Application of Numerical Simulation in Port Safety Evaluation
顾国强① GU Guo-qiang；黄文栋② HUANG Wen-dong；杨伟明② YANG Wei-ming；
孙华文③ SUN Hua-wen；彭修乾③ PENG Xiu-qian
（①天津港（集团）有限公司，天津 300450；②天津津港汇安科技有限公司，天津 300450；③国家超级计算天津中心，天津 300450）
（①Tianjin Port （Group） Co.，Ltd.，Tianjin 300450，China；②Tianjin Jingang Hui'an Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300450，China；
③National Supercomputer Center in Tianjin，Tianjin 300450，China）
摘要：本文利用数值模拟手段对油罐车爆炸引起的储油罐破裂隐患进行研究，通过有限元软件LS-DYNA，采用目前比较通用的炸药模型参数和计算方法，对空气中TNT爆炸冲击波传播进行了数值模拟，分析典型场景的爆炸影响范围和油罐车集中停放数量限值，为油罐车停车场的布置和停放提供可量化的建议，提高了油罐车停车场的设计科学性。研究表明在实际行车布置中应重点避免超过十倍特别是二十倍以上单体油罐车的集中爆炸，控制车辆的行驶间距，减少多辆隐患车同时存在一个区域的可能性，并尽量避免具有重大爆炸隐患的车辆停放在储油罐临近位置。
Abstract: This paper uses numerical simulation to study the hidden danger of oil tank rupture caused by oil tanker explosion. Through the finite element software LS-DYNA, the current common explosive model parameters and calculation methods are used to carry out TNT explosion shock wave propagation in air. The numerical simulation is carried out to analyze the explosion impact range of typical scenes and the limit number of tank trucks parked, which provides quantifiable suggestions for the layout and parking of tanker parking lots, and improves the scientific design of tanker parking lot. Studies have shown that in the actual driving arrangement, it is important to avoid more than ten times, especially more than twenty times, of concentrated explosion of single tanker trucks, control the driving distance of vehicles, reduce the possibility of multiple vehicles in one area at the same time, and try to avoid Vehicles with major explosion hazards are parked in close proximity to the storage tank.
关键词：爆炸；仿真分析；数值模拟
Key words: explosion；simulation analysis；numerical simulation
中图分类号：O643.2+21 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）25-0285-04
0 引言
由于爆炸破坏本身的特点，一旦引发爆炸将会造成人员和物体的重大伤害。国内外对于爆炸造成的人员伤害、工程破坏和安全防护方面都进行了相关的探索[1]。
在人员伤害方面，主要是两个方面：一方面，统计分析爆炸事故中的人员伤亡数据；另一方面，利用动物实验来等效确定人员伤害。大致研究方向为人员伤害的冲击波压强阈值和人员安全距离分级[3]等方面。
在结构破坏方面，一方面利用爆炸实验进行有限数据的测试，另一方面，针对爆炸实验条件控制复杂、影响参数众多等缺点，通过理论分析、有限元、光滑粒子等计算方法来分析爆炸对工程结构的影响。
我国在爆炸对人员伤害和工程结构影响方面，主要以人防结构为研究对象，分析遭受武器打击时的人员伤害和结构安全抗爆能力，但少有普通民用建筑方面的研究，因此进行民用建筑内的人员安全和结构防爆性能分析具有重大的意义。近年来随着爆炸事故的增多和安全生产意识的增强，国内相关机构增加了此方面的技术研究投入，但是距离实际应用仍用不足。
目前的不足主要是以下方面：一是分析过于简化，当量较小，参数变量较少，无法准确分析复杂因素下的爆炸影响；另一方面，受限于分析计算处理设备，大范围的数值模拟工具无法应用，因而无法开展城市或者大区域级别的爆炸分析。
本文通过理论经验和数值模拟相结合的手段，针对油罐车爆炸对既有储油罐体的影响距离进行分析，为油罐车行车路径和停车位置的爆炸影响进行量化分析，以期能够减小油罐车爆炸对周边目标物的影响。
1 港口安全问题研究
港口的安全问题一直是港口企业管理的重要的内容，随着安全形势日益严峻，有必要在原来人工经验管理的基础上采用更加科学的手段量化分析各种危险源的影响，为科学决策提供参考。
