剖分環(huán)式爆炸容器孔門抗爆炸沖擊載荷能力分析

鞏成， 湯鐵鋼， 宜晨虹， 田立智

（中國工程物理研究院流體物理研究所，四川綿陽 621900）

0 引言

爆炸容器產(chǎn)生于1945年美國的曼哈頓計(jì)劃中[1]，其能屏蔽和隔離爆炸沖擊波，限制爆轟產(chǎn)物和破片的作用范圍，有效保護(hù)人員、設(shè)備和環(huán)境的安全，被廣泛地應(yīng)用于國防、工業(yè)、科研和公共安全等領(lǐng)域[2]。

在理論研究方面，W.E.Baker、A.F.Demchuk等[3-4]諸多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，在應(yīng)變?cè)鲩L、尺度效應(yīng)、壽命評(píng)估等方面取得了一系列進(jìn)展。在工程設(shè)計(jì)上，根據(jù)趙士達(dá)、胡八一等[5-6]的研究，對(duì)于重復(fù)使用型單層金屬爆炸容器的主體工程設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校驗(yàn)已具備相對(duì)成熟的方法，并經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn)[7-12]。但爆炸容器孔門結(jié)構(gòu)依舊是其最易破壞、屈服的位置[13]，且當(dāng)前并無詳細(xì)理論解析。

關(guān)于孔門結(jié)構(gòu)，J.Pastrnak[14]介紹了一款美國復(fù)合材料爆炸容器且詳細(xì)給出了孔門結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝及密封方式。Kevin E.Carbiener[15]給出了俄羅斯柱形、球形爆炸容器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，包括孔門的自緊設(shè)計(jì)等。國內(nèi)學(xué)者鄭津洋[16]對(duì)壓力容器孔門結(jié)構(gòu)作了詳細(xì)的歸納總結(jié)，包括鉸鏈?zhǔn)?、齒嚙式孔門等。

圖1 鉸鏈?zhǔn)娇组T和齒嚙式孔門［16］

目前廣泛應(yīng)用的鉸鏈?zhǔn)?、齒嚙式爆炸容器孔門（如圖1），安全性、可靠性均得到充分驗(yàn)證。然而在大型爆炸容器方面，鉸鏈?zhǔn)奖ㄈ萜骺组T存在門體厚重等問題，其鉸鏈結(jié)構(gòu)在頻繁開合條件下，長期使用容易導(dǎo)致門體下沉，造成開關(guān)門不易、密封效果欠佳等問題。齒嚙式孔門雖然不存在鉸鏈?zhǔn)娇组T門體下沉的問題，但其特有的旋轉(zhuǎn)開閉方式，造成密封困難，容易出現(xiàn)泄漏等，且齒嚙式孔門的齒嚙部位相對(duì)脆弱[17]，當(dāng)加大爆炸當(dāng)量時(shí)，其齒嚙部位容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，造成屈服破壞，存在危險(xiǎn)因素。故改進(jìn)傳統(tǒng)爆炸容器快開式孔門成為尚待解決的問題。

為解決傳統(tǒng)爆炸容器孔門的問題，嘗試將剖分環(huán)式孔門應(yīng)用于爆炸容器。它主要由四個(gè)剖分環(huán)及相應(yīng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、門蓋組成，關(guān)閉孔門時(shí)由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)剖分環(huán)旋轉(zhuǎn)收起，然后將門蓋整體置于孔門處的環(huán)槽上，再旋轉(zhuǎn)剖分環(huán)撐開，卡入環(huán)槽，達(dá)到鎖緊孔門的作用。

圖2 剖分環(huán)式孔門[18]

剖分環(huán)式孔門是被普遍看好的快開式孔門，在化工、食品、航空、紡織、醫(yī)療等行業(yè)的快開應(yīng)用中[19]，其開閉快速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封可靠性高、質(zhì)量相對(duì)較輕，具有諸多優(yōu)點(diǎn)。但在大型爆炸容器方面，剖分環(huán)式孔門并未得到廣泛應(yīng)用，其安全性、穩(wěn)定可靠性、抗爆炸沖擊能力有待進(jìn)一步驗(yàn)證。為驗(yàn)證剖分環(huán)式孔門在大型爆炸容器方面應(yīng)用的可行性，現(xiàn)將其與傳統(tǒng)鉸鏈?zhǔn)健X嚙式孔門作數(shù)值模擬對(duì)比分析，以評(píng)估其抗爆炸沖擊能力的優(yōu)劣。

