大型爆炸防護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試與分析*

張小鵬,葛 飛,邢懷念,金立強(qiáng)

（大連理工大學(xué)工程力學(xué)系,遼寧大連 116024）

1 引 言

爆炸容器是控制能量瞬間釋放的一種防護(hù)設(shè)備,容器能夠承受和封閉一定當(dāng)量的爆炸沖擊波及爆炸產(chǎn)物的破壞作用,并有效保護(hù)人員、設(shè)備和環(huán)境的安全,因此被廣泛運(yùn)用于工業(yè)、國防及科研領(lǐng)域[1-6]。在容器內(nèi)實(shí)施封閉的化學(xué)爆炸時(shí),容器內(nèi)壁上沖擊波的載荷特征是進(jìn)行爆炸容器結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析、安全評(píng)估和工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。由于封閉爆炸條件下爆炸沖擊波的產(chǎn)生、傳播和對(duì)結(jié)構(gòu)的作用是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程,難以用理論方法獲得完整的解析解,因此獲得比較準(zhǔn)確可靠的內(nèi)壁載荷時(shí)間和歷程及分布情況,對(duì)研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)意義重大。本文中采用電測(cè)實(shí)驗(yàn)的方法直接獲得內(nèi)壁應(yīng)力的變化情況,為此類大型爆炸容器的生產(chǎn)和研究提供參考。

2 工程概況

為取得爆炸焊接半球阻波結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)依據(jù),在某場(chǎng)地設(shè)置了1/6縮比實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?模型主體為半球殼體,底部、中部和上部各有1個(gè)加強(qiáng)環(huán),表面還設(shè)置了加強(qiáng)筋。殼體直徑6 m,鋼板厚6 mm,筋板厚6 mm、高50 mm,上口直徑1.33 m,材料均為6 mm的16MnR鋼材,材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度310 MPa,彈性模量206 GPa,泊松比0.3。模型建成后對(duì)其表面進(jìn)行覆土,并采用2～5 kg的各種藥量和藥形進(jìn)行了爆炸沖擊實(shí)驗(yàn),同時(shí)在殼體上進(jìn)行了瞬態(tài)沖擊應(yīng)變測(cè)試,再對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算,得到各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力情況。

3 實(shí)驗(yàn)原理

測(cè)試儀器選用DH5922型動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng),并配有專門的多功能自動(dòng)數(shù)據(jù)采集與處理軟件。應(yīng)變片采用直角應(yīng)變花,單點(diǎn)溫度補(bǔ)償。測(cè)試數(shù)據(jù)記錄和顯示采用計(jì)算機(jī)。

在本次測(cè)量中,構(gòu)件的受力形式及構(gòu)件形狀是比較復(fù)雜的,在這種情況下主應(yīng)力的大小和方向往往是未知的,此時(shí)需要用應(yīng)變花來解決這個(gè)問題,應(yīng)變花是不同方向的應(yīng)變片的組合,如圖1所示。0°、45°、90°的應(yīng)變片呈逆時(shí)針排列。由直角應(yīng)變花可以同時(shí)測(cè)得3個(gè)方向的線應(yīng)變,即ε0、ε45和ε90,因此可根據(jù)平面主應(yīng)變公式計(jì)算主應(yīng)變的方向和大小

圖1 直角應(yīng)變花Fig.1 Rectangular flower strain

式中:ε1、ε2分別為測(cè)量平面內(nèi)第1、2主應(yīng)變,φ0為第1主應(yīng)力與0°方向的夾角。最后可根據(jù)廣義胡克定律將主應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲬?yīng)力。

4 測(cè)試點(diǎn)的選擇及傳感器布置

在結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算分析的基礎(chǔ)上,針對(duì)該結(jié)構(gòu)爆破過程中的應(yīng)力薄弱環(huán)節(jié),設(shè)置了4個(gè)測(cè)試點(diǎn),測(cè)試點(diǎn)具體位置見圖2。容器外觀、半球阻波器覆土情況及覆土后爆炸實(shí)驗(yàn)瞬間如圖3～5所示。本次測(cè)試采用的傳感器貼片的位置定在殼體加肋網(wǎng)格的中心點(diǎn),應(yīng)變片的布置規(guī)定如下:（1）0°片方向平行于水平地面方向;（2）90°片方向垂直于水平地面方向;（3）0°片、45°片 、90°片為逆時(shí)針方向排列 。

