劉文祥,張德志,程 帥,馬艷軍

(西北核技術(shù)研究所;強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室: 西安 710024)

爆炸容器是限制爆炸作用的一種特種裝備,最早于1944年開始研制,可把爆炸沖擊波、爆炸產(chǎn)物及高速飛片等限制在一定范圍內(nèi),起到保護(hù)人員和設(shè)備、回收試驗(yàn)產(chǎn)物及防止環(huán)境污染等作用[1-5]。在工業(yè)和國防等領(lǐng)域,爆炸容器是爆炸加工、爆炸試驗(yàn)、火工品儲存和轉(zhuǎn)移及過期武器彈藥銷毀等過程的常用防護(hù)設(shè)備[6-12];在科研領(lǐng)域,爆炸容器是研究開展爆燃和爆炸相關(guān)研究的重要實(shí)驗(yàn)裝備[13-19];在公共安全方面,車站、機(jī)場等公共場所常配備爆炸容器,以便緊急處理可疑的爆炸物品[20]?？梢?爆炸容器已得到廣泛應(yīng)用。

爆炸容器涉及的主要物理過程是爆炸強(qiáng)動載與目標(biāo)相互作用:爆炸產(chǎn)生的瞬態(tài)強(qiáng)沖擊(作用時(shí)間可達(dá)到微秒量級,壓力可達(dá)到吉帕量級)與容器殼體相互作用,容器發(fā)生高強(qiáng)度的動態(tài)響應(yīng)(應(yīng)變率最高可達(dá)102～103量級)。隨著需求的增長,爆炸容器的研究日益受到關(guān)注。但爆炸容器問題理論上屬于高度非線性的數(shù)學(xué)問題,在實(shí)驗(yàn)研究上涉及瞬態(tài)、強(qiáng)沖擊、高溫及強(qiáng)電磁等極端條件,在學(xué)科上涵蓋了爆炸力學(xué)、沖擊動力學(xué)、材料力學(xué)及機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等多個(gè)領(lǐng)域,因此相關(guān)研究極具挑戰(zhàn)性。

本文介紹了國內(nèi)外爆炸容器研制、容器內(nèi)載荷規(guī)律、容器動態(tài)響應(yīng)及容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)4個(gè)方面的現(xiàn)狀及西北核技術(shù)研究所的研究進(jìn)展。

1 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 容器種類和研制

通常爆炸容器按照結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分類,可分為球形容器、柱形容器和其他結(jié)構(gòu)形式的容器;按照制作材料和工藝的不同,可分為鋼制容器、纖維復(fù)合材料容器及扁平鋼帶纏繞式容器等;按照使用次數(shù)的多少,分為一次性使用和重復(fù)使用2類,其中一次性使用容器允許發(fā)生塑性變形,重復(fù)使用容器一般嚴(yán)格限制在彈性變形范圍內(nèi)。

20世紀(jì)90年代,美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室雙軸閃光照相實(shí)驗(yàn)用容器如圖1所示[13-15]。

(a) Confinement vessel

(b) Safety vessel圖1 美國雙軸閃光照相實(shí)驗(yàn)用容器[13-15]Fig.1 Confinement vessel and safety vessel of DARHTF in US[13-15]

圖1(a)為典型球形爆炸容器,用于確保有毒放射性物質(zhì)在爆炸作用下的有效封閉,容器內(nèi)徑為1.83 m,采用HSLA-100鋼,可承受24.2 kg TNT當(dāng)量的爆炸,該容器屬于一次性使用容器。蘇聯(lián)曾研制過1 000 kg TNT當(dāng)量的球形爆炸容器[10],直徑為12 m,壁厚為100 mm,質(zhì)量約為350 t。1984年,章仕表等[19]制造了1 kg TNT當(dāng)量爆炸容器。中國工程物理研究院胡八一等[20]研制了25 kg TNT當(dāng)量可重復(fù)使用球形爆炸容器,內(nèi)徑為3.6 m,采用BHW35鋼,壁厚為90 mm。胡八一等[21]還研制了1 kg TNT當(dāng)量球形爆炸容器,內(nèi)徑為1 m,壁厚為25 mm,采用16MnR鋼,容器正上方開設(shè)直徑為125 mm的裝藥孔,赤道面上開設(shè)直徑為80 mm的定位孔,正下方有直徑為25 mm的排污孔。

