离散多层爆炸容器内爆载荷和抗爆特性研究

摘要

爆炸容器是一种潜在危险的限域装置，它能限制爆炸冲击波和产物的作用范围，为试验人员和设备提供有效的近距离保护，方便对爆炸和爆轰过程进行观察和测试，以及回收试验产物、防止环境污染等。因此，被广泛地应用于国防军事、科学研究、爆炸加工和公共安全等领域。随着爆炸容器的大型化，目前广泛使用的单层爆炸容器的固有缺点逐渐显露，如制造困难、成本高、厚钢板质量不易保证、深厚焊缝难以检测和消除等，难以满足爆炸容器大型化的要求。因此研究符合大型化发展要求的离散多层爆炸容器具有十分重要的意义。 本文在国家自然科学基金项目“密闭多层圆柱壳在内爆炸强动载荷下的动力响应和寿命研究”(项目编号：10372091)和“多层圆柱形爆炸容器设计方法研究”(项目编号：50675195)的资助下，对离散多层爆炸容器内爆载荷和抗爆特性进行了试验和数值研究。本文的主要研究工作和结论如下： (1)离散多层爆炸容器内部爆炸载荷的研究。建立了离散多层爆炸容器内部爆炸载荷的数值计算模型，并通过试验测试结果验证了该解耦计算模型的有效性；利用建立的数值计算模型，验证了爆炸容器内爆流场和壁面爆炸载荷的比例相似性，得到了等长径比圆柱形装药和球形装药作用下离散多层爆炸容器内部爆炸载荷特性和分布规律，发现装药形状对爆炸容器内爆载荷具有显著影响，提出了设计和使用爆炸容器时不能将等长径比圆柱形装药等效为球形装药的建议。 (2)圆柱形爆炸容器解耦计算方法适用性的研究。分析了壳体较小变形对圆柱形爆炸容器壁面爆炸载荷的极限影响和壳体较大弹塑性变形对壁面爆炸载荷的影响，研究结果表明：在设计重复使用的钢制圆柱形爆炸容器和允许等效塑性应变小于17.8％的单次使用钢制圆柱形爆炸容器时，采用解耦方法计算壁面爆炸冲击载荷是合适的，不会导致过于保守的设计结果。 (3)离散多层爆炸容器抗爆特性的试验研究。对8台离散多层爆炸试验容器、9台离散多层爆炸试验圆筒和2台单层圆柱形爆炸试验容器进行了中心爆炸加载试验，揭示了离散多层爆炸容器的应变特性、振动特性、破坏方式、承载能力等抗爆特性；试验研究结果表明：离散多层爆炸容器结构阻尼比远大于单层圆柱形爆炸容器，壳体应变衰减快，不存在节拍现象；钢带缠绕倾角较小的离散多层爆炸容器拥有更好的抗爆承载能力；离散多层爆炸容器失效形式为环向破坏，且存在内筒破坏钢带不断、内筒未破钢带断裂和内筒破坏钢带断裂三种破坏方式，钢带存在拉断和剪断两种断裂形式；离散多层爆炸容器不存在明显的尺寸效应。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 绪论

1.1 引言

1.2 爆炸容器的研究进展

1.2.1 爆炸载荷

1.2.2 动力响应

1.2.3 设计方法

1.2.4 安全评估

1.3 离散多层容器的研究进展

1.3.1 结构特点

1.3.2 静载研究成果

1.3.3 存在的主要问题

1.4 本文研究内容

1.4.1 课题来源

1.4.2 主要内容

2 离散多层爆炸容器内爆载荷研究

2.1 引言

2.2 计算方法

2.2.1 爆轰模型

2.2.2 运动方程

2.2.3 状态方程

2.3 计算模型

2.3.1 材料参数

2.3.2 建模过程

2.4 试验验证

2.4.1 试验测试

2.4.2 数值计算

2.4.3 结果比较

2.5 爆炸载荷的比例相似性

2.5.1 比例定律

2.5.2 数值验证

2.6 离散多层爆炸容器内爆载荷

2.6.1 等长径比圆柱形装药

2.6.2 球形装药

2.6.3 两种装药情况比较

2.7 本章小结

3 圆柱形爆炸容器解耦计算方法适用性研究

3.1 引言

3.2 壳体变形影响的极限分析

3.2.1 研究方法

3.2.2 数值计算

3.3 内爆载荷流固耦合计算模型

3.3.1 计算方法

3.3.2 计算模型

3.3.3 结果比较

3.4 壳体变形影响的流固耦合分析

3.4.1 壳体变形主要影响因素

3.4.2 数值计算

3.5 解耦计算方法适用性

3.6 本章小结

4 离散多层爆炸容器抗爆特性研究

4.1 引言

4.2 第一期试验

4.2.1 试验容器

4.2.2 测试系统

4.2.3 试验装药

4.2.4 试验现象和分析

4.2.5 应变数据和分析

4.3 第二期试验

4.3.1 试验容器

4.3.2 试验装药

4.3.3 离散多层容器试验结果

4.3.4 离散多层圆筒试验结果

4.3.5 与第一期试验结果比较

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.1.1 主要结论

5.1.2 主要创新点

5.2 展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果