聚能射流对公交起火近场次生危害的分析与抑制

付艳恕， 徐 文

(南昌大学 机电工程学院， 南昌 330031)



聚能射流对公交起火近场次生危害的分析与抑制

付艳恕， 徐 文

(南昌大学 机电工程学院， 南昌 330031)

鉴于近年来接连发生数起恶性公交车起火事故，且事故具有突发性与发展快速性，提出利用聚能射流对起火后逃生通道进行开辟与扩充。然而，聚能射流触发后伴随一系列危害因素，可能给驾乘人员造成次生伤害。据此，利用ANSYS/LS-DYNA建立射流切割器数值分析模型，探索聚能装药爆轰产物超压与高温，并基于人体耐受能力评价其对驾乘人员的伤害。通过系列对比分析，获得适用于公交车起火逃生通道开辟与扩充的线型聚能射流设计参数，实现对驾乘人员近场次生灾害的抑制，以确保驾乘人员的安全，以期促进该方法在公交车起火防护中的应用。

聚能射流； 公交车救援； 逃生通道； 次生危害； 起火事故

1　引言

我国正处于社会经济飞速发展，人民生活水平日益提高阶段。城市人口剧增，私家车迅速推广，随之而来的市内人员流动速度快、强度大，导致城市交通拥堵现象普遍。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，损伤惨重。公交车起火事故有以下特点：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；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；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、孕等体能弱势人群容易被困；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。

以上特点使得公共交通虽然拥有众多优点，却难以保障驾乘人员安全，引起乘车忧虑。

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与丰富研究，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，但近年来，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捷。鉴此，提出基于线型聚能射流对公交车起火后逃生通道切割扩充研究，拟为公交车起火情况下驾乘人员逃生通道扩充建立一套科学可行的方法，从而更大限度保护驾乘人员生命、财产安全。然而聚能装药爆轰产物伴随有超压、高温属性，可能对近场乘员造成二次伤害。据此，本文尝试对伴生行为开展数值分析，探索科学合理的聚能射流设计方案，以抑制次生伤害。

2　方案设计与模拟研究

王宝兴、高强等人针对大巴车被劫持状态下，开展玻璃柔性聚能切割技术的模拟实验及噪音、冲击波超压、纸靶、动物损伤实验验证〔6〕，表明聚能切割装置能够在保证车内人员安全的条件下，实现对大巴车玻璃从外到内的定向切割开窗。援用其思路，本文将线型聚能射流切割器应用于公交车起火逃生通道开辟与扩充。不同之处是在切割对象、作用方向和爆轰产物扩散域等多个方面。针对聚能切割器运用于公交车起火逃生通道开辟的被动安全系统中伴随的次生行为开展研究，并寻求抑制次生伤害的设计方案。认真剖析公交车门、窗边框结构，了解射流切割对象特点，从而提出切割器设计要求。

2.1公交车结构特点

公交车车身结构是在骨架的基础上在车外焊一层蒙皮，车内则是填充隔音隔热的发泡材料和内饰。以某型客车为例，前后围蒙皮用的是深冲热镀锌钢板，车身侧围涨拉蒙皮用的是双面热镀锌钢板〔7〕，蒙皮厚度为1 mm。车内饰表面到蒙皮间距在不同位置有所不同，公交车侧围蒙皮与内饰间距4 cm。填充的发泡和车内饰板材所用的PVC或编织材料，这些材料相对钢板类蒙皮密度小，强度低。因而在利用聚能射流对公交车门、窗边框进行切割时，所需的装药能量相对较小。

2.2聚能射流设计

聚能射流切割器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。图1是线型聚能切割器简易三维模型。

2.3数值模型建立

根据公交车车身结构特征，提出相应的射流切割器设计要求。车身结构及聚能射流切割器布置如图2所示。

图2　切割器布置Fig.2　Distribution of the shaped charge

模型以某型客车为样车，横、竖梁结构宽度为4 cm，公交车侧围蒙皮厚度1 mm，内饰塑料板材厚度1 mm。

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，基于ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立数值分析模型。对应的本构方程，炸药采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸药燃烧模型及JWL状态方程，药型罩采用JOHNSON_COOK材料模型及GRUNEISEN状态方程，空气采用NULL无偏应力流体动力模型及GRUNEISEN状态方程，钢蒙皮采用PLASTIC _KINEMATIC随动塑性模型，材料的建模参数见表1。

表1　材料参数

注：空气的绝热指数γ=1.4，内能为2.5×10-4J/cm3；炸药爆速为3 500 m/s。

利用数值模型对聚能射流切割车门、窗边框行为开展模拟与分析。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，拟切割区域如图3所示。公交车除支撑立柱外，切割区域从底板至顶框位置，最大限度地扩充了逃生通道，且没有留根底。所示区域逃生通道的开辟与扩充为车内人员的逃生和车外人员的施救提供了最大空间。