柱形是爆炸容器另一種常用的結(jié)構(gòu)。美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室[13-15]在雙軸閃光照相實(shí)驗(yàn)中,球形爆炸容器外套了帶橢圓封頭的柱形容器,如圖1(b)所示,內(nèi)徑為2.44 m,同樣使用HSLA-100鋼。美國Esparza等[22]研制了能承受10 kg TNT當(dāng)量的柱形容器,容器直徑為3.5 m,厚為38.1 mm,橢圓封頭厚為51 mm,采用HY100鋼。日本神戶鋼鐵公司采用爆炸法銷毀非庫存化學(xué)武器,為此研制了15 ,45,60 kg TNT當(dāng)量系列柱形爆炸容器[12],采用雙層結(jié)構(gòu),內(nèi)層容器承受爆炸沖擊波和破片侵徹作用,外層容器承擔(dān)準(zhǔn)靜態(tài)氣壓。宋桂飛等[11]研制的一種回收戰(zhàn)斗部破片的爆炸容器,內(nèi)徑為1 200 mm,壁厚為36 mm,容積為2.08 m3,材料為16MnR鋼,內(nèi)襯防護(hù)板為616裝甲鋼板;上端開口,底部注入深360 mm的水。國防科技大學(xué)曹勝光等[23]研制了5 kg TNT當(dāng)量柱形爆炸容器,筒體內(nèi)徑為2 800 mm,圓柱形筒體長為4 500 mm,容器壁厚為45 mm,采用16MnR 鋼制造。

為滿足一些特殊需求,爆炸容器還采用一些新型材料或結(jié)構(gòu)形式。美國Livermore國家實(shí)驗(yàn)室為滿足在“先進(jìn)流體動力學(xué)設(shè)施”中使用無窗口容器的需求,Pastrnak等[9,18]研制了Kevlar纖維纏繞球形爆炸容器,容器由外向內(nèi)依次為強(qiáng)度層(Kevlar纖維纏繞層)、密封層(鋁合金內(nèi)襯)和防彈層(陶瓷),容器直徑為2 m,設(shè)計(jì)爆炸當(dāng)量約為35 kg TNT。胡八一等[24]研制了樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料球形和柱形爆炸容器,內(nèi)徑均為500 mm,分別安全承受了當(dāng)量為1.8,1.5 kg TNT的爆炸。浙江大學(xué)鄭津洋團(tuán)隊(duì)[25-27]開展了離散多層爆炸容器抗爆性能研究,離散多層爆炸容器是扁平繞帶式壓力容器的應(yīng)用拓展。

1.2 容器內(nèi)爆炸載荷

爆炸沖擊波在容器內(nèi)壁反射形成很強(qiáng)的沖擊載荷。美國軍事部門發(fā)布的TM 5-1300手冊[28]給出了TNT裝藥空中爆炸沖擊波正反射參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)圖,參數(shù)包括超壓峰值和比沖量,比距離為0.15～100 m·kg-1/3。這些數(shù)據(jù)可用于爆炸容器內(nèi)載荷計(jì)算。Baker等[29]曾匯總了多位學(xué)者的研究數(shù)據(jù),總結(jié)出正反射超壓峰值、比沖量與比距離關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)圖,超壓峰值數(shù)據(jù)比距離為0.2～104m·kg-1/3,比沖量數(shù)據(jù)的比距離為0.1～104m·kg-1/3。對于非TNT炸藥,可通過爆炸釋放的熱能等效轉(zhuǎn)化為TNT炸藥[30-32]。由于比距離小于0.2 m·kg-1/3的爆炸實(shí)驗(yàn)開展得較少,上述文獻(xiàn)中列舉的比距離小于0.2 m·kg-1/3的爆炸沖擊波參數(shù),一般是通過兩種方法獲得的:一是理論和數(shù)值計(jì)算;二是通過低環(huán)境氣壓爆炸實(shí)驗(yàn)由Sachs比例定律推算而得。