1 剖分環(huán)式孔門與傳統(tǒng)孔門動(dòng)力學(xué)加載對(duì)比分析

1.1 模型的建立

剖分環(huán)式孔門主要由容器主體、卡箍、剖分環(huán)、門蓋組成，卡箍固結(jié)于容器主體上。由于在強(qiáng)沖擊瞬時(shí)載荷的動(dòng)力學(xué)分析環(huán)境下，接觸分析容易造成不收斂，故將剖分環(huán)、門蓋、卡箍作綁定處理，由于作用時(shí)間極短，其分析結(jié)果不受影響。鉸鏈?zhǔn)娇组T主要由容器主體和門蓋組成。在爆炸沖擊載荷下，鉸鏈旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)不受力，故模型建立可以忽略，只保留門蓋及容器主體。齒嚙式孔門主要由容器主體、卡箍、門蓋組成，卡箍固結(jié)于容器主體上，齒接觸同樣近似處理為綁定。

容器主體均以25 kgTNT當(dāng)量爆炸容器設(shè)計(jì)為例，內(nèi)半徑取1.9 m，且保證三種孔門通道大小一致，整體孔門厚度相當(dāng)。選取容器底部一點(diǎn)作為固定約束，容器底部應(yīng)力分析結(jié)果可忽略。在計(jì)算中單元均定義為六面體單元，并盡量劃分為標(biāo)準(zhǔn)形狀。

容器主體材料選用16MnR鋼，彈性模量為209 GPa，泊松比為0.28，屈服強(qiáng)度為340 MPa。容器孔門材料選用20MnMo鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.28，屈服強(qiáng)度為380 MPa。

圖3 孔門計(jì)算模型

沖擊載荷加載數(shù)據(jù)以25 kgTNT當(dāng)量炸藥于容器中心爆炸，在容器1.9 m半徑位置的沖擊載荷數(shù)值模擬結(jié)果[20]為參考，并作適當(dāng)簡(jiǎn)化處理，得到?jīng)_擊載荷曲線如圖4所示，最大峰值載荷為18.4 MPa。

圖4 簡(jiǎn)化處理后的25 kg TNT當(dāng)量炸藥在1.9 m處的沖擊載荷曲線

1.2 結(jié)果分析

強(qiáng)度判斷使用Mises屈服準(zhǔn)則。Mises屈服準(zhǔn)則遵循第四強(qiáng)度理論，既考慮了體積改變所積蓄的能量，又考慮了形狀改變所積蓄的能量，因此適用于金屬的強(qiáng)度判斷，本例主要以Mises等效應(yīng)力為對(duì)比條件。Mises屈服條件的表述如下：

圖5 容器內(nèi)壁靠近孔門位置（圖3中的A點(diǎn)）應(yīng)力-時(shí)間圖

三種孔門的容器內(nèi)壁靠近孔門位置（圖3中的A點(diǎn)）、門蓋中心內(nèi)側(cè)（圖3中的B點(diǎn)）、孔門卡箍（圖3中的C點(diǎn)）、門齒（圖3中的D點(diǎn)）等位置的Mises等效應(yīng)力對(duì)比如圖5所示。

在容器內(nèi)壁靠近孔門位置（圖3中的A點(diǎn)），三種孔門的Mises等效應(yīng)力略有差異，剖分環(huán)式孔門Mises等效應(yīng)力峰值為309.7 MPa，跳動(dòng)幅度偏大，齒嚙式孔門Mises等效應(yīng)力峰值為249.3 MPa，鉸鏈?zhǔn)娇组TMises等效應(yīng)力峰值為243.7 MPa，三種孔門門體均處于安全范圍內(nèi)。

圖6 門蓋內(nèi)側(cè)中心位置（圖3中的B點(diǎn)）應(yīng)力-時(shí)間圖

在門蓋中心內(nèi)側(cè)（圖3中的B點(diǎn)），齒嚙式孔門的Mises等效應(yīng)力峰值為371 MPa，高于鉸鏈?zhǔn)降姆逯祽?yīng)力282.3 MPa和剖分環(huán)式的峰值應(yīng)力171.4 MPa，且齒嚙式孔門應(yīng)力衰減較快。三種門體整體處于安全范圍內(nèi)。