圖3 容器外觀Fig.3 Explosion-containment vessel

圖4 半球阻波器覆土Fig.4 The vessel with soil

圖5 半球阻波器覆土后爆炸實(shí)驗(yàn)瞬間Fig.5 The moment of the test

5 測(cè)試結(jié)果及分析

（1）經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn),分析各工況的動(dòng)應(yīng)力波形圖得出:應(yīng)力波形為典型的爆炸應(yīng)力波形,球殼表面在爆炸沖擊作用下的沖擊應(yīng)力峰值除第1次最大外,之后基本以拉壓應(yīng)力狀態(tài)來回振動(dòng),而且振動(dòng)應(yīng)力在經(jīng)過1～2個(gè)來回后立刻減小到100 MPa以下,圖6是 5 kg藥量（藥形3）、4號(hào)位置的第1主應(yīng)力圖,比較具有典型代表性。

（2）根據(jù)應(yīng)變測(cè)試的結(jié)果可計(jì)算得出結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力及方向,各測(cè)點(diǎn)在不同工況下都滿足防護(hù)罩用材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表1,其中σ1、σ2分別為測(cè)量平面內(nèi)第1、2主應(yīng)力。

（3）比較各測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力變化情況可發(fā)現(xiàn):隨著藥量的增加,2號(hào)和1號(hào)位置的主應(yīng)力增長(zhǎng)幅度較大,其中2號(hào)點(diǎn)應(yīng)力增幅最大,因此相對(duì)于其他點(diǎn)來說2號(hào)點(diǎn)最為薄弱,當(dāng)實(shí)際生產(chǎn)中需要再增加藥量時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注2號(hào)位置。圖7為各測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力σ1的比較。

（4）圖8為5 kg炸藥不同藥形下各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的比較。分析不同藥形情況下的應(yīng)力變化情況可發(fā)現(xiàn),隨著藥形的不同,3號(hào)和4號(hào)位置的應(yīng)力變化明顯不同,由此可推斷出藥形的不同對(duì)殼體不同部位的影響是不同的,因此在實(shí)際使用中必須引進(jìn)形狀系數(shù)的概念來指導(dǎo)生產(chǎn)。

圖 6 5 kg藥量（藥形3）、4號(hào)位置第1主應(yīng)力波形圖Fig.6 The first principal stresses of 5 kg explosive

表1 模型應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表Table 1 The result of stress test

圖7 各測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力的比較Fig.7 The principal stresses at different measuring points

圖8 不同藥形各測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力的比較Fig.8 The principal stresses for different charges

6 結(jié) 論

（1）土的堆壓可削弱球殼振動(dòng),因此可以通過增加或減少土的質(zhì)量來達(dá)到消除單次爆炸引起的疲勞問題,即通過調(diào)整覆土量達(dá)到單次爆炸球殼振動(dòng)經(jīng)過1～2個(gè)來回后立即減小到材料的疲勞極限以下,這樣就可以忽略單次爆炸引起的球殼的振動(dòng)疲勞問題,只需考慮多次爆炸引起的疲勞。（2）本次各工況中,除5 kg藥量的其中一個(gè)工況結(jié)果偏大外,其他都能滿足模型的設(shè)計(jì)強(qiáng)度,因此此次實(shí)驗(yàn)可以為最終實(shí)體的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。（3）隨著藥量的增加,2號(hào)位置即球殼的排氣孔附近應(yīng)力增加最快,這是殼體最為薄弱的環(huán)節(jié),應(yīng)該通過增加筋板來解決這個(gè)問題。（4）同一藥量不同藥形對(duì)結(jié)構(gòu)不同位置的應(yīng)力影響很大。因此炸藥的形狀系數(shù)也應(yīng)引入到實(shí)驗(yàn)中,作為評(píng)定材料安全和指導(dǎo)生產(chǎn)的一條重要指標(biāo)。

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