爆炸容器內(nèi)部載荷屬于約束爆炸載荷,沖擊波在容器內(nèi)壁來回反射,因此,此類載荷具有一定的周期性特征。圖2為球形容器內(nèi)壁載荷波形。

(a) Numerical result

(b) Experimental result圖2 球形容器內(nèi)壁載荷波形Fig.2 Load on the inner wall of spherical vessel

Duffey等[33]通過數(shù)值模擬給出了球形容器內(nèi)的周期性載荷波形,包括一個(gè)較強(qiáng)的首脈沖及多個(gè)較弱的后續(xù)脈沖,如圖2(a)所示。Dong等[34]通過數(shù)值模擬研究了爆炸載荷與球殼相互作用過程,并把球殼內(nèi)的載荷分為初始沖擊波階段、沖擊波反射階段和壓力振動階段。初始沖擊波階段是指初始沖擊波作用在容器上的階段;沖擊波反射階段是指沖擊波在容器壁和容器中心來回反射的階段;壓力振蕩階段是指容器內(nèi)沖擊波衰減消失,但容器振動沒有停止,容器體積的周期性變化導(dǎo)致氣體壓力周期性微小變化的階段。段卓平等[35]采用2維歐拉有限差分程序計(jì)算了柱形容器的內(nèi)部爆炸流場,爆炸產(chǎn)物和空氣都采用理想氣體狀態(tài)方程,結(jié)果表明,容器內(nèi)載荷存在多次脈沖。Lewis等[13]通過實(shí)驗(yàn)獲得的球形容器內(nèi)壁載荷波形,如圖2(b)所示,由圖2(b)可見,曲線中僅存在3個(gè)比較顯著的脈沖(數(shù)值模擬顯示存在大量的脈沖),之后壓力變化比較平緩,容器內(nèi)氣體進(jìn)入準(zhǔn)靜態(tài)壓力狀態(tài),但該研究的可用數(shù)據(jù)點(diǎn)不多,也沒有給出各個(gè)脈沖關(guān)鍵參數(shù)的規(guī)律。綜上,周期性特征是容器內(nèi)載荷普遍特征,但數(shù)值模擬在模擬這一特征時(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果還存在明顯差異。

周期性載荷之后爆炸容器內(nèi)壓力為準(zhǔn)靜態(tài)。一般認(rèn)為,準(zhǔn)靜態(tài)壓力P與爆炸當(dāng)量Q跟容器容積V的比Q/V成線性正比關(guān)系[15,36]。Marchand等[37]給出了4種炸藥爆炸的準(zhǔn)靜態(tài)壓力P與Q/V之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)富氧炸藥和負(fù)氧炸藥存在差異。其中,富氧炸藥RDX的準(zhǔn)靜態(tài)壓力與Q/V基本成線性關(guān)系;而其他富氧炸藥的準(zhǔn)靜態(tài)壓力與Q/V的關(guān)系偏離了線性關(guān)系,當(dāng)Q/V較小,容器內(nèi)氧含量相對較多時(shí),準(zhǔn)靜態(tài)壓力高于RDX,當(dāng)Q/V較大,容器內(nèi)氧含量相對較少時(shí),準(zhǔn)靜態(tài)壓力明顯低于RDX。

1.3 爆炸容器動態(tài)響應(yīng)

