内部爆炸作用下钢筒变形过程的电探针测量技术

为了研究圆柱形爆炸容器在炸药爆炸作用下的变形过程,设计了电探针测量内部爆炸作用下钢筒变形的方法。采用数值模拟方法进行预估,在钢筒的中心进行了120g TNT和180g TNT当量球形装药下的爆炸加载实验,获得了爆炸不同时刻钢筒径向位移随时间的变化关系,电探针测量钢筒最大变形与实验后钢筒变形测量结果较好吻合。     

内部爆炸作用下多层钢筒的动态响应

为评估内部爆炸作用下多层钢筒结构的防护效果,考察多层钢筒结构动态响应和变形吸能特征,采用两端开口、总厚度为50 mm的4层圆柱形Q345钢筒,在8.90~18.18 kg TNT药量下进行爆炸实验,并在容器外壁进行应变电测。实验后钢筒结构爆心局部发生塑性变形,内层钢筒变形最大,但未发生破坏。根据研究得到初步认识:采用爆心单位环面变形吸能的设计方法,可以较好地预估给定药量下所需钢筒的厚度;不同药量下,轴向距离超过多层钢筒结构的1/4内径后,其外壁环向变形峰值约减小为爆心截面环向应变峰值的1/2。     

泡沫铝内衬对抗内部爆炸钢筒变形的影响

为提高承受内部爆炸载荷钢筒的抗爆性能，研究了泡沫铝内衬对钢筒变形的影响。首先通过对比实验，发现在本文的实验条件下，泡沫铝内衬导致钢筒变形增大，甚至发生了严重的破坏；进而建立有限元模型，研究了钢筒变形随爆炸当量、泡沫铝内衬厚度的变化机理和规律。结果表明，添加足够厚度的泡沫铝内衬能够减小钢筒变形，但泡沫铝厚度不足时，则可能起到相反的效果。对于固定尺寸的含泡沫铝内衬钢筒，随着爆炸当量增加，泡沫铝内衬对钢筒塑性变形的影响主要包含3种模式。模式1，泡沫铝可通过塑性变形吸收爆炸载荷，从而减小钢筒变形。模式2，泡沫铝内衬导致钢筒承受的载荷强度增大，钢筒塑性变形增大。模式3，泡沫铝对载荷强度的影响可忽略，泡沫铝通过增大结构质量减小钢筒塑性变形。     

带平板封头的双层爆炸容器动力响应的实验研究

对采用平封头的圆柱形双层爆炸容器在内部装药爆炸所产生的载荷作用下的动力响应进行了实验研究。研究了容器内部抽真空和内层容器结构形式等因素对爆炸容器弹塑性响应的影响,探讨了平封头应用的可行性。     

密闭空间内不同炸药爆源的能量输出结构及与目标作用研究

对钝化黑索今（RDX）、含铝炸药（RDX/Al）、一次引爆型燃料空气炸药（SEFAE）在爆炸容器和爆炸水池中爆炸波的能量输出结构进行了实验研究。用TVD格式数值模拟了带平板封头爆炸容器的内部爆炸载荷的分布规律。并对在不同爆炸载荷作用下,容器典型位置的应变进行了测量。结果表明:（1）密闭空间内,RDX/Al（90/10）和SEFAE体系具有后燃效应;（2）在本实验条件下,平板封头与罐体结合处的载荷最大;（3）SEFAE产生的爆炸载荷对容器的作用最小,钝化RDX和RDX/Al（90/10）两者相当。3种炸药产生应变的频谱相似,强度略有差别;（4）在本实验的条件下,爆炸载荷的结构不是应变增长的主要原因。     

爆炸容器承受内部加载的实验研究

对两种实验容器在分布和集中装药两钟情形下进行了爆炸加载实验，测量了几个典型位置的应变和压力。对实验结果的分析表明，容器主体环应变中通常只包含少数几种频率成分。容器（Ⅰ）（Ｌ＝２Ｄ）中心位置的环应变中有应变周期性消涨现象，发生了应变增长；而容器（Ⅱ）中心位置的环应变的极大值总在第一个１／４周期到达。偏高中心位置各点的环应变中都表现出应变增长，并且应变增长的程度随着远离中心位置趋向法兰附近（容器端部）而加剧。轴向应变和封头的振动中含存更多的频率成分。     

