公交车起火逃生通道的聚能射流开辟与扩充

付艳恕 俞建魁

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公交车起火逃生通道的聚能射流开辟与扩充

    作者简介: 付艳恕(1982—), 男, 博士, 副教授, 主要从事结构冲击动力学响应研究. E-mail: yshfu@ncu.edu.cn;
  • 基金项目: 国家自然科学基金 11662010
    国家自然科学基金 11202093
    江西省自然科学基金 20151BAB216022

  • 中图分类号: O389

Exploring and Enlarging Escapeway by Shaped Chargefor Ignited Bus

  • CLC number: O389

图(8)
计量
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-12-09
  • 录用日期:  2016-02-25
  • 刊出日期:  2017-04-25

公交车起火逃生通道的聚能射流开辟与扩充

    作者简介:付艳恕(1982—), 男, 博士, 副教授, 主要从事结构冲击动力学响应研究. E-mail: yshfu@ncu.edu.cn
  • 南昌大学机电工程学院,江西南昌 330031
基金项目:  国家自然科学基金 11662010国家自然科学基金 11202093江西省自然科学基金 20151BAB216022

摘要: 基于线型聚能射流独特的切割能力,尝试将其应用于公交车起火逃生通道的开辟与扩充。利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立射流切割门、窗边框行为的数值分析模型。数值计算表明:环形聚能装药结构的圆弧段存在药型罩结构不对称性和爆轰波衍射等特征,对射流均具有消极影响;但合理的参数设计可保障射流开辟与扩充逃生通道的能力,不仅能在微秒级时间内形成逃生通道,而且可使形成的逃生通道不留根底,以利于体能弱势人群逃生。该方案可作为公交车起火安全应对策略。

English Abstract

    • 我国正处于社会经济飞速发展、人民生活水平日益提高的阶段。随着城市人口的剧增及私家车在寻常百姓家的迅速推广,城市内人员流动速度快、强度大,导致城市交通拥堵现象普遍,使得公共交通得到政府部门的广泛重视。以南昌地区为例,不仅设有常规公交,且根据流动人口集散情况,还设置了从南昌火车站到高铁西客站的快速公交、市区到辖县直达公交等;在动力品种上有燃油公交车、电动公交车及燃气公交车等。发达的公共交通系统为市民提供了节能、环保、方便、快捷的出行方式,但近期我国数个主要城市连续发生了多起恶性公交车起火案。对公交车起火事故分析得知其具有以下特点:(1)乘员多,流动频繁,彼此不熟悉,且年龄层次、身体素质各异,难以组织有序的逃生秩序;(2)起火后火势发展迅速,在秩序混乱且浓烟环境下,即使身体健壮的乘员也难以形成消防意识并实施消防行为;(3)车门、窗难以顺利打开,即使打开,在秩序混乱、烟火交加的环境下,老、弱、病、残、孕、小孩等体能弱势人群容易被困;(4)由于空间相对封闭,车外群众难以迅速实施针对驾乘人员的直接营救。以上特点造成公共交通虽然拥有众多优点,但却难以保障驾乘人员安全,这引起市民乘车忧虑,甚至一度出现恐慌。当前国内外关于汽车被动安全的研究[1-5]主要侧重于具有较高运行速度的轿车及城际旅行客车的碰撞安全,相应的乘员保护措施得到了广泛关注及大量研究,相关技术已形成零部件在汽车上得以推广。而关于公交车起火乘员安全保障的探索则几近空白,且近年来国内接连发生多起恶性公交车起火事故,使得研究并解决该问题迫在眉睫。鉴于此,本研究旨在基于线型聚能射流的超强切割能力,将其应用于公交车起火后逃生通道的开辟与扩充,针对公交车起火情况下逃生通道过窄的问题建立一套科学可行的方法,从而保护驾乘人员生命、财产安全。

