模擬深水環境爆炸容器動力響應實驗研究

鐘冬望，李琳娜

（武漢科技大學理學院，武漢430065）

1 前言

隨著爆破技術的發展，水下爆破被越來越廣泛地用于航道疏通、水工建筑物基坑開挖、水下爆破夯實和對石油工程深海開采后廢棄物的爆破拆除等工程。炸藥在水下爆炸時，隨著周圍介質和環境的不同，尤其是在深水環境下隨著炸藥的入水深度變化，其輸出能量及爆破效果也不同。

爆炸容器是一種可承載內部爆炸載荷的特殊壓力容器[1～3]。利用爆炸容器進行爆炸實驗具有實驗儀器便于安放、實驗數據便于采集、實驗外部條件便于控制、實驗樣品便于回收、實驗對周圍環境的影響便于消除等優點。為了對水下爆破技術進行深入研究，可在爆炸容器中填充水介質，并在爆炸容器最大承載壓力范圍內，通過改變外加氣壓，模擬不同深水環境下的爆炸實驗。由于水相對于空氣具有可壓縮性小、對爆炸沖擊波能量傳遞效率高等特點，水中沖擊波的衰減比空氣中的慢，作用在容器壁面的沖擊載荷峰值高、作用時間短，因此空氣介質爆炸容器的設計理論不能直接用于水介質爆炸容器的設計。

為了進一步深化對模擬深水環境爆炸容器力學規律的認識，提高其工程設計水平，有必要對其進行動力響應測試，分析爆炸瞬態載荷下的動態應變[4，5]。因此，本文對模擬深水環境爆炸容器進行了實驗研究，實驗容器的設計當量為10 g TNT，最大加載壓力為2MPa，可模擬水深200m。研究方法是采用爆轟加載的方式，監測容器外表面6個測點的應變波形，分析容器殼體在不同強度載荷及不同壓力狀態下的振動特性和動力學強度。

2 模擬深水環境爆炸容器動力響應實驗研究

2.1 實驗對象

圓柱形深水爆炸容器總體結構如圖1所示，設備為兩端標準橢圓封頭、中部圓柱直段的臥式容器結構，總體尺寸為3 500mm×2 500mm×2 500mm（長×寬×高），內部有效實驗空間為?2 000 mm×3 000mm（含橢圓封頭部分），有效厚度為30mm。容器殼體選用16MnR鋼，其楊氏模量E=2.1×105MPa，泊松比ν=0.30，常溫下（20℃）的屈服強度σs=325MPa，抗拉強度σb=490MPa。各接口法蘭及其他承載部件選用16Mn鍛件和16Mn鋼管，蓋板和防護門用16MnR鋼板切割后加工。

圖1 容器結構簡圖Fig.1 Sketch of chamber structure

2.2 測試系統及實驗方法

對容器分別進行不加載靜壓時，5 g TNT當量爆炸載荷和10 g TNT當量爆炸載荷，以及加載2 MPa靜壓時，5 g TNT當量爆炸載荷和10 g TNT當量爆炸載荷，共4種工況下的水下爆炸實驗，實驗中設6個應變測點，分別位于橢圓封頭頂端（1#、2#）、中環面（3#、4#）和橢圓封頭過渡段（5#、6#）。傳感器位置示意圖見圖2。應變片采用中航電測儀器股份有限公司BA120-1AA(11)型，電阻值為 (120.1±0.1)Ω，靈敏系數為2.14%±1%。應變測量橋路盒采用江蘇聯能YE29003A。應變放大器采用江蘇聯能YE3818C型，靈敏系數k=2.00，頻響為直流斬波器(DC)～100 kHz-3 dB±1 dB。應變標定為±10～9 990με。

圖2 應變傳感器位置示意圖Fig.2 Sketch of strain sensor location

2.3 測試結果及分析

2.3.1 殼體動力響應的總體特征

4次爆轟加載實驗，共獲得6個測點的共24條動態應變波形曲線，如圖3所示。從圖3中可看出：a.各種工況下，都是容器中環面處的動態應變最先達到峰值；b.普遍存在應變增長現象（即最大應變不是在振動的第一個周期內出現，而是在稍晚時刻），但總體趨勢是遞減的；c.在所有的應變波形中，未觀察到明顯的“拍動”現象，即兩種振動頻率間的互相調制；d.絕大部分應變波形在振動基本結束后沒有回復到0，均有不同程度的直流偏量，偏量存在正負，這種正負偏量反映的是該測點受拉或受壓的應變狀態。