在孔門卡箍部位（圖3中的C點(diǎn)），剖分環(huán)式孔門Mises等效應(yīng)力峰值為378.7 MPa，顯著高于齒嚙式孔門的峰值應(yīng)力218.7 MPa和鉸鏈?zhǔn)娇组T的峰值應(yīng)力162.8 MPa，且剖分環(huán)式孔門出現(xiàn)塑性應(yīng)變（圖7）。分析是由于剖分環(huán)存在尖銳外形，其卡箍?jī)?nèi)側(cè)和剖分環(huán)接觸位置出現(xiàn)了此塑性應(yīng)變，門體卡箍處于不安全狀態(tài)。而齒嚙式、鉸鏈?zhǔn)娇组T卡箍部位應(yīng)力峰值較小，無塑性變形。

圖7 卡箍?jī)?nèi)側(cè)（圖3中的C點(diǎn)）應(yīng)力-時(shí)間圖

在門齒部位（圖3中的D點(diǎn)），剖分環(huán)式孔門環(huán)結(jié)構(gòu)的Mises等效應(yīng)力峰值為379.984 MPa，遠(yuǎn)高于齒嚙式孔門的峰值應(yīng)力143 MPa、鉸鏈?zhǔn)娇组T的峰值應(yīng)力219.9 MPa。從塑性應(yīng)變-時(shí)間圖（圖9）可以看出，其四個(gè)剖分環(huán)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)部分隨時(shí)間增加出現(xiàn)較大塑性變形，門體整體處于較危險(xiǎn)狀態(tài)。而齒嚙式、鉸鏈?zhǔn)娇组T均處于安全狀態(tài)，無塑性變形。

主要原因分析：1）在此算例結(jié)構(gòu)中，三種孔門通道大小一致，那么剖分環(huán)式孔門外直徑略大于其余兩種孔門，而為了保證孔門整體厚度一致，剖分環(huán)式孔門由于多了一層環(huán)結(jié)構(gòu)，則其蓋、環(huán)的厚度略小于其余兩種孔門，厚度降低意味著整體結(jié)構(gòu)的抗爆炸沖擊性能下降；2）剖分環(huán)式孔門的接觸面過多，在受沖擊載荷時(shí)應(yīng)力分布不均衡；3）為保證剖分環(huán)孔門開合，環(huán)與卡箍、環(huán)與蓋接觸面約為環(huán)上下表面積的一半，接觸面面積太小；4）剖分環(huán)的固有結(jié)構(gòu)特性（如剖分環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)部位多，環(huán)上下表面存在較多銳邊等）進(jìn)一步加劇了應(yīng)力集中，在大型爆炸容器的強(qiáng)爆炸沖擊載荷作用下，容易出現(xiàn)材料塑性變形。

圖8 門齒、剖分環(huán)位置（圖3中的D點(diǎn)）應(yīng)力-時(shí)間圖

圖9 剖分環(huán)式孔門卡箍（圖3（a）中的C點(diǎn)）、剖分環(huán)位置（圖3（a）中的D點(diǎn)）塑性應(yīng)變-時(shí)間圖

2 結(jié)論

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以判斷，在大型爆炸容器孔門應(yīng)用中，剖分環(huán)式孔門在整體結(jié)構(gòu)的抗爆炸沖擊性能方面并不具有優(yōu)勢(shì)，其安全性、穩(wěn)定可靠性均不如傳統(tǒng)鉸鏈?zhǔn)?、齒嚙式孔門。

此外，從本計(jì)算結(jié)果推斷，若改進(jìn)剖分環(huán)式孔門，主要關(guān)注點(diǎn)在于增加環(huán)的上下表面積、環(huán)結(jié)構(gòu)厚度、對(duì)應(yīng)卡箍的上端面厚度，同時(shí)，在保證正常開合的情況下，盡可能避免過多存在的銳邊，并對(duì)環(huán)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)部位予以加強(qiáng)設(shè)計(jì)，以此增強(qiáng)剖分環(huán)式孔門的力學(xué)性能，增加其在大型爆炸容器方面的適用性。