图3　拟切割区域Fig.3　Proposed cutting area

按照设计意图，本装置可通过烟、火监测传感器控制起爆，实现公交车起火后逃生通道的瞬间开辟。该方案能改变以往公交车起火后依赖乘员的意识形成消防与逃生的方式。

图4为方框形逃生通道开辟数值分析结果。表明聚能射流能实现对公交车门、窗类双层靶板结构的切割以形成方框形逃生通道，且图中数据显示，整个动作耗时384 μs，该装置完成逃生通道时间为微秒量级。在此时间内，火情的恶化与人员的伤亡尚未得到充分发展，可为逃生与救援赢得时间，为起火状态下驾乘人员的逃生提供无障碍的通道。

图4　方框形逃生通道Fig. 4　Square shape emergency exits

利用聚能射流进行公交车起火逃生通道的开辟与扩充具有快速、高效的特点。但实际应用时，需要进一步考虑聚能装药的负面效应并采取抑制措施以避免聚能切割器动作对车内人员造成二次伤害。

3　聚能射流切割器设计

本方案旨在不改变公交车结构情况下，将切割器直接安装于车厢内即可使用。通常，公交车内乘员人数多，因而要求设计方案确保射流切割器在稳定高效开辟逃生通道的同时，能抑制聚能射流工作过程的次生伤害行为，避免车内驾乘人员受到二次伤害。

3.1切割器选材

炸药是聚能射流的能源，炸药的类别和用量直接影响射流的切割效果。基于爆轰理论可知，高爆速、大密度的炸药对射流有积极的作用。但出于保护车内人员安全的考虑，则需要爆速和密度适中，性能稳定、可靠性高的工业炸药。

炸药通过爆炸压力压垮药型罩并聚焦形成金属射流。而药型罩是影响射流切割能力的重要因素之一。药型罩的密度大、塑性好，射流运动过程中汽化少，则更加有利于射流的侵彻，一般选用紫铜、铸铁、钢或硬铝〔9〕。本设计选用紫铜作为药型罩材料。

3.2切割器结构设计

通常在线型聚能射流切割器设计中，药罩质量比(炸药质量/药型罩质量)R处于1.5 ～4之间，在此区间，炸药的利用率较高〔8〕。

根据工程需要，选用厚度0.2 mm的铜板作为药型罩，装药厚度为4 mm，此时药罩质量比R=2.6。从射流形成理论可知，最佳顶角依赖于药型罩的弯折角φ，而通常线型聚能装药药罩质量比R相对应金属罩的弯折角φ应在φ=15°～25°之间，对应的线型聚能射流药型罩的半角θ(q=2θ)有如下关系〔10〕：

(2)

H=hsin2θ/cosθ

(3)

将上述半开角及母线值代入式(3)得设计需要的炸高H为2 mm。

表2　切割器基本参数

3.3装药模拟

基于上述参数，设计出如图5所示常规开放型聚能装药模型。

图5　开放型聚能装药Fig.5　Shape charge of open type

开放型聚能装药结构简单，且在数值模拟中可以精准完成切割作业。

4　次生危害分析与抑制

4.1次生危害分析

图5所示开放型装药结构具备开辟公交车逃生通道的功能，且结构简单。当遇到严重火情时，切割器接收到点爆命令并执行，炸药爆炸将给车内驾乘人员带来新的威胁，可能造成的危害有：①爆震伤又称冲击伤，是爆炸伤害中最为严重的一种损失；②爆碎伤，爆炸物爆炸后直接作用于人体造成人体组织破裂、内脏破裂、肢体破裂、血肉横飞，失去完整形态；③爆烧伤，是烧伤和冲击伤的复合伤；④有害气体中毒，爆炸后的烟雾及有害气体会造成人体中毒。

以上所描述的四种危害中，爆震伤与爆碎伤直接由爆轰产物超压导致，而爆烧伤由爆轰产物温度过高导致。至于有害气体，可通过选取零氧平衡炸药以避免其伤害。为了考查爆轰产物超压与高温，选取距爆炸中心位置5 cm处的点作为检测点观察超压与温度的变化。常规开放型结构的超压变化如图6所示。

图6　超压变化曲线Fig.6　The change curve of overpressure

在冲击波对人体损伤的研究中，人体听觉系统对超压最为敏感，一般将鼓膜破裂作为人体损伤的最低判断标准。赫希积累的数据表明〔13〕，当冲击波超压达到34 kPa时，快速上升的冲击波对鼓膜损伤达96%,而缓慢上升的冲击波达65%左右，鼓膜破裂不仅取决于超压峰值，与超压持续时间也有关系。一般情况下，将鼓膜破裂的阈值设为34 kPa， 50%鼓膜破裂一般采用的值为103 kPa。而由图6可知，常规开放型结构在5 cm处的峰值超压已达到110 kPa，加之快速上升而来的峰值超压在此距离内对人体听觉具有危害。

