離散多層爆炸容器的抗爆性能和尺寸效應(yīng)*

鄧貴德,鄭津洋,陳勇軍,趙隆茂,趙永剛,馬 利

（1.浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所,浙江 杭州 310027;

2.中國特種設(shè)備檢測研究院,北京 100013;

3.太原理工大學(xué)應(yīng)用力學(xué)研究所,山西 太原 030024）

1 引 言

爆炸容器按照使用目的和設(shè)計(jì)原則可以分為重復(fù)使用和單次使用等2類,前者要求在任何情況下變形都是彈性的,后者允許在使用過程中發(fā)生一定量的塑性變形,充分利用材料性能以減小體積、減輕重量[1]。尺寸效應(yīng)[2-3]是指不同尺寸的相似結(jié)構(gòu)具有不同的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,一般隨著結(jié)構(gòu)特征尺寸的增大,結(jié)構(gòu)破壞應(yīng)力降低,強(qiáng)度和塑性變形能力減小。對于大型單次使用爆炸容器,尺寸效應(yīng)的存在會大大降低其極限承載能力。

科研人員已在爆炸容器尺寸效應(yīng)方面開展了大量的試驗(yàn)研究。V.A.Tsypkin等[4-5]對單層球形和圓柱形金屬爆炸容器的試驗(yàn)結(jié)果表明,以量綱一相對質(zhì)量ξ（ξ=W/M,W為裝藥質(zhì)量,M為容器質(zhì)量,對于圓柱形爆炸容器M一般取為2倍內(nèi)徑長度的筒體質(zhì)量）來表征爆炸容器殼體的承載能力時(shí),尺寸增大4倍導(dǎo)致ξ減小1/2,失效應(yīng)變減小為小尺寸容器的5/9～5/8。A.G.Ivanov等[6-8]的試驗(yàn)結(jié)果表明:對于金屬鋼管,ξ相同時(shí)小尺寸鋼管沒有破壞,而4倍直徑的大尺寸鋼管被破壞,且小尺寸鋼管破壞前呈現(xiàn)的變形能力明顯大于大尺寸鋼管的;對于球形爆炸容器,直徑增大10倍導(dǎo)致ξ減小為小尺寸容器的1/5,失效應(yīng)變減小為小尺寸容器的1/7;直徑尺寸增大15倍導(dǎo)致ξ減小為小尺寸容器的1/15.7。

但是,V.A.Ryzhanskii等[9]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),對于由相同直徑玻璃纖維纏繞而成的圓柱形爆炸容器,直徑增大1.5～4.4倍,ξ基本上不變化。A.G.Fedorenko等[10]的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明,直徑增大9.3倍后,ξ仍無顯著變化。V.I.Tsypkin等[11]的試驗(yàn)研究結(jié)果表明,由相同厚度鋼帶纏繞而成的圓柱形筒體也不存在明顯的尺寸效應(yīng),直徑增大10倍后,ξ只減小24.2%,失效應(yīng)變減小21.9%。以上研究結(jié)果表明,單層金屬爆炸容器存在著嚴(yán)重的尺寸效應(yīng),而玻璃纖維纏繞爆炸容器和鋼帶纏繞爆炸容器不存在顯著的尺寸效應(yīng)。

離散多層爆炸容器是1種新型結(jié)構(gòu)的爆炸容器,筒體是由薄內(nèi)筒和交錯纏繞在內(nèi)筒外的鋼帶層所組成的離散結(jié)構(gòu),內(nèi)筒厚度一般只占總厚度的1/4～1/8,具有制造經(jīng)濟(jì)簡便、材料質(zhì)量易于保證、便于現(xiàn)場制造等優(yōu)點(diǎn),在國防軍事、科學(xué)研究、爆炸加工和公共安全等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[12]。為了研究該型爆炸容器筒體的抗爆性能和尺寸效應(yīng),本文中對材料相同、幾何相似、放大因數(shù)為4的2種離散多層試驗(yàn)圓筒進(jìn)行中心爆炸加載試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)圓筒