圖3 不同工況下的動態應變波形Fig.3 Dynamic strain curves on different working conditions

2.3.2 載荷強度及加載靜壓對容器動態應變峰值的影響

表1中列出了4種不同工況下6個測點的動態應變峰值。從表1中可看出：a.當加載靜壓相同時，隨爆炸載荷當量增加，容器封頭處和中環面處的應變峰值都隨之提高；b.在相同爆炸載荷當量下，加載靜壓對容器封頭處和中環面處的動態應變峰值影響規律不明顯，但總應變（即動態應變與加載靜壓在容器壁上產生的靜態應變之和）峰值隨加載靜壓的增大而增大；c.橢圓封頭過渡段處，由于其所處位置較特殊，其應變隨加載靜壓和爆炸載荷當量的變化呈現一定的隨機性；d.容器殼體表面各位置測得的最大總應變峰值為876με，遠低于Q345鋼板屈服極限時的應變1 625με，說明容器處于彈性變形范圍內。

表1 各測點的動態應變峰值（με）Table1 The peak strainsofmeasuring points（με）

為了避免各測點的隨機因素對測量結果的影響，分別用1#和2#測點的平均應變及3#和4#測點的平均應變作為容器中環面處和封頭頂端的動態應變，圖4繪出了容器中環面處和封頭頂端處的動態應變。

圖4 不同加載靜壓和爆炸載荷時的動態應變對比（單位：με）Fig.4 The contrast of dynamic strain between different static pressures and exp losive loads(unit：με)

可以進一步驗證容器的動態應變主要是隨爆炸載荷當量的增加而增加，加載靜壓大小對容器動態應變影響不明顯；而且還可以看出容器封頭頂端的應變基本與中環面處的應變相當，說明由于橢圓封頭的匯聚作用，在容器設計過程中應選擇合適的長徑比。

2.3.3 容器實測應變的頻譜分析

通過對5 g TNT當量爆炸載荷和10 g TNT當量爆炸載荷分別在不加壓和加載2MPa靜壓下，容器在距爆心最近的中環面和最遠點封頭頂端的實測應變波形進行頻譜分析，可以得到應變的頻譜特性。發現該容器主要表現為以下幾種頻率的振動：91 Hz、183 Hz、267 Hz、282 Hz、297 Hz、366 Hz和381Hz等。其中，183Hz、267Hz、282 Hz和366Hz出現的概率較高。圖5給出了加載2MPa靜壓下，10 g TNT當量爆炸載荷的應變波形和頻譜。當爆炸載荷較小時，頻率分布比較分散；當爆炸載荷增大時，峰值頻率個數減少，并且向主頻靠攏。說明較大的沖擊載荷對某些頻率具有掩蓋作用。還可以看出當加載靜壓增加時，相同的沖擊載荷所激發出的峰值頻率也隨之增大。而封頭處的激發峰值頻率比中環面處的更加集中。

圖5 典型應變波形和頻譜Fig.5 Typical strain curves and frequency spectrum

3 結語

1）模擬深水環境爆炸容器中環面處的動態應變最先達到峰值，各測點普遍存在應變增長現象，但總體趨勢遞減。絕大部分應變波形在振動基本結束后均有不同程度的直流偏量。

2）模擬深水環境爆炸容器封頭頂端的動態應變大于中環面處的應變，說明容器封頭對爆炸沖擊波具有較強的匯聚作用，設計時要重點考慮封頭處；容器在同等加載靜壓下，隨爆炸載荷增加，容器封頭頂端和中環面的應變均增大；在同等當量爆炸載荷下，加載靜壓大小對容器封頭頂端和中環面處的動態應變的影響沒有明顯規律，但總應變增大。

3）模擬深水環境爆炸容器內爆炸沖擊載荷具有明顯的脈沖激勵特征，其頻譜分布在相當范圍帶寬內，而且低頻分量遠大于高頻分量；當加載靜壓增加時，相同沖擊載荷所激發出的峰值頻率也增大。

[1] Baker W E.The elastic-plastic response of thin spherical shells to internal blast loading[J].Journal of Applied Mechanics，1960，27（1）：139-144．

[2] 趙士達.爆炸容器[J].爆炸與沖擊，1989，9（1）：85-96．

[3] 朱文輝，薛鴻陸，韓鈞萬，等.爆炸容器動力學研究進展評述[J].力學進展，1996，26（1）：68-77．

[4] 胡八一，劉倉理，谷巖，等.真實爆炸容器水壓應變測試及分析[J].爆炸與沖擊，2003，23(3)：279-282.

[5] 陳石勇，胡八一，谷巖，等.球形爆炸容器動力響應的實驗研究[J].兵工學報，2010，31（4）：504-509.