水及盛水容器对近距离爆炸载荷影响的实验研究

为研究用水包围炸药的方式对爆炸载荷的作用机理,在两端开口的钢筒内进行了水直接包覆炸药的爆炸实验,利用光纤位移干涉仪获取了钢筒外壁的径向速度和动态变形。结果表明:不同于无水爆炸,爆轰产物通过水的“裂缝”在空气中形成冲击波,造成该冲击波出现时间更晚、强度更低、持续时间更长,并要求相应的数值模拟采用二维以上的计算模型;盛水结构的材料密度越低、厚度越小对爆炸载荷的影响越小。     

球形爆炸容器应变增长现象的极限情况

应变增长现象威胁容器安全,研究应变增长现象的极限情况对爆炸容器的安全应用非常重要。本文中开展了球形容器爆炸加载实验,获得了应变增长系数达到6.1的应变数据,并利用数值模拟分析球壳弹性变形范围内振动模态叠加形成的应变增长现象的极限情况。研究表明:(1)应变增长现象符合几何相似律,影响应变增长的因素包括扰动源类型、扰动源半径与球壳半径之比、球壳厚度与球壳半径之比、第一个应变峰等,其中扰动源参数是主要影响因素。(2)当扰动源位移被完全约束、扰动源半径等于球壳半径时,球壳上可能的应变增长系数接近12。     

柱形爆炸容器安全概率的区间估计

针对柱形爆炸容器安全评判问题,采用数值模拟方法对容器爆心截面外壁径向变形量进行了计 算。与以往确定性计算结果不同,在计算过程中考虑了主要计算参数的随机性,并结合Monte-Carlo方法对 该参数进行了抽样,然后计算获得了容器径向变形量的随机样本。应用统计方法对该样本进行了分析,并给 出了容器安全概率置信区间的估计方法。以某柱形容器径向变形量数值模拟为例,分析了径向变形量的统计 规律,并给出了该容器的安全概率及其置信区间。从而初步建立了对爆炸容器安全评判问题进行统计分析的 一般方法。     

容器内爆炸多传感器测试系统的原理设计与应用

为对炸药爆炸进行测量和监控,出于安全以及测试方便考虑,试验需要在爆炸容器中进行。由于测试任务的需要,试验中使用的传感器的类型及数量较多,包括各种压力传感器、应变传感器以及爆速传感器等,因此构建一个多传感器的测量系统就显得十分重要。文章给出了试验容器的基本结构,介绍了钢筒内化爆试验爆炸冲击波压力测试系统的原理设计与应用,构建了传感器、起爆和同步触发、爆速监测以及数据采集存储几个主要部分组成的测试系统,并对系统几个主要组成部分进行了详细的阐述。压杆测压解决了高压测量中的测量困难以及传感器使用效率低的问题,取得了良好的实际应用效果。     

金属柱壳膨胀断裂的实验与数值模拟

基于一端起爆的柱壳外爆加载装置,采用多普勒速度测量仪(DPS)及高速分幅相机联合诊断柱壳的膨胀断裂过程。实验获得了壳体表面的速度历史和膨胀变形、裂纹萌生扩展到爆轰产物泄露的动态图像。利用光滑粒子流体动力学方法(SPH)开展了对应的数值模拟,计算结果与实验结果吻合较好。实验与数值模拟结果系统地给出了冲击波入射柱壳角、爆轰波稀疏角、内壁速度压力历史及壳体变形应变、壳体断裂等物理信息。     

内部爆炸作用下20钢柱壳的变形及相变

研究冲击波作用下金属微观组织变化对于理解柱壳结构在高应变率下的变形及破坏极为重要。实验通过对20钢金属柱壳在内部爆炸载荷作用下的爆炸回收碎片截面进行微观分析,探讨冲击波作用下材料的组织演化、相变特征,同时使用有限元方法对柱壳膨胀断裂过程中的热力学特征进行分析。研究发现:20钢柱壳近内表面满足α→ε相变热力学条件的有限深度区域内,α晶粒内可见明显的平行滑移线分布特征;电子背散射衍射揭示了平行滑移线区域内组织碎化,且存在{112}<111>和{332}<113>两种孪晶,同时平行滑移线的碎化组织区域中存在密排六方晶格(HCP)的ε相结构,而试样原始组织及爆炸后除试样壁厚内部(0～3.0 mm)区域外均未见ε相结构残留。分析认为:冲击过程中发生了α→ε相变;相变引发的材料性能改变将可能影响断裂破坏过程;考虑冲击波作用下金属材料动态相变对结构变形与破坏的影响,对这类柱壳变形及破坏的精密物理模拟具有重要意义,有必要开展进一步研究。     