離散多層試驗(yàn)圓筒的結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖如圖1所示,由筒體及兩端2個相同的端部法蘭構(gòu)成,筒體是由薄內(nèi)筒和纏繞鋼帶層組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。筒體內(nèi)筒與端部法蘭的直邊段焊接,鋼帶以相對內(nèi)筒環(huán)向傾角α螺旋纏繞于內(nèi)筒外,鋼帶兩端斜邊焊接于兩端端部法蘭的45°錐面,相鄰鋼帶層交錯纏繞以消除扭矩。試驗(yàn)圓筒總厚度為H,筒體總質(zhì)量為M,其中內(nèi)筒內(nèi)半徑為R,厚度為h,長徑比為2;鋼帶層纏繞層數(shù)為N,鋼帶寬20 mm,厚1.2 mm。端部法蘭外徑為內(nèi)筒內(nèi)徑的1.23倍,長度為L。端部法蘭材料為20鋼鍛件,內(nèi)筒材料為20鋼管,鋼帶材料為Q195。

圖1 離散多層試驗(yàn)圓筒結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖Fig.1 Sketch map and actual picture of the discrete multi-layered cylinders

總共設(shè)計(jì)制造了大小2種型號共9臺離散多層試驗(yàn)圓筒,其中大尺寸試驗(yàn)圓筒（L型）3只,小尺寸試驗(yàn)圓筒（S型）6只。2種試驗(yàn)圓筒材料相同、幾何相似,內(nèi)筒厚度都占總厚度的1/4.2,除所用鋼帶規(guī)格和鋼帶平均纏繞傾角保持不變外,其他關(guān)鍵尺寸的放大因數(shù)都為4,具體參數(shù)如表1所示。

表1 離散多層試驗(yàn)圓筒尺寸參數(shù)Table 1 Dimension parameters of the discrete multi-layered cylinders

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)裝藥采用壓裝TNT炸藥,裝藥形狀為等長徑比圓柱形,裝藥密度約為1.55 g/cm3。試驗(yàn)圓筒垂直立于地面,裝藥懸掛于試驗(yàn)圓筒中心,采用電雷管從裝藥端部中心位置起爆。

表2所示為6只小尺寸離散多層圓筒的爆炸加載試驗(yàn)結(jié)果,表中εpθ為離散多層試驗(yàn)圓筒爆心環(huán)面外壁面上的環(huán)向塑性應(yīng)變平均值;圖2（a）所示為試驗(yàn)后的小尺寸離散多層試驗(yàn)圓筒。小尺寸離散多層試驗(yàn)圓筒在15 g裝藥量時(shí)開始出現(xiàn)內(nèi)筒內(nèi)壁裂紋,而2次12 g裝藥量重復(fù)加載卻沒有出現(xiàn),因此小尺寸試驗(yàn)圓筒的極限承載裝藥量為12～15 g,采用相對質(zhì)量表示為0.89%＜ξS＜1.11%。

表3所示為3只大尺寸離散多層圓筒的爆炸加載試驗(yàn)結(jié)果,圖2（b）所示為試驗(yàn)后的大尺寸離散多層試驗(yàn)圓筒。試驗(yàn)圓筒L1在3次768 g裝藥重復(fù)加載作用下內(nèi)筒未見裂紋,也未發(fā)現(xiàn)鋼帶斷裂;L2在第1次960 g裝藥作用下內(nèi)筒無裂紋,也未發(fā)現(xiàn)鋼帶斷裂,但在第2次960 g相同裝藥加載下,鋼帶層第14層有2根鋼帶被拉斷;L3在960 g裝藥作用下內(nèi)筒未見裂紋,但鋼帶層第15層中1根鋼帶被拉斷。大尺寸離散多層圓筒的極限承載裝藥量為768～960 g,采用相對質(zhì)量表示為0.89%＜ξL＜1.11%,這表明尺寸放大4倍后離散多層圓筒的整體抗爆性能并沒有明顯降低。

圖2 爆炸試驗(yàn)后的離散多層圓筒Fig.2 Discrete multi-layered cylinders after explosion experiments

表2 小尺寸離散多層圓筒試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of small discrete multi-layered cylinders

