（化工过程机械专业论文）圆柱形爆炸容器壳体动力响应的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 1 1 爆炸容器发展概况 第1 章文献综述 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，对试验人员和设备实现有效的近距离保护，方便对爆炸和爆轰过程进行观察 和测试，回收试验产物，防止环境污染等。在国防军事部门，爆炸容器主要用于 爆炸试验、核武器和化学武器的储存和转移、过期武器弹药的销毁、放射性和有 毒废弃物引起的环境污染的防治；在爆炸加工领域，爆炸容器是爆炸焊接、爆炸 压实、爆炸成形和爆炸法制备纳米级材料等生产过程所必需的防护设备；在公共 安全方面，为防止恐怖分子携带或邮寄的可疑爆炸物品危害社会安全，公安局和 车站、机场等公共场所需要用爆炸容器紧急处理可疑爆炸物品【l 羽。 爆炸容器的形状一般为球形( 如图1 1 ) 或者圆柱形，按照使用目的和设计 原则区分，可以分为重复使用和非重复使用两类，前者由于重复使用的需要，其 爆炸当量被严格限制在容器内壁不发生塑性变形的范围内，但实际使用时，当量 多在允许当量的一半以下，后者对密封有很高的要求，但允许发生一定程度的塑 性变形，因此可使同当量的容器比不允许塑变的重复使用的容器重量大大降低。 图1 1 典型的球形爆炸容器 制造爆炸容器的设想最开始始于第二次世界大战期间，美国科学家设想在一 个容器内进行核武器试验，这样即使核试验不成功，仍旧可以回收昂贵的试验原 材料。1 9 4 5 年世界上第一台爆炸容器诞生于美国l o s 舢锄o s 国家实验室 浙江大学硕士学位论文 ( l m 忆) ，它由圆柱壳筒身及两端半球形封头组成，重达2 1 4 t ，壁厚2 5 5 6 m m ， 内直径3 m ，总长6 m ，预计可承受2 t n 汀当量的药量。 6 0 7 0 年代，l a n l 的m 2 组负责爆炸容器的制造、试验及使用，并制造了 与第一台爆炸容器相似但尺寸稍小一些的柱形容器，重1 1 8 t ，用来进行弹片成坑 效应试验。7 0 年代后期，l a n l 研制了一种双层球形爆炸容器。外容器通常设 计有三个窗口，顶部的窗口用于进料，赤道上两个窗口用于照相。内部的小容器 用来承担爆炸载荷的作用，内容器内直径一般为1 8 3 m ，壁厚5 c m ；外容器内直 径为3 6 6 m ，壁厚4 2 c m ，重约3 0 t 。 8 0 年代，l a n l 采用高强度h s l a 系列钢材来制造上面提到容器的内容器， 内直径1 8 3 m ，平均壁厚为6 c m ，试验当量为2 5 蚝n 盯。美国弹道研究实验室 ( b r l ) 在研究一种高速动能武器系统时，设计了一种半球形金属爆炸容器，该 容器内半径为9 m ，壁厚2 5 4 c m ，其当量为2 9 k gt n t 。 9 0 年代，l a n l 采用h s l a 1 0 0 钢材来制造的单层球形爆炸容器，内直径 为2 4 m ，壁厚6 3 5 c m ，试验当量为2 8 k gt n t 。另一方面，美国s a n d i a 国家实 验室从俄联邦核中心刚f n c v n i i e f 购买了2 k g 球形和5 0 k g 圆柱形复合材料爆 炸容器的全部设计资料，并开始对复合材料爆炸容器进行全面研究。 从2 0 0 0 年开始，l a n l 开始一项名为“d 呵e x ”的工程如图1 2 所示，主 要是对双轴爆炸容器( 内部为一球形爆炸容器，外部为一圆柱形容器座位包容部 件) 进行设计研究。 