1958年,Baker等[38-39]推導(dǎo)了薄球殼在彈性變形范圍內(nèi)的1維線性方程,之后進(jìn)一步假設(shè)材料模型為雙線性彈塑性模型,推導(dǎo)出容器發(fā)生塑性變形的1維線性方程,并進(jìn)一步考慮容器壁厚的變化,推導(dǎo)得到塑性響應(yīng)非線性方程,還通過數(shù)值方法進(jìn)行求解。Duffey等[33]基于球殼響應(yīng)理論研究了彈性變形范圍內(nèi)殼體變形隨爆炸載荷作用時(shí)間和結(jié)構(gòu)振動周期之比的變化關(guān)系。Ivanov等[40]總結(jié)了6個(gè)球形容器和2個(gè)柱形容器的實(shí)驗(yàn)研究工作,通過在同一容器中反復(fù)進(jìn)行多次的同當(dāng)量爆炸加載,發(fā)現(xiàn)容器材料發(fā)生明顯強(qiáng)化,并得出與靜態(tài)屈服強(qiáng)度相比,第一次加載時(shí)的材料動態(tài)屈服強(qiáng)度增強(qiáng)了40%,分析認(rèn)為是應(yīng)變率效應(yīng)的作用。Duffey等[41]和Benham等[42]對柱殼的環(huán)面變形進(jìn)行了理論分析,利用經(jīng)驗(yàn)公式得到柱殼內(nèi)爆炸載荷的比沖量分布規(guī)律,再假設(shè)爆炸載荷對柱殼做的功與容器內(nèi)部應(yīng)力所做的功相等,進(jìn)而計(jì)算柱殼的環(huán)面變形,分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合。White等[43]總結(jié)了以前的爆炸容器工作,發(fā)現(xiàn)應(yīng)變率效應(yīng)導(dǎo)致容器材料屈服強(qiáng)度增加,還從能量角度分析得到,允許發(fā)生塑性變形的容器的重量為僅發(fā)生彈性變形的容器重量的1/5～1/35。王禮立等[44]研究了球形爆炸容器的動態(tài)斷裂問題。

應(yīng)變增長現(xiàn)象是指容器殼體的最大變形不出現(xiàn)在第一個(gè)變形周期,而出現(xiàn)在之后周期的現(xiàn)象。1976年,Buzukov[45]在柱形殼體爆炸加載實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象,出現(xiàn)時(shí)容器內(nèi)載荷已衰減,分析認(rèn)為該現(xiàn)象由容器不同模態(tài)的振動疊加形成。Abakumov等[46]利用Timoshenko理論對爆炸加載下的球殼響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值求解,發(fā)現(xiàn)容器赤道附近沒有應(yīng)變增長現(xiàn)象,而在容器極點(diǎn)(開口的正對位置)處應(yīng)變增長現(xiàn)象非常顯著,分析認(rèn)為容器的非理想球形結(jié)構(gòu)致使殼體彎曲振動被激發(fā),彎曲振動在傳播的過程中振幅不斷增大。Belov等[47-48]研究球殼響應(yīng)時(shí),認(rèn)為應(yīng)變增長現(xiàn)象并非由載荷與殼體振動之間的“共振”產(chǎn)生,而是由殼體振動疊加而形成。Karpp等[49]針對球形容器的爆炸加載實(shí)驗(yàn),推測彎曲振動起源于法蘭,并在極點(diǎn)處匯聚,導(dǎo)致極點(diǎn)處出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)變增長現(xiàn)象。Kornev等[50]認(rèn)為柱形爆炸容器法蘭附近存在著強(qiáng)烈的彎曲振動,彎曲振動與頻率相近的其他振動疊加形成應(yīng)變增長現(xiàn)象。朱文輝等[51]針對柱形容器,推測頻率相近的振動疊加形成了應(yīng)變增長現(xiàn)象,還提出通過控制柱形容器的尺寸來抑制應(yīng)變增長現(xiàn)象。前面文獻(xiàn)主要判斷振動疊加是應(yīng)變增長現(xiàn)象形成原因,Duffey等[52]首次解釋了振動疊加是如何形成應(yīng)變增長現(xiàn)象的,利用頻率相近的振動疊加形成的“拍”現(xiàn)象來解析應(yīng)變增長現(xiàn)象,并通過對比實(shí)測應(yīng)變波形的頻率、“拍”的頻率,驗(yàn)證關(guān)于“拍”的假設(shè)的合理性。圖3為“拍”形成的示意圖。