    • 当前国内针对接连发生的多起公交车起火事故,尚未形成有效的应对措施。稍有改善的是部分地区公交车配置了玻璃自动爆破装置,可使车窗玻璃形成裂痕,然后依赖驾乘员用手将其推倒从而形成逃生通道。该装置对起火后扩充乘员逃生通道有一定效果,但仍有两点不足:其一是要依赖于驾乘人员的意识形成逃生通道,在烟火交加、秩序混乱的环境下形成并实施开辟逃生通道的意识必然导致耗时延长,在一定程度上减弱了逃生效果;其二是该装置仅能破拆玻璃,逃生通道离车厢底板尚有一定的高度,对老、弱、病、残、孕及小孩等体能弱势人群的逃生及车外群众施救留有障碍。

      事实表明,公交车起火后不能依赖于乘员的意识形成高效的消防与逃生。最有效的措施是扩充逃生通道,使乘员在求生本能激励下能够以最短的时间、最少的动作及最低的体能消耗接近并通过逃生通道,获得车外人员的救助。据此,本研究提出基于聚能射流切割器对起火公交车逃生通道进行开辟与扩充的方案。

    • 聚能射流切割器的原理是利用炸药爆轰驱动金属锥形壳体在对称轴附近聚合而形成向前高速运动的金属射流,以实现切割目的,其结构如图 1所示。

      图  1  聚能射流结构示意

      Figure 1.  Structure of shaped charge

      射流的切割性能由射流速度和碰撞压力决定。基于滑移爆轰驱动理论可精确地得到射流特性,如图 2所示。设金属板的速度为u,它可分解为沿板的切向速度uτ和法向速度un,即u=uτ+un。设该板与对称面的夹角为β,经过单位时间后碰撞点O移到O'处,板的前表面变为O'A'。当选取和碰撞点O一起运动的坐标系时,整个系统是定常的。

      图  2  平板碰撞产生射流

      Figure 2.  Jet formation after plates impact

    • 根据聚能射流的理论模型[6],形成的射流(向前沿u0方向)和“杵体”(相对于O点向后)如图 3所示。O点在实验室坐标系中的视速度u0

      $ {u_0} = {u_{\rm{n}}}/{\rm{sin}}\beta $

      图  3  射流和杵体

      Figure 3.  Jet and slug

      运动坐标系中来流速度为

      $ \mathit{\boldsymbol{v}} = \mathit{\boldsymbol{u}} - {\mathit{\boldsymbol{u}}_0} $

      对射流作不可压近似,利用伯努利方程得到,射流速度vj和杵体速度vs均为常数,即

      $ {v_{\rm{j}}} = {v_{\rm{s}}} = {\rm{const}} $

    • 为了评估射流对靶板的作用压力,假设射流不能穿透靶板,则根据流体动力学理论,在侵彻过程中射流的动压完全转化为静压,不考虑靶板强度及变形,由伯努利方程可知,在驻点处v=0,静压p

      $ p = \frac{1}{2}\rho {v^2} $

      式中:ρ为射流密度。代入具体数值,取v=3.0 km/s,ρ=8.0 g/cm3,由(4)式可得p为32~64 GPa。而通常钢、铝合金等汽车(以宝马车材料为例)结构的材料强度为0.4~0.5 GPa。射流侵彻靶板的作用压力远远大于靶板的强度(近100倍),可以轻松地切割公交车蒙皮,故此方法应用在公交车起火时逃生通道的开辟与扩充在理论上可行。

    • 爆轰波绕圆弧传播时,由于在拐角内径处存在衍射而导致其稳定性下降[7-9]。晏俊伟等[10]通过实验研究得出:线型聚能切割器的连接角度大于或等于45°时能满足爆轰传播的条件,但接头处未能切断钢板;而当连接角大于或等于90°时,切割器可以完全切断所要切割的部位;此外,在连接处切割器的装药及药型罩不对称、药量分布不均匀,使所形成的射流速度低,不能满足切割钢板的需要,导致切割具有不稳定性。何洋扬等[11]进一步指出:在直角接头情况下试验成功率并不是100%,具有不可靠性;而在钝角接头情况下可靠性较高。梁争峰等[12]、陈少辉等[13]在理论和实验上论证了聚能射流切割间隔靶板的可行性。本研究据此进行公交车起火后逃生通道开辟与扩充的聚能射流切割器设计。

