內部爆炸作用下鋼筒變形過程的電探針測量技術＊

秦學軍，張德志，楊 軍，史國凱，劉峻嶺，王 惠，熊 琛

（西北核技術研究所，陜西 西安710024）

對內部爆炸作用下鋼筒的變形，已有了許多研究。T.Duffy等［1］對彈塑性鋼環和長圓柱殼體的應變硬化和應變率敏感性進行了研究。N.Rushton等［2］對內部爆炸作用下壁厚9.5mm、長度800mm、外徑324mm的鋼筒進行實驗和數值模擬研究，證明相同爆炸當量的圓柱形炸藥比球形炸藥使鋼筒爆心截面處的變形量大。T.Duffy等［3］假定實驗材料為理想剛塑性體，在爆炸過程中鋼筒沿軸向沒有變形，實驗材料對應變硬化和應變率效應不敏感，對爆心截面處鋼筒的徑向位移進行了研究。鐘方平等［4］對球形和柱形裝藥爆炸作用下的多層圓柱形鋼筒的塑性變形進行了研究。鋼筒受爆炸沖擊后的徑向變形測量，對于爆炸力學參數的分析和研究具有重要的意義。

目前，測量內部爆炸作用下金屬圓筒變形主要手段有：在金屬圓筒外壁粘貼應變計對容器的動態變形進行測量［5］；實驗后直接測量金屬圓筒的變形量；利用高速相機對爆炸載荷下金屬圓筒的變形進行連續拍照［6］，進行數據處理，得到金屬圓筒的變形情況；此外，還有利用激光的多普勒效應測量爆炸容器的徑向變形［7］。應變片測量變形不大于0.02，且在測量中徑向變形參數需要進一步推導和換算；實驗后直接測量容器變形量，由于工具和人為因素對測量結果造成一定的誤差，也無法反映金屬圓筒變形與時間的關系；金屬圓筒變形高速攝影實驗需要時間和空間分辨率很高的高速相機及光源等配套設備，一般實驗室不具備實驗條件。

本文中，采用電探針測量技術結合數值模擬方法預估，對120g TNT和180g TNT當量裝藥爆炸作用下、20鋼筒（兩端開口）爆心截面處外壁環向不同位置的變形量進行分時測量，以得到爆心截面處鋼筒的變形過程。

1 電探針測量技術

1.1 數值模擬預估

運用數值模擬方法可以預估爆炸作用下鋼筒的變形，根據預估鋼筒的變形結果，可以對電探針距離鋼筒外壁的位置進行設計。利用數值模擬方法，對120g TNT和180g TNT當量裝藥爆炸作用下長度600mm、壁厚12mm、外徑124mm的20鋼筒的動力學響應進行預估。

模擬中，空氣、炸藥采用歐拉網格，鋼筒采用拉格朗日網格，鋼筒和空氣、炸藥之間采用Euler／Lagrange耦合算法，歐拉區域兩端邊界條件設為外流模式，拉格朗日區域兩端為自由邊界。

空氣采用理想氣體模型；炸藥采用JWL爆轟產物狀態方程；20鋼采用John－Cook強度模型和狀態方程。

圖1為模擬計算模型，假設在爆炸作用下爆心截面處鋼筒外壁各處的變形情況相同，取爆心截面處鋼筒外壁一個特征點進行分析。圖2為120和180g TNT當量裝藥爆炸下爆心截面處的鋼筒外壁環向應變曲線。

數值模擬得到：120g TNT當量爆炸時，爆心截面處鋼筒外壁的最大徑向變形為約4.2%，對應的半徑增量為約2.60mm；180g TNT當量時，最大徑向變形為約8.6%，半徑增量為約5.33mm。可以根據數值模擬的結果，對電探針在鋼筒外壁周向布放進行設計。

圖1 計算模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of calculation model

圖2 爆心截面處鋼筒外壁環向應變Fig.2 Ektexine’s loop deformation of cylindrical steel shell under center explosion