(a) Before superposition

(b) After superposition圖3 “拍”形成的示意圖Fig.3 Diagram of beating

Dong和Li等[53-54]開展系列柱殼、球殼等應(yīng)變增長現(xiàn)象的數(shù)值模擬,并基于Mathieu方程分析了殼體振動特征,提出非線性模態(tài)耦合疊加可能是應(yīng)變增長現(xiàn)象產(chǎn)生的一種重要原因,并提出選擇合適的容器厚度和半徑之比,減少第一個(gè)應(yīng)變峰值,可抑制應(yīng)變增長現(xiàn)象,容器設(shè)計(jì)應(yīng)考慮應(yīng)變增長現(xiàn)象。

容器內(nèi)周期性載荷與殼體振動“共振”是應(yīng)變增長現(xiàn)象形成的另一個(gè)原因。Buzukov等[55]研究柱形容器應(yīng)變增長現(xiàn)象時(shí),認(rèn)為殼體內(nèi)周期性載荷是應(yīng)變增長現(xiàn)象出現(xiàn)的原因之一。Karpp等[49]研究發(fā)現(xiàn)周期性爆炸載荷對球殼響應(yīng)具有顯著影響。Kornev等[50]利用數(shù)值模擬研究爆炸加載下的球殼響應(yīng),認(rèn)為當(dāng)殼體振動周期是載荷周期的整數(shù)倍時(shí)會發(fā)生“共振”,有可能導(dǎo)致后續(xù)應(yīng)變大于第一個(gè)周期。Duffey等[33]在分析球形容器的應(yīng)變增長現(xiàn)象時(shí),認(rèn)為容器內(nèi)周期性的載荷也可能是應(yīng)變增長現(xiàn)象形成的一個(gè)原因。Dong等[34]借助數(shù)值模擬較詳細(xì)地分析了爆炸載荷與殼體振動”共振”引起的應(yīng)變增長現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)當(dāng)爆炸載荷的周期與殼體振動周期接近時(shí),“共振”可能導(dǎo)致較顯著的應(yīng)變增長現(xiàn)象,且應(yīng)變增長系數(shù)與炸藥半徑和容器半徑之比有很大關(guān)系。

1.4 容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

Duffey等[56]認(rèn)為爆炸容器設(shè)計(jì)可部分參考ASME鍋爐與壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),但ASME標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍限于爆炸后長時(shí)間的準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷。中國工程物理研究院胡八一等[57]總結(jié)近30年的容器設(shè)計(jì)和試驗(yàn)工作,提出了一種基于動力系數(shù)法的爆炸容器的設(shè)計(jì)方法。廖英強(qiáng)等[58]采用類似的思路提出了復(fù)合材料爆炸容器的設(shè)計(jì)方法。段卓平等[35]針對突發(fā)事故爆炸容器,針對多次相同加載的特殊情況,將殼體材料簡化為線性硬化材料,提出了殼體多次變形累積起來變形達(dá)到極限狀態(tài)進(jìn)而失效的容器壽命估計(jì)方法。

2 西北核技術(shù)研究所爆炸容器的研究進(jìn)展

20世紀(jì)90年代,西北核技術(shù)研究所[59-61]建立了10 kg TNT立式柱形爆炸容器,屬于可重復(fù)使用容器,由兩個(gè)橢球封頭和一段圓柱形筒體用螺栓聯(lián)接組合而成,內(nèi)徑為2.182 m,壁厚為65 mm,圓柱段高為2 m,封頭由標(biāo)準(zhǔn)橢球封頭殼和高度為0.5 m的圓柱筒焊制。之后,重點(diǎn)圍繞一次性使用的柱形和球形爆炸容器開展研究,獲得的主要成果為:

