 이미지와 원통형 쉘에 대한 폭발 하중에 대한 자세한 테스트 데이터를 얻었습니다. 폭약 방향의 영향과 폭발 하중의 형성 과정을 테스트와 시뮬레이션을 통해 분석했습니다.