固支鋼板在爆炸與均布載荷耦合作用下的破壞

李旭東,尹建平,趙鵬鐸,王 琪,李 茂,張 磊,焦曉龍

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.海軍研究院， 北京 100161)

在高壓設(shè)備的使用過程中，常采用爆破片作為泄壓裝置，有標(biāo)準(zhǔn)件可供使用。但對(duì)于泄壓口尺寸較大，氣體壓強(qiáng)較高，無標(biāo)可依時(shí)，需要用非標(biāo)膜片，采用局部爆炸實(shí)現(xiàn)破膜泄壓。在這一狀態(tài)條件下膜片同時(shí)受到高壓氣體的均布載荷與局部爆炸載荷的耦合作用。對(duì)于膜片在均布載荷與局部爆炸載荷耦合作用下破壞效應(yīng)的研究鮮有耳聞。

對(duì)于局部爆炸下鋼板破壞效應(yīng)，Jacob N[1]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)局部爆炸載荷下靶板會(huì)表現(xiàn)出局部非彈性變形，固支邊界處出現(xiàn)拉伸撕裂等現(xiàn)象。Langdon G S[2]、Bonorchis D[3]、Wierzbicki T[4-5]和Jacob N[6]等開展了一系列局部爆炸單獨(dú)加載板的試驗(yàn)，表明除了邊界處出現(xiàn)塑性變形、拉伸破壞外，減小爆距時(shí)，固支鋼板的破壞模式還可能出現(xiàn)局部沖切破壞效應(yīng)[1,7]，以及花瓣?duì)钇瓶赱5,8-9]，等破壞模式。固支鋼板在局部爆炸單獨(dú)加載下的破壞模式受炸藥當(dāng)量[9-10]、爆距[6,10]，邊界條件[11-14]和鋼板厚度等因素的影響。而在初始高壓氣體與局部爆炸加載下固支鋼制膜片的破壞效應(yīng)是未知的。

本文開展了固支鋼板的局部爆炸加載試驗(yàn)，使用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)仿真模型進(jìn)行校準(zhǔn)，開展了單獨(dú)局部爆炸加載、單獨(dú)均布載荷加載以及局部爆炸載荷和均布載荷耦合加載下固支鋼板的破壞效應(yīng)研究。研究結(jié)論可為高壓設(shè)備使用過程中快速泄壓方法提供一定的參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1所示為本次試驗(yàn)用靶板。其中邊上陰影部分為圖2中夾持區(qū)域，中間灰色區(qū)域?yàn)榭勺冃螀^(qū)域。可變形區(qū)域的尺寸為250 mm×250 mm。靶板材料為Q235A鋼。

圖1 爆炸破膜試驗(yàn)靶板示意圖

如圖2為試驗(yàn)時(shí)采用的試驗(yàn)裝置三維圖。炸藥采用柱形裝藥。炸藥放置在靶板中心位置上方，炸高通過下方支撐炸藥的薄紙殼控制。雷管垂直于炸藥上表面，用膠布固定于炸藥中心位置。

局部爆炸試驗(yàn)開展了兩發(fā)，采用不同厚度的靶板，爆炸當(dāng)量和炸藥保持不變。具體的工況參數(shù)如表1所示。

圖2 破膜試驗(yàn)裝置三維圖

表1 爆炸破膜試驗(yàn)工況參數(shù)

1.2 爆炸破膜試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)完成后對(duì)靶板形成的破口尺寸進(jìn)行了測量，結(jié)果也記錄在表1中，如圖3和圖4分別為試驗(yàn)T-1和T-2靶板破壞結(jié)果。

圖3 T-1靶板在爆炸后

圖4 T-2靶板在爆炸后

可以看到鋼板在爆炸作用下出現(xiàn)了花瓣式破口，花瓣與花瓣斷開處出有明顯的拉伸變薄現(xiàn)象，屬于拉伸失效。而且在鋼板的4個(gè)角處沿對(duì)角線形成了塑性鉸。

2 局部爆炸加載下鋼板破壞仿真分析

2.1 局部爆炸加載仿真模型

針對(duì)第一節(jié)的試驗(yàn)，使用ABAQUS顯示動(dòng)力學(xué)模塊開展了有限元仿真分析。靶板采用殼單元，單元尺寸為2 mm×2 mm。圖5為靶板的有限元模型示意圖。仿真采用的方法與 Longere P[15]相同，使用“conwep charge property”關(guān)鍵字，定義爆炸當(dāng)量、爆距和爆炸載荷作用面。在靶板的夾持區(qū)域添加了固支的邊界條件。

圖5 靶板有限元模型示意圖

仿真時(shí)鋼板采用Johnson Cook 強(qiáng)度模型其表達(dá)式為

(1)

表2 Johnson-Cook 強(qiáng)度模型中使用的參數(shù)

2.2 爆炸破膜仿真結(jié)果與試驗(yàn)的對(duì)比分析

按照試驗(yàn)的工況表1，使用2.1節(jié)中的仿真模型開展了相應(yīng)的仿真分析。將仿真得到的靶板破壞情況與試驗(yàn)結(jié)果在圖6中展示，其中圖6(a)表示工況T-1的仿真與試驗(yàn)結(jié)果，圖6(b)表示工況T-2的仿真與試驗(yàn)結(jié)果。可以看到仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果破壞情況基本一致，都出現(xiàn)了花瓣型破口。對(duì)于工況T-1，仿真計(jì)算的破口尺寸為160 mm，試驗(yàn)值為165 mm，誤差為3%；工況T-2中仿真計(jì)算的破口尺寸為105 mm，試驗(yàn)值為110 mm，誤差為4.5%。整個(gè)仿真誤差在5%以內(nèi)，計(jì)算比較準(zhǔn)確。