(1)較系統(tǒng)地研究了柱形和球形爆炸容器內(nèi)載荷規(guī)律,特別是實(shí)驗(yàn)獲取了比距離小至0.1 m·kg-1/3容器內(nèi)壁沖擊波數(shù)據(jù)和球形容器內(nèi)周期性載荷數(shù)據(jù)。林俊德[62]對各種經(jīng)驗(yàn)公式和圖表進(jìn)行了綜合分析和比較,給出了比距離為0.2～3 m·kg-1/3范圍內(nèi)的沖擊波入射超壓峰值、正反射超壓峰值、正作用時(shí)間和比沖量的計(jì)算公式。張德志等[63-64]在直徑為200 mm的柱形容器中,利用行波桿測量容器內(nèi)壁的沖擊波正反射載荷,并通過擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到超壓峰值和比沖量的經(jīng)驗(yàn)公式,比距離最小達(dá)0.1 m·kg-1/3,小比距離下容器內(nèi)壁正反射爆炸載荷如圖4所示。

(a) Pressure peak

(b) Specific impulse圖4 小比距離下容器內(nèi)壁正反射爆炸載荷Fig.4 Reflection load on the inner wall of vessel specific within a small specific distance range

對于爆炸容器內(nèi)非球形炸藥,通常通過體積相等轉(zhuǎn)化為球形炸藥進(jìn)行處理,但比距離較小時(shí),裝藥形狀的影響不可忽略。林俊德[62]、張德志等[63-64]、劉文祥等[65]在柱形容器內(nèi)通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),等長徑比圓柱形裝藥在徑向方向的超壓峰值、比沖量比相同質(zhì)量球形裝藥高出約1倍。劉文祥[66]實(shí)驗(yàn)測得了豐富的球形容器內(nèi)周期性載荷數(shù)據(jù),比距離為0.36～0.87 m·kg-1/3,并建立了周期性爆炸載荷的簡化模型,并通過總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得到各脈沖的持續(xù)時(shí)間、超壓峰值、比沖量的經(jīng)驗(yàn)圖表或公式。陳勇軍[27]、王等旺等[67]在柱形容器內(nèi)開展了準(zhǔn)靜態(tài)壓力的實(shí)驗(yàn)研究,獲得了準(zhǔn)靜態(tài)壓力隨Q/V的變化關(guān)系;劉文祥等[68]總結(jié)球形了爆炸容器內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓力的經(jīng)驗(yàn)公式。

(2)較系統(tǒng)地研究了柱殼、球殼彈塑性變形響應(yīng)規(guī)律。鐘方平等[69]研究了雙層柱形爆炸容器彈塑性結(jié)構(gòu)響應(yīng),發(fā)現(xiàn)炸藥量相同,采用雙層結(jié)構(gòu)時(shí),外罐體變形遠(yuǎn)小于單層結(jié)構(gòu)的變形,內(nèi)層罐承擔(dān)了很大的沖擊載荷,很好地保護(hù)了外罐;在相同藥量和罐體結(jié)構(gòu)條件下,抽真空后罐體應(yīng)變峰值約為不抽真空情況的50%～80%。王等旺等[67]研究了單層柱殼在球形集中裝藥作用下的塑性變形及分布與殼體幾何結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)和裝藥量的關(guān)系,給出了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式,發(fā)現(xiàn)等厚度柱殼的塑性變形僅分布在沿軸向±2倍半徑非常有限的范圍內(nèi),呈高斯函數(shù)分布特征。劉文祥[66]基于實(shí)驗(yàn)獲取了容器內(nèi)壁周期性載荷數(shù)據(jù),借助球殼響應(yīng)理論,分析了單個(gè)脈沖球殼的彈塑性響應(yīng),得到了球殼的應(yīng)變峰值隨比沖量、載荷持續(xù)時(shí)間的變化關(guān)系,還分析了多個(gè)脈沖下球殼的彈塑性響應(yīng)(即共振引起的應(yīng)變增長現(xiàn)象),認(rèn)為球殼彈性變形時(shí)最大應(yīng)變增長系數(shù)為1.5,球殼發(fā)生較大塑性變形時(shí)最大應(yīng)變增長系數(shù)為1.25,球殼發(fā)生較小塑性變形時(shí)最大應(yīng)變增長系數(shù)為1.25～1.5。