内部爆炸加载下柱壳的环周分裂数

基于有限长度柱壳的Gurney速度公式,以壳体平均半径估算平均应变率,同时考虑壳体剪切断裂时的断裂面长度与径向壁厚的差异,对Grady-Kipp方法进行了修正,得到柱壳剪切断裂模式下环周分裂数的完整表达式。利用修正方法分析得到的环周分裂数计算结果与实验数据分析结果符合更好。以20号低碳钢柱壳为例,对其在TNT爆炸加载下的膨胀断裂进行了三维数值模拟,得到的环周分裂数模拟结果与实验结果符合较好。     

薄壁柱壳在内部爆炸载荷下膨胀断裂的研究

以柱形爆炸装置为研究对象 ,讨论了其薄壁壳体在爆炸载荷下的动态断裂准则。给出了典型的FAE模型及在数值计算时必要的简化条件。对回收的壳壁破片进行了SEM扫描电镜观测 ,分析了金属材料在高应变率下膨胀断裂的微观机制。采用解耦的、考虑应变强化的粘塑性本构方程 ,根据损伤破坏理论推导出以临界应变为依据的改进断裂准则 ,计算表明断裂参数理论解与数值模拟结果一致 ,并得到了实验方面的例证。     

球壳塑性变形下的应变增长现象

应变增长现象会对容器安全形成威胁。以往研究涉及的应变增长现象大多在壳体弹性变形范围内,本文中实验观察到球壳塑性变形时的应变增长现象,应变增长系数(最大应变值与第一个应变峰的比值)最大值达到1.16。实验还获得了容器内壁压力-时间曲线,并利用球壳响应理论分析出应变增长现象是由容器内壁的周期性多脉冲载荷引起的,该载荷存在3个较明显的脉冲,前两个脉冲对应变增长现象起主要作用。     

双层环肋圆柱壳受多个物体撞击下的结构动响应

针对双层环肋圆柱壳受到多个物体的撞击问题,采用MSC.Dytran软件对受撞过程中的结构损伤变形、撞击力变化和能量转换进行数值模拟,并与模型试验相对比后发现:双层环肋圆柱壳结构同时受多物体撞击是一个瞬态动响应过程,在巨大瞬时冲击载荷作用下,受撞区壳板会迅速超越弹性变形而产生塑性变形;多物体撞击会造成外壳板一定区域的损伤变形,撞击力会相互干扰,导致其非线性特征更明显。结果表明,双层圆柱壳的外壳能对内壳起到较好的防护作用,在外壳没被撞穿的情况下,其结构变形会吸收绝大部分的撞击动能,可以通过优化外壳的吸能效率来达到双层壳体结构物内壳防撞的目的。     

离散多层厚壁爆炸容器抗爆炸性能试验研究

为了研究离散多层爆炸容器的动力响应和破坏特性,制造了尺寸和材料相同但钢带缠绕倾角不同的三台离散多层试验容器,并进行了一系列大药量的中心加载试验,测量了典型位置的应变。结果表明中心装药时三台试验容器的破坏都在爆心截面处,钢带缠绕倾角较小的容器能够承受更大炸药量的爆炸作用,容器具有较好的抗内爆炸性能。     

冲击载荷作用下柱壳链中的弹性波传播简化模型及其解析解

柱壳链能引起波形的弥散,具备操控波形的潜力。建立了柱壳链结构的等效连续介质模型和细观有限元模型,研究了质量块冲击作用下柱壳链中的弹性应力波传播过程及其几何弥散特性。基于考虑横向惯性修正的Rayleigh-Love波动方程,建立了柱壳链在质量块冲击下的控制方程,采用Laplace变换及其逆变换获得了位移场、速度场和应变场的解析解,所得结果与细观有限元模拟结果较好吻合。结果表明,在冲击过程中应变和速度峰值均逐渐减小,应变峰值、振荡幅度和波形前沿宽度与泊松比和惯性半径相关,泊松比和惯性半径越大,应变峰值越小,应变分布振荡越剧烈,波形前沿宽度越宽。