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。

     

球形爆炸容器法兰联接螺栓的应变增长现象

本文在球形爆炸容器法兰连接螺栓的动态响应实验研究中,发现了法兰螺栓的应变增长现象。以实验数据为基础,通过数值模拟对螺栓发生应变增长的原因进行分析。研究结果表明:受到开口结构的影响,端盖螺栓受到的压力载荷强度较容器内壁大幅增强。螺栓的应变增长是被增强压力载荷的前2个周期与结构响应形成共振时引发的,通过改变端盖质量、预紧力大小可以避免螺栓发生应变增长。     

爆炸下球壳变形空间周期分布的理论计算方法

早期研究提出了对振动叠加应变增长现象的解剖式分析方法,进而发现爆炸加载下带扰动源球壳上的弯曲波和壳体变形呈空间周期分布的规律。参考Timoshenko梁的弯曲理论,基于平截面假定和壳体发生较小的弯曲变形的假设,推导出球壳上弯曲波波速和波长的关系,计算得到最短弯曲波和与膜振动频率相近的弯曲波的波速,还结合早期研究提出的壳体变形分布周期与弯曲波波速的关系,计算得到了壳体变形空间分布的周期。结果表明：（1）理论计算结果与数值仿真结果基本吻合,其中弯曲波波速的计算结果与数值仿真结果相差在15%以内,壳体变形空间分布周期的计算结果与数值仿真结果相差在12%以内;（2）弯曲波波长越短,波速越快,当波长无限短时,波速趋于极限值,约为声速的0.574倍。本计算方法为解剖式分析方法提供了一定的理论依据。

     

强动载荷下金属材料塑性变形本构模型评述

爆炸、高速冲击等强动载荷作用下金属材料塑性流动的本构模型研究是冲击动力学领域备受关注的课题,近几十年来的研究成果极大地推动了冲击波物理、冲击动力学、材料科学等领域的发展. 本文对金属材料塑性变形动力学数值计算中重要的、得到普遍应用的本构模型进行了回顾和评述,进一步明确其适用范围、优点和不足,为冲击载荷下材料响应的数值模拟对本构模型的选取提供参考. 其中最新的、适用范围最广的PTW本构模型应给以特别地关注,其研究方法及应用前景都值得我们借鉴和期待.      

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。     

爆炸载荷特征参数对无限长圆柱壳弹性动态响应的影响

采用含有三角脉冲载荷和准静压载荷的爆炸载荷加载,利用单自由度模型对无限长圆柱壳体（即等效平面应变圆环）的弹性动态响应进行了力学分析,获得了径向位移响应解析解及准静压阶段弹性响应振幅的解析解。基于所得解析解,通过控制变量法分析了载荷压力及载荷分界点时刻（即三角脉冲载荷与准静压载荷作用的分界点时刻）对径向位移最大值、准静压阶段弹性响应振幅的影响规律,更加深入地研究了爆炸载荷对结构响应的影响。本文主要从准静压幅值与三角脉冲峰值的比值以及载荷分界点时刻两个主要特征参数入手,结合结构的呼吸振动频率来研究爆炸载荷对无限长圆柱壳弹性动态响应的影响。在研究中发现存在临界时刻:当载荷分界点时刻早于临界时刻时,径向位移最大值出现在准静压阶段;当载荷分界点时刻晚于临界时刻时,获得了便于直观判断径向位移达到最大值时所处载荷阶段的分区图。基于前述解析解的分析,还获得了不同影响因素导致的振幅变化的单调性分区图,便于判别载荷压力的变化所致的准静压阶段振幅的增减趋势。通过研究获得的爆炸压力载荷对结构响应的影响规律,可为爆炸容器设计以及结构防护基础研究提供参考。     

球形爆炸容器的内部载荷和响应特性

对球形容器内壁压力、温度和容器外壁应变进行了实验监测,为认识容器内部流场演变和容器响应的全过程提供了较系统的实验数据支持。实验结果及分析显示:容器内部流场在载荷来回反射3次后分布相对均匀;由容器外壁应变波形推测容器内部爆炸产物发生较明显的二次反应;各个应变监测位置均出现了应变增长现象,其中容器入口门正对位置的应变增长现象最严重,应变峰值平均值增大系数达到2.88;容器振动主频率为呼吸振动频率,另一主频率约为呼吸振动频率的1/2;容器外壁最大应变约2.510-3,等效应力峰值比容器材料静态屈服应力大了约80%,容器无明显塑性变形。     