4 結(jié)果分析

對于爆炸容器尺寸效應(yīng)的解釋主要有應(yīng)變率理論、統(tǒng)計(jì)理論和能量相關(guān)理論等。A.G.Ivanov[2]的研究和分析結(jié)果表明,只有能量相關(guān)理論才能解釋單層金屬爆炸容器存在的強(qiáng)烈尺寸效應(yīng),能量相關(guān)的尺寸效應(yīng)是導(dǎo)致大型單層金屬爆炸容器承載能力下降的最主要原因。該理論認(rèn)為,當(dāng)結(jié)構(gòu)中儲存的彈性能等于裂紋擴(kuò)展所需斷裂功時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。對于材料相同、幾何相似的結(jié)構(gòu),其儲存的彈性能正比于特征尺寸l3,而斷裂功正比于l2,由能量平衡可得破壞應(yīng)力σf與結(jié)構(gòu)特征尺寸l滿足σf∝l-1/2。

對于單層金屬爆炸容器,特征尺寸為容器壁厚,比例放大4倍后破壞應(yīng)力減小50%。而對于由相同尺寸的玻璃纖維或者鋼帶纏繞而成的圓柱形筒體,由于其特征尺寸——纖維直徑或鋼帶壁厚不發(fā)生變化,因此不存在顯著的尺寸效應(yīng)。離散多層爆炸容器筒體由內(nèi)筒和鋼帶層組成,鋼帶層相當(dāng)于鋼帶纏繞筒體,當(dāng)纏繞所用鋼帶厚度尺寸不發(fā)生變化時(shí),不存在強(qiáng)烈的能量相關(guān)尺寸效應(yīng);內(nèi)筒比照于單層圓柱形筒體,可能會存在尺寸效應(yīng)。但是,離散多層試驗(yàn)圓筒的內(nèi)筒厚度只占總厚度的1/4.2,鋼帶纏繞層為離散多層圓筒承載主體,由于鋼帶層極限承載能力未被能量相關(guān)尺寸效應(yīng)削弱,離散多層爆炸容器筒體整體抗爆性能未被顯著削弱,因此尺寸放大4倍后離散多層圓筒的抗爆性能沒有明顯地降低。

值得關(guān)注的是,表2和表3中裝藥相對質(zhì)量等于0.89%和1.11%時(shí),大尺寸離散多層圓筒爆心環(huán)面外壁面上的環(huán)向塑性應(yīng)變平均值都大于小尺寸圓筒的,并沒有出現(xiàn)失效應(yīng)變隨尺寸增大而減小的現(xiàn)象,可能是由于鋼帶層間間隙的影響。實(shí)際加工的離散多層圓筒鋼帶層之間存在微小的層間間隙,層間間隙的存在不會降低離散多層圓筒的極限承載能力[13],但會導(dǎo)致離散多層圓筒最外層鋼帶的徑向位移值減小。由于合理控制的層間間隙并不隨著筒體幾何尺寸的增大而增大,大尺寸離散多層圓筒最外層鋼帶徑向位移受層間間隙影響反而更小,從而使得實(shí)測所得其環(huán)向塑性應(yīng)變平均值大于小尺寸圓筒的。

5 結(jié) 論

對材料相同、幾何相似、放大因數(shù)為4的兩種離散多層圓筒進(jìn)行了中心爆炸加載試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:兩種離散多層圓筒極限承載TNT裝藥的相對質(zhì)量為0.89%～1.11%,尺寸放大4倍后離散多層圓筒的抗爆性能沒有明顯的降低。根據(jù)能量相關(guān)理論分析認(rèn)為,由于2種圓筒中鋼帶特征尺寸保持不變,作為離散多層爆炸容器筒體承載主體的鋼帶層不存在強(qiáng)烈的能量尺寸效應(yīng),從而使得離散多層爆炸容器筒體整體抗爆性能未被顯著削弱。

對衢州巨化集團(tuán)工程有限公司的葉曉茹、魏志強(qiáng)、路敏等在試驗(yàn)容器加工方面的支持;太原理工大學(xué)應(yīng)用力學(xué)研究所的梁衛(wèi)民、宋延澤、李志峰等以及江陽化工集團(tuán)科研所的張虎成、劉學(xué)柱、劉偉等在爆炸試驗(yàn)方面的協(xié)助,謹(jǐn)表感謝!

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