1.2 鋼筒變形

電探針測量內部爆炸作用下金屬圓筒變形的方法是，在爆心截面處金屬圓筒外壁周圍不同位置處利用定位環安放電探針，電探針的數量根據實驗的需要可以在定位環上進行安置。根據數值模擬估算內部爆炸作用下鋼筒的變形量，在爆心處鋼筒外的定位環上安放電探針，電探針與金屬圓筒外壁間的距離通過塞尺測量定位。球形炸藥引爆后，定位環上不同位置處的電探針與金屬圓筒接觸產生脈沖信號，獲得金屬圓筒徑向位移與電探針接觸金屬圓筒的時間，也就得到了金屬圓筒在不同時刻的變形量。

圖3為電探針測量鋼筒變形示意圖。鋼筒的外徑124mm、壁厚12mm、長度600mm。實驗前在鋼筒外對定位環位置進行固定，通過定位環利用塞尺測量各探針與鋼筒外壁間的間距，使不同位置探針與鋼筒之間的距離固定。圖4為電探針測量系統示意圖。

圖3 電探針位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the location of electric probes

圖4 電探針測量系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of electric probes measurement system

2 實驗結果及分析

在20鋼筒內部進行120g TNT和180g TNT當量的爆炸實驗。

在120g TNT和180g TNT當量的爆炸實驗中，分別設置8路探針：在爆心處設置電探針1，在定位環－18°、18°、54°、90°、126°、162°和198°等7個位置處設置電探針2～8，電探針距離鋼筒外壁面的距離l見表1～2，實驗結果如圖5所示。其中，ts為探針觸發時刻，δ為變形量。

以炸藥爆炸的時間為基準，可得到電探針2～8接觸壁面的準確時間，即得到了鋼筒在不同時刻的變形量，表1～2為120g TNT、180g TNT當量爆炸實驗電探針測量結果。

圖5 電探針測量的脈沖波形Fig.5 Waveform of electric probes measurement

表1 120g TNT當量爆炸實驗電探針測量結果Table 1 Experimental result of electric probes measurement under 120g TNT charge

通過電探針距離鋼筒壁面的距離和電探針與鋼筒的接觸時間，可以得到鋼筒外壁徑向位移與時間的關系，如圖6（a）所示。對于120g TNT和180gTNT當量的爆炸實驗，同樣距離鋼筒外壁2.0mm的電探針，180g TNT當量爆炸電探針與鋼筒接觸用時比120g TNT當量爆炸短，說明180g TNT當量爆炸時鋼筒外壁的運動速度更快。通過對實驗擬合曲線進行微分，可以估算鋼筒外壁的運動速度，見圖6（b）所示。120g TNT當量實驗鋼筒外壁的最大運動速度為約73m／s，180gTNT當量實驗鋼筒外壁的最大運動速度為約110m／s。

圖6 鋼筒外壁位移和速度Fig.6 Ektexine’s displacements and velocities

將實驗得到的鋼筒外壁位移和時間關系與數值模擬得到的結果進行比較，如圖7所示。兩者的趨勢比較一致，從炸藥開始爆炸到鋼筒變形結束，持續的時間在100μs以內。

圖7 鋼筒外壁位移的實驗結果和數值模擬結果Fig.7 Experimental and simulational results of ektexine’s displacement

實驗后對鋼筒的變形進行測量，120g TNT實驗爆心截面處鋼筒外壁的最大變形量為3.68%，鋼筒外壁的徑向位移為2.28mm；180g TNT 爆炸實驗爆心截面處鋼筒外壁的最大變形量為8.30%，鋼筒外壁的徑向位移為5.15mm。對電探針測量的爆心截面處鋼筒外壁最大徑向位移曲線求最大值，在120g TNT實驗，爆心截面處鋼筒外壁的最大徑向位移約2.33mm，與實驗后測量得到爆心截面處鋼筒最大徑向位移的相對誤差為2.2%；在180g TNT實驗，爆心截面處鋼筒外壁的最大徑向位移約5.43mm，與實驗后測量得到爆心截面處鋼筒最大徑向位移的相對誤差為5.8%。實驗后爆心處鋼筒最大變形量與電探針測量的結果比較一致，證明電探針測量鋼筒變形方法是可行的。

3 結 論

電探針測量內部爆炸作用下鋼筒變形，可以獲得不同時刻鋼筒的徑向位移隨時間的變化關系，獲得鋼筒在不同時刻的變形量。電探針測量鋼筒變形的方法具有原理簡單、測量變形范圍大、容易操作等優點，尤其適用于鋼筒的大變形測量。

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