(3)對振動疊加形成的應(yīng)變增長現(xiàn)象進(jìn)行解剖式研究。劉文祥等[66,69-73]提出了提取殼體膜應(yīng)變和彎曲應(yīng)變的方法,并從膜應(yīng)變和彎曲應(yīng)變的角度對球殼振動疊加形成的應(yīng)變增長現(xiàn)象進(jìn)行解剖式研究,進(jìn)而直接觀察到彎曲應(yīng)變從擾動源產(chǎn)生、傳播和匯聚、與膜應(yīng)變疊加形成應(yīng)變增長現(xiàn)象的全過程。圖5為應(yīng)變曲線被解剖成的膜應(yīng)變和彎曲應(yīng)變曲線。相關(guān)結(jié)論和成果有:呼吸振動和頻率相近的彎曲振動疊加是應(yīng)變增長現(xiàn)象形成的主要原因;由于彎曲波在擾動源正對位置的匯聚,導(dǎo)致該位置的應(yīng)變增長現(xiàn)象是整個(gè)球殼最嚴(yán)重的;由于入射彎曲波和反射彎曲的疊加形成的“駐波”,應(yīng)變增長系數(shù)在球殼上的分布成空間周期性;提出了抑制應(yīng)變增長現(xiàn)象的新措施,包括避免擾動源被完全約束、減少擾動源尺寸和質(zhì)量、對稱設(shè)置擾動源等;首次觀察到應(yīng)變增長現(xiàn)象導(dǎo)致容器發(fā)生塑性變形及容器塑性變形下發(fā)生應(yīng)變增長現(xiàn)象。

(a) Total strain curves

(b) Substrain curves圖5 應(yīng)變曲線被解剖成膜應(yīng)變和彎曲應(yīng)變曲線Fig.5 Total strain and sub-strain curves of spherical shell

(4)制定了爆炸容器的相關(guān)設(shè)計(jì)方案。程帥等[74-75]對球形容器開孔處等效應(yīng)變隨接管壁厚、補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸的變化關(guān)系進(jìn)行了研究,確定了“5/3倍球殼厚度的接管“配合”與球殼等厚度、張角為10°的補(bǔ)強(qiáng)圈”的開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方案;還給出了爆炸容器端蓋法蘭結(jié)構(gòu)的螺栓預(yù)緊力設(shè)計(jì)方法,發(fā)現(xiàn)由預(yù)緊力和脈沖載荷引起的螺栓總拉伸應(yīng)變隨載荷峰值變化的曲線上存在最小極值點(diǎn),并總結(jié)了最小極值點(diǎn)隨載荷峰值和載荷脈寬的變化關(guān)系。

3 建議

(1)容器內(nèi)小比距離爆炸載荷數(shù)據(jù)是研制強(qiáng)抗爆能力爆炸容器時(shí)必須搞清楚的,由于傳感器無法在此類強(qiáng)沖擊下生存并進(jìn)行有效測量,目前這方面的數(shù)據(jù)較少,需加強(qiáng)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)和測試技術(shù)研發(fā)。

(2)數(shù)值模擬在爆炸容器相關(guān)研究中發(fā)揮了重要作用,但也存在一些局限性,如通常的數(shù)值方法還無法準(zhǔn)確模擬出容器內(nèi)周期性載荷及準(zhǔn)靜態(tài)壓強(qiáng)等容器長時(shí)間的載荷特征,因此在應(yīng)用數(shù)值模擬時(shí)須注意這些問題。

(3)關(guān)于應(yīng)變增長現(xiàn)象機(jī)理的研究有不少新發(fā)現(xiàn),但大部分研究屬于推測性分析,需創(chuàng)新研究方法,探尋更具說服力的直接論據(jù),進(jìn)行更深入、系統(tǒng)地研究。

(4)設(shè)計(jì)規(guī)范是爆炸容器設(shè)計(jì)的常用參考,國內(nèi)外制定了一些爆炸容器的設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則和方案,但適用范圍有限,部分種類爆炸容器還缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范,且目前的規(guī)范還存在未考慮應(yīng)變增長現(xiàn)象等不足。建議由權(quán)威單位或機(jī)構(gòu)牽頭組織專門的課題研究,逐步建立完善國內(nèi)爆炸容器設(shè)計(jì)規(guī)范。