冲击波对人体不同器官的影响因素有超压大小、作用时间及冲击次数。表3是喉、消化道、肺的伤害准则〔14〕。

在次生行为中除产生超压外，对爆炸周边环境还有温度场的变化，距爆源中心5 cm处的同系温度变化曲线如图7所示。

表3　超压阀值

图7　同系温度曲线Fig.7　The curve of homologous temperature

在LS-DYNA手册中的同系温度是某物质在室温下的绝对温度与该物质熔点换算成绝对温度后的比值，且有如下公式：

(4)

式中：T*为同系温度，初始设置药型罩熔点Tmelt=1 082 ℃，室温Troom=20 ℃，根据公式(4)可以计算出T。图7中同系温度最大为T*=0.042，T=64.6 ℃；同系温度T*超过0.02，T=41.2 ℃的时间是20μs。

最先接受外界热量且最敏感的人体组织是皮肤，由外而内依次为表皮层、真皮层和皮下组织三部分。根据皮肤烧伤评估，当温度超过44 ℃，仅发生在表皮层有灼痛感但能很快恢复，通常认为一度烧伤不会对人生命产生威胁。而在55 ℃时，一级烧伤持续20s之后二级和三级相继出现〔15〕。而图7表明此距离由爆炸产生的温度变化属于微秒级，仅为对人体有温度感知的反应，不构成任何伤害。

由图6、图7可知，常规开放型装药工作过程只有爆炸产生的超压对人体具有一定威胁。

4.2次生危害抑制

要降低聚能射流执行切割命令过程产生的超压，可通过优化装药结构以降低装药量，并增加非接触式金属防护罩及缓冲填充剂的方式以隔离爆压。根据射流形成理论〔16〕及爆炸点处于中心位置，设计出如图8所示约束型的聚能切割器。

图8　约束型聚能装药Fig.8　The shaped charge of constraint type

非接触约束型采用封闭式结构，较常规开放结构相比，此结构增加金属防护罩和起固定炸药作用的轻质泡沫填充剂且装药少。模拟切割效果及对应位置超压变化曲线如图9所示。

图9　超压曲线Fig.9　The overpressure curve

金属防护罩不仅可以起到削弱超压的作用，还能有效保护装药防潮防盗。图9表明非接触约束型结构峰值超压仅为0.33kPa，此距离的峰值超压对车乘人员人身安全不会构成伤害。

因此，该模型结构不仅保留了前者的射流侵彻能力，以实现逃生通道开辟与扩充的效果,且能成功抑制聚能射流次生伤害行为，从而保障驾乘人员安全逃生。

5　结论

(1)数值计算表明，聚能射流乘员近场爆炸，爆轰产物的超压是导致次生危害的主要因素。

(2)通过优化聚能射流结构，在减少装药量的同时，可保留射流切割能力，进一步添加缓冲填充剂可有效衰减爆轰产物超压，从而抑制次生危害。

(3)系统总结了聚能射流应用于公交车起火逃生通道开辟与扩充可能存在的次生危害，并探寻了抑制次生危害的参数设计，为公交车起火逃生通道开辟与扩充技术提供参考。

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Shaped charge jet analysis and control of the secondary disaster of bus caught fire

FU Yan-shu， XU Wen

(School of Mechanical & Electrical Engineering， Nanchang University， Nanchang 330031, China)

In recent years, several buses had been caught fire viciously in major cities, and all the accidents happened su-ddenly and developed rapidly. The shaped charge jet was put forward as a countermeasure for the caught fire bus to open and enlarge the escape routes. However, a series of hazardous factors might bring some secondary disaster to drivers and passengers accompanied with detonation of shaped charge jet. In order to understand the overpressure and high temperature of the detonation products, the numerical model was established to simulate the behavior of the shaped charge jet. Then the potential dangerous for drivers and passengers were evaluated based on the physical resistance of human body. Through a series of comparative analysis, the parameters of a linear shaped charge jet suitable for caught fire bus escape routes were obtained. The secondary disaster were inhabited from near-field drivers and passengers to keep them safe. It was expected to promote the application of the method in protection of the caught fire bus.

Shaped charge jet; Bus rescue; Escape route; Secondary disaster； Fire accident

1006-7051(2016)04-0033-06

2016-07-20

国家自然科学基金资助(11202093)；江西省自然科学基金(20151BAB216022)

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

TD235.4+7

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.007