大型爆炸防護結構的動態應力測試與分析*

張小鵬,葛 飛,邢懷念,金立強

（大連理工大學工程力學系,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設備,容器能夠承受和封閉一定當量的爆炸沖擊波及爆炸產物的破壞作用,并有效保護人員、設備和環境的安全,因此被廣泛運用于工業、國防及科研領域[1-6]。在容器內實施封閉的化學爆炸時,容器內壁上沖擊波的載荷特征是進行爆炸容器結構動力響應分析、安全評估和工程設計的基礎。由于封閉爆炸條件下爆炸沖擊波的產生、傳播和對結構的作用是一個復雜的動力學過程,難以用理論方法獲得完整的解析解,因此獲得比較準確可靠的內壁載荷時間和歷程及分布情況,對研究結構動力響應意義重大。本文中采用電測實驗的方法直接獲得內壁應力的變化情況,為此類大型爆炸容器的生產和研究提供參考。

2 工程概況

為取得爆炸焊接半球阻波結構體的結構設計實驗依據,在某場地設置了1/6縮比實驗模型,模型主體為半球殼體,底部、中部和上部各有1個加強環,表面還設置了加強筋。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,材料設計強度310 MPa,彈性模量206 GPa,泊松比0.3。模型建成后對其表面進行覆土,并采用2～5 kg的各種藥量和藥形進行了爆炸沖擊實驗,同時在殼體上進行了瞬態沖擊應變測試,再對測試結果進行計算,得到各測點的應力情況。

3 實驗原理

測試儀器選用DH5922型動態信號測試分析系統,并配有專門的多功能自動數據采集與處理軟件。應變片采用直角應變花,單點溫度補償。測試數據記錄和顯示采用計算機。

在本次測量中,構件的受力形式及構件形狀是比較復雜的,在這種情況下主應力的大小和方向往往是未知的,此時需要用應變花來解決這個問題,應變花是不同方向的應變片的組合,如圖1所示。0°、45°、90°的應變片呈逆時針排列。由直角應變花可以同時測得3個方向的線應變,即ε0、ε45和ε90,因此可根據平面主應變公式計算主應變的方向和大小

圖1 直角應變花Fig.1 Rectangular flower strain

式中:ε1、ε2分別為測量平面內第1、2主應變,φ0為第1主應力與0°方向的夾角。最后可根據廣義胡克定律將主應變轉變為主應力。

4 測試點的選擇及傳感器布置

在結構應力計算分析的基礎上,針對該結構爆破過程中的應力薄弱環節,設置了4個測試點,測試點具體位置見圖2。容器外觀、半球阻波器覆土情況及覆土后爆炸實驗瞬間如圖3～5所示。本次測試采用的傳感器貼片的位置定在殼體加肋網格的中心點,應變片的布置規定如下:（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驗瞬間Fig.5 The moment of the test

5 測試結果及分析

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

（2）根據應變測試的結果可計算得出結構的最大應力及方向,各測點在不同工況下都滿足防護罩用材料的設計強度要求。實驗測試結果見表1,其中σ1、σ2分別為測量平面內第1、2主應力。

（3）比較各測點主應力變化情況可發現:隨著藥量的增加,2號和1號位置的主應力增長幅度較大,其中2號點應力增幅最大,因此相對于其他點來說2號點最為薄弱,當實際生產中需要再增加藥量時應重點關注2號位置。圖7為各測點主應力σ1的比較。

（4）圖8為5 kg炸藥不同藥形下各測點應力的比較。分析不同藥形情況下的應力變化情況可發現,隨著藥形的不同,3號和4號位置的應力變化明顯不同,由此可推斷出藥形的不同對殼體不同部位的影響是不同的,因此在實際使用中必須引進形狀系數的概念來指導生產。

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

表1 模型應力測試結果表Table 1 The result of stress test

圖7 各測點主應力的比較Fig.7 The principal stresses at different measuring points

圖8 不同藥形各測點主應力的比較Fig.8 The principal stresses for different charges

6 結 論

（1）土的堆壓可削弱球殼振動,因此可以通過增加或減少土的質量來達到消除單次爆炸引起的疲勞問題,即通過調整覆土量達到單次爆炸球殼振動經過1～2個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藥量的其中一個工況結果偏大外,其他都能滿足模型的設計強度,因此此次實驗可以為最終實體的設計提供依據。（3）隨著藥量的增加,2號位置即球殼的排氣孔附近應力增加最快,這是殼體最為薄弱的環節,應該通過增加筋板來解決這個問題。（4）同一藥量不同藥形對結構不同位置的應力影響很大。因此炸藥的形狀系數也應引入到實驗中,作為評定材料安全和指導生產的一條重要指標。

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