本文利用数值模拟手段对油罐车爆炸引起的储油罐破裂隐患进行研究，分析典型场景的爆炸影响范围和油罐车集中停放数量限值，为油罐车停车场的布置和停放位置提供可量化的建议。
主要的分析工况有：
①单辆槽车不同位置爆炸影响范围确定，计算停车场区域内1、2、3、4四个点位的“单体”爆炸影响范围。
②同一爆炸点多辆槽车影响范围计算，计算停车场区域5点位，分别具有十、二十、三十个“单体”的爆炸影响范围。
③监测点达到相同破坏时不同爆炸点的槽车数量计算，假设爆炸影响到6点位（见附件1），测算1、2、3、4、5点位（见附件1）分别需要的单体数量。
2 数值计算模型
目前爆炸方面的理论分析，涉及众多学科，因而只能针对一些简单爆炸工况或简化后的复杂工况获得解析解。
LS-DYNA作为重要的有限元程序，可以处理各种复杂的近场远场爆炸计算工况，处理冲击波反射、透射和应力波传播等问题。
2.1 超压影响阈值
爆炸冲击波是爆炸中最主要的破坏形式，衡量冲击波杀伤力的参数有峰值超压、冲量和动压等。在试验测试基础上，统计得到的人体和建筑的爆炸伤害破坏超压值范围。
2.2 理论公式
理论分析作为爆炸影响分析研究方法的一种，主要针对于规则结构计算物体相应和破坏效果，后续工况计算本文采用经典的Henych空中爆炸冲击波经验公式与数值模拟手段进行模型验证，公式具体形式为：
■
（1）
2.3 计算模型
根据停车场和相关结构实际尺寸以及分析目的，充分考虑爆炸涉及的爆炸点、门卫室及储油罐等结构，采用壳体和梁来模拟混凝土墙体、柱子、门和窗户等构件等结构，不同部件相交区域采用共节点方式连接，采用欧拉网格与停车场、门卫室、楼房等结构网格通过流固耦合的处理方式耦合，进行爆炸压力波对结构的效应分析。
本次计算模型空气域采用400*400*400m的规模，炸药当量体积约为14.3m3，采用六面体单元对块体部件进行网格划分，采用梁单元对梁柱结构进行网格划分，采用壳单元对薄壁结构进行网格划分，并进行网格稳定和敏感性测试，最终选择0.5m作为炸药和空气单元网格基本尺寸，划分的模型网格数量为147.8万，节点数量151.6万。
2.4 载荷和边界设置
2.4.1 载荷的处理
爆炸载荷通过将换算的当量体积单元转换成TNT材料属性，并将爆炸点设置在TNT单元的中心处。
2.4.2 约束的处理
爆炸计算模型的约束主要有以下五个方面：
①空气域边界设置无反射边界；②建筑结构柱子底部设置约束；③炸药单元与空气单元共节点；④空气与结构单元交界处设置耦合；⑤楼房结构的楼板和柱子对应节点进行节点合并。
2.5 材料参数
其中炸药TNT和玻璃采用的材料参数如表4和表5所示。
3 计算结果和分析
利用大型通用有限元软件LS-DYNA，模拟包括TNT炸药起爆、爆轰波传播、冲击波与物体相互作用及结构相应等过程。
3.1 单个油罐车爆炸范围计算
本工况为单个车体当量TNT爆炸影响范围计算，影响范围分为对人和对车辆建筑两个大方向，图4给出了单个储油罐当量超压峰值随距离的变化。
根据2.1节以及相关文献[2][4]，人员伤害的死亡半径、重伤半径和轻伤半径对应的超压冲击波数值接近但不完全相同，本文为方便计算初步采用爆炸冲击波死亡半径超压90kPa、重伤超压44kPa、轻伤超压17kPa来进行影响范围计算。通过对图4中距离和超压的关系插值，得到上述三个影响半径值，如表6所示。
对物体影响方面，表7列举不同破坏程度对应的超压范围值，为方便计算对比，取影响范围下限值进行影响半径的计算，根据爆炸点距离储油罐的距离，点位①和③没有影响，但是②和④的破坏范围会覆盖储油罐。
3.2 不同数量油罐车影响
表8和表9给出了⑤点位不同数量油罐车爆炸产生的冲击波超压峰值，根据停车场和周围建筑物的空间关系，单体油罐车爆炸主要造成二层楼房、停车场爆炸侧车辆和此区域内容人员伤亡；十倍单体油罐车爆炸主要造成南北门卫室以东停车场区域内车辆破坏、近停车场一侧的储油罐毁坏和此区域内人员死亡；二十倍单体油罐车爆炸主要造成过半停车场内车辆破坏和人员死亡、所有储油罐破坏；三十倍单体油罐车爆炸主要造成绝大部分停车场内车辆破坏和人员死亡、所有储油罐毁坏。
根据上述计算结果，应重点避免超过十倍特别是二十倍以上单体油罐车的集中爆炸，实际行车中需控制车辆的行驶间距，减少多辆车同时存在一个区域的可能性。
3.3 储油罐破坏所需爆炸车辆
表10给出了引起储油罐破裂所需的不同点位爆炸车辆数量，①点位距离储油罐268m，需要4个单体罐车同时爆炸才能引起储油罐破坏；②与④点位距离储油罐距离分别为99m和53m，处于单体罐车破坏范围之内；③号点位距离最近储油罐230m，需要2个单体罐车同时爆炸才能引起储油罐破坏；⑤号点位距离储油罐256m，需要3个单体罐车同时爆炸才能引起储油罐破坏。
根据上述结果，实际停放过程中尽量避免具有相应数量的重大爆炸隐患车辆停放在储油罐临近位置。
4 结束语
综上所述，在实际行车布置中应重点避免超过十倍特别是二十倍以上单体油罐车的集中爆炸，控制车辆的行驶间距，减少多辆隐患车同时存在一个区域的可能性，并尽量避免具有重大爆炸隐患的车辆停放在储油罐临近位置。
本文利用数值模拟手段对油罐车爆炸引起的储油罐破裂隐患进行研究，通过有限元软件LS-DYNA并采用目前比较通用的炸药模型参数和计算方法，对空气中TNT爆炸冲击波传播进行了数值模拟，分析典型场景的爆炸影响范围和油罐车集中停放数量限值，为油罐车停车场的布置和停放提供可量化的建议，提高了油罐车停车场的设计科学性。
参考文献：
[1]亨利奇.爆炸动力学及其应用[M].熊建国，译. 北京：科学出版社，1987.
[2]孙艳馥.爆炸冲击波对人体损伤和防护分析[J].火炸药学报，31（4）.
[3]李铮.空气冲击波作用下的安全距离[J].爆炸与冲击，10（2）.
[4]王文和.天然气管道泄漏火球事故后果模拟评价[J].中国安全生产科学技术，8（1）.
[5]叶晓华.军事爆破工程[M].北京：解放军出版社，1999，8.
[6]韦灼彬.钢筋混凝土桩基梁板码头爆炸毁伤及抢修技术研究[D].天津：天津大学，2005，6.
[7]章冠人.凝聚炸药起爆动力学[M].北京：国防工业出版社， 1991. |