      车门、窗边框通常由两层金属蒙皮构成,而公交车起火逃生通道必然是方框形,故切割器的侧向连接角不可能成为文献[12]所述效果较优的钝角;若用90°角连接切割器,则爆轰波的不稳定性较大。据此,我们提出利用圆角过渡连接来替代90°拐角,建立侧向圆弧拐角聚能射流切割器,如图 4所示。日本学者实现了稳定的爆轰波绕拐角传播,并建立了爆轰波绕圆弧拐角传播的严格关系[14-16]。基于公交车门窗边框空间结构及稳定性对圆弧段聚能射流切割器内、外径的要求,取内径为50.0 mm,即图 4(b)R=50.0 mm,外径为56.0 mm。另外,药型罩选用厚度为0.2 mm的铜板,取90°张开角,对应的装药高度为5 mm,所形成的装药线密度为25 g/m。

      图  4  聚能射流切割器几何模型

      Figure 4.  Geometry structure of the shaped charge

      图 4(b)可知,内、外径不等导致圆弧段装药和药型罩的对称性减弱,且爆轰波传播将发生衍射,必然影响射流运动。非对称特征可能导致射流偏离轴向[17-19]。以下数值计算对该问题给予关注,进而探求合理的参数设计。

    • 针对公交车门、窗结构,沿纵向对称进行左右两边逃生通道的开辟与扩充。如图 5所示,标注为“Ⅰ”、“Ⅱ”的白色虚线区域即为拟切割形成公交车起火逃生通道的区域。除公交车支撑立柱外,切割区域从底板至顶框位置,最大限度地扩充了逃生通道,且不留根底,便于体能弱势人群逃离,为车内人员的逃生和车外人员的施救提供了最大空间。

      图  5  公交车结构拟切割区域

      Figure 5.  Cutting regions for exploring and enlarging escapeway after bus caught fire

      在ANSYS/LS-DYNA中采用欧拉网格建模,炸药、药型罩和空气材料使用多物质ALE算法,蒙皮和药型罩、空气材料间采用耦合算法。炸药为B炸药,采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸药燃烧模型及JWL状态方程,密度为1 680 kg/m3, 爆速为8 300 m/s,爆压为29.6 GPa;药型罩材料为铜,采用JOHNSON_COOK材料模型及Grüneisen状态方程,密度为8 960 kg/m3, 屈服强度为90 MPa,杨氏模量为46 GPa;蒙皮材料为均质装甲钢(RHA),采用PLASTIC_KINEMATIC随动塑性模型,密度为7 830 kg/m3,屈服强度为792 MPa,杨氏模量为77 GPa;空气采用NULL无偏应力流体动力模型及Grüneisen状态方程,密度为1.252 kg/m3,绝热指数为1.4,内能取2.5 kJ/m3

      首先建立二维单元网格,沿线拉伸后得到如图 4(b)所示的1/4模型及三维网格,进行网格检查确定网格划分的合理性;然后创建PART,施加约束,设定分析选项,设置求解时间和时间步控制,设置输出类型和时间间隔并输出k文件。对输出的k文件利用LS-DYNA求解器进行求解。

    • 射流绕过圆弧段前、后的速度方向如图 6所示,其中图 6(a)为圆弧型聚能射流切割器起始端产生的射流,图 6(b)为爆轰波传过90°圆弧后产生的射流,清晰地展示了圆弧型聚能射流切割器因结构对称性减弱而导致射流偏离药型罩中心线的现象,即射流方向与药型罩中心线呈夹角θ。进一步计算以了解其对公交车内饰与蒙皮的切割能力。