爆炸载荷下飞机典型加筋结构毁伤特性

为了探讨爆炸载荷下飞机典型加筋结构的响应规律,开展了爆炸实验,获得了飞机典型结构表面的反射超压历程,加筋结构的应变、位移等结构响应数据。并结合实验结果建立了高置信度的有限元模型,研究了所选结构的变形分布规律和塑性毁伤特性。结果表明,对于本文中选取的飞机加筋结构,塑性变形除了会开始于常见的加强筋中点外,还会开始于加强筋与加强筋联结处、加强筋与外框联结处。这主要是受加筋板的双向拉伸变形和应力集中的影响。进一步总结了随冲击波正压时间增长,能够引发加筋结构塑性变形的有效冲量和反射超压峰值阈值。研究结果对飞机气动外形、抗爆能力设计具有重要意义。     

椭圆封头圆柱形爆炸容器动力响应的数值模拟

采用显示非线性动力有限元软件LS-DYNA,在不同TNT当量下对椭圆封头圆柱形爆炸容器进行了数值模拟。模拟结果表明:对椭圆封头与圆筒组合而成的理想结构,爆心环面的应变在初始响应阶段就达到了最大值,并且其值大于筒体上其他点的最大应变;实际结构中法兰对爆炸容器的动力响应有很大的影响,当法兰的质量超过一定值之后,容器爆心环面会产生应变增长现象。在容器的设计工作中要加强容器的爆心环面并适当地选择法兰。     

脆性材料动态强度应变率效应

通过求解波动方程,结合有限结构-时间破坏准则,得到了动态载荷下脆性材料单轴拉伸强度应变 率效应的解析表达式。分析结果表明:材料动态强度的应变率效应具有明显的结构响应特征,即材料动态强 度除与应变率和静态参数相关外,还显著地依赖于外载荷结构及其与材料间的相互作用,因而动态强度不是 表征材料动态破坏的内禀材料性质;此外,由于在不同的外载荷条件下材料将表现出不同的动态强度,这是导 致实验结果离散性大的内在因素。     

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。

     

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。

     

撞击载荷下泡沫铝夹芯梁的塑性动力响应

应用泡沫金属子弹撞击加载的方式研究了固支泡沫铝夹芯梁和等质量实体梁的塑性动力响应。 采用激光测速装置和位移传感器测量了泡沫子弹的撞击速度和后面板中心点的位移-时间曲线,研究了加载 冲量、面板厚度和芯层厚度对夹芯梁抗冲击性能的影响。给出了泡沫铝夹芯梁的变形与失效模式,实验结果 表明结构响应对夹芯结构配置比较敏感,后面板中心点的残余变形与加载冲量、面板厚度呈线性关系。与等 质量实体梁的比较表明,泡沫铝夹芯梁具有更好的抗冲击能力。实验结果对多孔金属夹芯结构的优化设计具 有一定的参考价值。     

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。

     

应变式压杆压力传感器在冲击波载荷测试中的应用

在近区爆炸冲击波载荷测量中,压电式压力传感器因上升时间短且强度高的高频压力脉冲作用而可能产生疲劳和过载失效。本文根据应力波在细长圆柱弹性杆中的传播特性,设计了一种应变式压杆压力传感器,当圆柱杆的一端受到压力波作用时,产生的弹性应力波沿杆轴向传播,通过测量杆的轴向应变可计算出杆中传播的应力波,从而得到作用在杆端的压力波。为了检验压杆压力传感器的性能,采用一个厚壁圆柱形爆炸容器,并将传感器安装在容器壁面不同位置上,测量中心装药产生的爆炸冲击波载荷,经反复试验,结果表明这种传感器性能是稳定可靠的。     

爆炸荷载下网壳结构的动力响应及泄爆措施

以有限元软件ANSYS/LS-DYNA为平台,建立了40m 跨度K8型单层球面网壳在中心TNT 爆炸荷载作用下的精细化有限元数值分析模型。在网壳结构各组成部分的单元选取、钢材本构关系与参数确定、网格尺寸选择与划分方式、结构对称性应用等方面进行了探索,保证了有限元动力分析的精度与可行性。通过比较网壳结构的塑性应变及其发展程度、杆件应变与位移等结果获得了不同网壳矢跨比、炸点距离以及屋面板厚度下的结构爆炸响应规律;以屋面板作为网壳结构的泄爆方式,研究了屋面板开洞率、开洞数量及洞口分布、洞口位置对结构响应的影响。总结了中心爆炸荷载作用下大跨度单层网壳结构的动力响应结果、最佳的屋面板泄爆布置方案,为网壳结构的合理抗爆及防御设计提供了理论依据。