圖6 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果

3 均布載荷和局部爆炸載荷作用膜片的破壞

3.1 仿真模型

高壓裝置泄壓常采用圓板作為膜片。所以為了切合實(shí)際采用圓形的膜片結(jié)構(gòu)，如圖7表示了膜片規(guī)格尺寸。仿真計(jì)算時(shí)，有限元模型的單元類型、單元尺寸以及材料模型及參數(shù)都與2.1節(jié)中的計(jì)算模型保持一致。

圖7 膜片示意圖

仿真中在膜片背爆面施加均布?jí)毫Γ较蚺c膜片表面垂直，如圖8所示。目的是模擬泄壓室內(nèi)高壓環(huán)境，載荷壓力波形為矩形波，這里由于破膜速度遠(yuǎn)大于泄壓時(shí)間，所以將壓力設(shè)計(jì)為矩形波載荷。且忽略膜片的初始變形。

圖8 膜片上載荷的施加情況示意圖

3.2 仿真工況

設(shè)計(jì)了表3所示的仿真條件。施加的均布?jí)毫Ψ植紴?.5 MPa和1 MPa，對(duì)應(yīng)1 mm和1.5 mm膜片。

表3 仿真條件

3.3 仿真結(jié)果分析

表3記錄了每個(gè)工況中膜片的破裂情況，從工況6和工況17中可以看到在只有均布?jí)毫ψ饔孟拢て闯霈F(xiàn)破壞。以下將對(duì)單獨(dú)局部爆炸載荷、均布?jí)毫εc爆炸載荷共同作用下膜片的破壞兩種情況的仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

在只有爆炸載荷作用下，以比例距離為橫坐標(biāo)，破口尺寸為縱坐標(biāo)將只有爆炸載荷作用下膜片的破口尺寸通過點(diǎn)線圖表示在圖9中。從圖9中可以看到1 mm膜片和1.5 mm膜片在爆炸載荷單獨(dú)作用下，破口尺寸都是隨比例距離的增大而先增大后減小。對(duì)于相同厚度的靶板，炸藥當(dāng)量保持不變，只改變了爆距，所以相同爆炸當(dāng)量下，膜片的破口尺寸也是隨爆距的增大而先增大再減小的。中間存在一個(gè)使得破口尺寸最大的爆距。

圖9 破口直徑隨比例距離的變化曲線

從表3中可以看到無論是1 mm板和1.5 mm板，在均布載荷和局部爆炸載荷耦合作用下膜片被完全破壞，達(dá)到了膜片可變形的最大直徑700 mm。局部爆炸載荷與均布載荷耦合作用下造成的鋼板破口直徑是單獨(dú)局部爆炸加載下破口直徑的1.4～1.8倍。以工況8為例，給出靶板的破壞過程，如圖10所示。

圖10 均布載荷與爆炸載荷聯(lián)合作用下靶板的破壞過程示意圖

由圖10可以看到，在0.1 ms時(shí)爆炸載荷作用下膜片形成初始破口，0.4 ms到1.2 ms之間是裂紋擴(kuò)展時(shí)間，同時(shí)花瓣外翻卷曲，破口達(dá)到最大，在1.6 ms時(shí)膜片花瓣出現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)，直到5 ms左右，花瓣反向運(yùn)動(dòng)到極限值，從5.8 ms之后花瓣由于慣性繼續(xù)向四周運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致膜片繼續(xù)撕裂，直到7.5 ms左右裂紋擴(kuò)展到邊界，停止了擴(kuò)展，此時(shí)的破口尺寸達(dá)到最大，膜片被整體撕裂。可以看到添加均布載荷后膜片的破壞更為嚴(yán)重，破膜效果更好了。

取膜片靠近中心但在破膜過程中沒有失效刪除的一點(diǎn)，其絕對(duì)速度隨時(shí)間的變化曲線如圖11所示。

圖11 測點(diǎn)絕對(duì)速度隨時(shí)間的變化曲線

從圖11中可以明顯看到，在初期爆炸載荷作用下測點(diǎn)速度增加很快，在幾十微秒時(shí)刻已經(jīng)增加到最大117 m/s，爆炸載荷消失后在膜片自身面內(nèi)拉力和均布載荷的作用下速度開始減小，在2 ms左右測點(diǎn)絕對(duì)速度減少到最小，之后在均布載荷與膜片的彈性力作用下開始反向加速。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到4 ms左右，此時(shí)從圖10中也可以看到花瓣又回歸了原來的位置，此時(shí)載荷與花瓣平面垂直，所以從圖11中可以看到，在接下來4到6 ms時(shí)間段內(nèi)，測點(diǎn)的加速度較大，速度增加也很快，最大達(dá)到了125 m/s，比爆炸載荷單獨(dú)作用下的速度大，導(dǎo)致花瓣的反向加速運(yùn)動(dòng)，使得膜片裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，形成更大的破口。

4 結(jié)論

1) 在局部爆炸試驗(yàn)中，固支鋼板表現(xiàn)為花瓣式破壞模式，且在爆炸當(dāng)量和爆距不變的情況下，破口尺寸隨鋼板的厚度增大而減小。

2) 局部爆炸單獨(dú)作用下，隨著比例距離的增大固支鋼板的破口尺寸先增大后減小。

3) 局部爆炸與均布載荷耦合作用下，會(huì)使鋼板破壞更嚴(yán)重。導(dǎo)致其破口更大的原因是局部爆炸與均布載荷耦合作用下形成的花瓣會(huì)反向二次加速，從而裂紋擴(kuò)展更嚴(yán)重。仿真數(shù)據(jù)表明局部爆炸載荷與均布載荷耦合作用下造成的鋼板破口直徑是單獨(dú)局部爆炸加載下破口直徑的1.4～1.8倍。