      图  6  射流偏离轴线特性计算结果

      Figure 6.  Calculation result showing the off-axis jet

      利用LS-PREPOST对计算结果进行观察可知,炸药在A端起爆后,金属射流开始切割A端蒙皮,同时爆轰波向B端传递,并能连续地完成对第二层蒙皮的切割。将其推广到整个模型可知,此聚能射流切割器可应用在公交车上进行逃生通道的开辟与扩充,且具有稳定性高、切割彻底的特点。

      图 7(a)所示,在圆弧过渡处未出现爆轰波传递不稳定现象。虽然图 6(b)显示射流运动方向出现偏斜,但其切割能力依然得以保障,图 7(b)所示为射流对双层靶板的切割效果,明显可看出上、下两层结构均被彻底地切开,且上层结构切割后的金属飞溅物未在下层蒙皮切割缝隙处形成粘接,上、下两层结构也未发生接触。可见利用圆弧过渡连接切割器的方案能够有效地实现对公交车门窗边框的切割。

      图  7  绕圆弧拐角切割效果

      Figure 7.  Cutting performance at the arc zone

      对封闭方框进行切割分析,如图 8所示。对于间隔8 cm的两层靶板,经过384 μs后环形逃生通道就被完全切开。正常情况下人的反应时间为150 ms,即当公交车起火后,驾乘人员获得火情信息并意识到险情,做出逃生响应的时间约为150 ms。据此表明,我们提出的利用聚能射流开辟与扩充逃生通道方案在动作时间上是可行的,即切割器在对逃生通道进行切割时,不会对驾乘人员的逃生产生阻碍,导致时间拖延。

      图  8  切割环形方框形成逃生通道

      Figure 8.  Exploring escapeway by the circle shaped charge

      本装置可通过烟火监测传感器采集火情火警信号,由中央控制器处理烟火传感器信号后触发聚能射流切割器,实现公交车起火后微秒级时间内逃生通道的开辟与扩充,可改变当前公交车起火后依赖于乘员意识形成消防与开辟逃生通道的方式。与此同时,所形成的逃生通道可实现不留根底,便于老、弱、病、残、孕、小孩等体能弱势人群的逃生,也利于车外群众实施救援,改善了当前仅针对玻璃的逃生通道开辟不彻底的问题。

      以上研究表明,利用聚能射流进行公交车起火逃生通道的开辟与扩充在时间上及通道实现上皆是有效的。但实际应用时,需要进一步考虑聚能装药的负面效应,规避射流溅射对车外人员的威胁,抑制炸药爆轰产物压力、温度及噪声等对车内驾乘人员的影响;并要考虑到公交车运行与环境杂散电流对含能材料的影响,选择性能指标满足设计要求且具有高生存能力的含能材料;另外,还需加强聚能装药用于公交车的安全管理。本课题组将对以上问题开展后续研究,以使聚能装药的负面效应得到控制,避免聚能切割器动作对车内外人员造成二次伤害。

    • 针对公交车起火事故可能造成重大危害及当前应对措施不足的问题,基于聚能射流优异的切割能力,根据逃生通道必须具有的方框形特征,考虑门、窗方框形结构及射流切割稳定性,设计了一种适用于公交车起火逃生通道开辟与扩充的侧向圆弧拐角线型聚能射流切割器。开展公交车起火逃生通道开辟与扩充的数值模拟研究,得到以下结论:

      (1) 该切割器在克服圆弧拐角段影响后可实现方框形逃生通道的切割,为起火状态下驾乘人员的逃生提供无障碍的通道;

      (2) 聚能射流切割器能够在极短时间内完成公交车起火逃生通道的开辟与扩充,整个动作时间为微秒级,在这短时间内,火情和人员伤亡尚未充分扩展,可为逃生与救援赢得宝贵时间。

参考文献 (19)

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