图1 2 d y n e x 工程示意图 英国原子能武器机构( a 、e ，a t o m i cw e a p o n se s t a b l i s h m e n t ) 研究的一种爆 炸容器结构见图1 3 。该爆炸容器采用高强钢h y l o o 制造，主要由圆筒筒身、半 浙江大学硕士学位论文 行了系统的研究。这阶段主要进行的是单层金属柱壳、球壳以及双层多层金属 柱壳的试验及理论研究，如图l 每1 8 所示。 图1 6 单层金属球壳图1 7 多层金属球壳 鬈严飞 l i ! ； l l ； l t 鬟 吲1 z 憋裂 图1 8 双层多层金属柱壳 7 0 年代末，前苏联利用在战略导弹和宇航工程中取得成功运用的树脂基纤 维来制造复合材料爆炸容器。复合材料爆炸容器具有两个金属爆炸容器不具备的 显著优势：( 1 ) 重量轻，承载相同药量的复合材料爆炸容器重量远小于金属爆炸 容器；( 2 ) 无尺寸效应，从而可以将缩比实验的结论外推到原型容器上。此外， 纤维缠绕的复合材料爆炸容器还具备抗疲劳、耐腐蚀、比强度高及破损安全性好 等优点。 经过近3 0 多年的发展，前苏联及俄罗斯已掌握了一定的复合材料爆炸容器 的设计技术，并成功研制了各种不同当量的纤维复合材料圆柱形、球形爆炸容器。 试验表明，内层用高强不锈钢材料作内衬，外层玻璃纤维复合材料采用环向缠绕 4 浙江大学硕士学位论文 与错绕螺旋缠绕( 环向缠绕层厚度与螺旋缠绕层厚度相同) 的组合缠绕方式可以 得到最大的爆炸冲击承载能力。 中国在1 9 6 3 年首次建成了一个直径1 4 m 的立式圆柱形室内爆炸井，这是中 国研制爆炸容器最开始的起步。1 9 8 6 年江西洪都机床设备厂研制成功了一台1 蚝 t n t 当量的爆炸容器【7 】，同年，中国工程物理研究院研制成功了5 k gt n t 当量 的爆炸容器并通过鉴定【2 】。据现有文献报道，西北核技术研究所拥有最大当量为 2 0 k g t 的爆炸容器，中国工程物理研究院也正在研制最大当量为4 0 k gn 汀 的爆炸容器。在复合材料爆炸容器设计方面，中国工程物理研究院利用h s 2 高 强玻璃纤维及不锈钢内衬，设计了内直径为5 0 0 m m 的球形及柱形复合材料爆炸 容器，炸药与球形及柱形容器的重量比分别达到3 3 和0 9 。此外，浙江大学 化工机械研究所正在研制一种新型的离散多层爆炸容器( 如图1 9 和1 1 0 所示) ， 这种爆炸容器除了包括顶部、底部封头和圆柱形薄内筒外，还包括由扁平钢带缠 绕而成的钢带层，试验表明它比单层金属爆炸容器具有更好的爆炸载荷承载能力 【g 1 1 1 。 图1 9 离散多层爆炸容器结构示意图 图1 1 0 离散多层爆炸容器 从上述爆炸容器发展历史可以看出，爆炸容器经历了从最初的单层结构形式 再发展到多层结构形式，从单一金属材料再发展到金属复合材料并用的形式。 浙江大学硕士学位论文 此外，由于复合材料爆炸容器比金属材料爆炸容器具有显著的优势，可以预见发 展复合材料爆炸容器将是未来的趋势。 自2 0 0 2 年开始，a s m es e cv i i id i v i s i o n3 高压容器标准起草组( s p e c i a l w b r k m gg r o u 明i 曲p r e s s u r cv e s s e l s ) 专门成立了承受冲击载荷容器工作组( 协k 舶u p o ni i l l p m s i v e l yl o a d e dv e s s e l s ，t g 刀l v ) 来撰写承受爆炸冲击载荷的容器的 设计标准。到今年( 2 0 0 8 年) 2 月4 号，由该工作组撰写的c 嬲e2 5 6 4o f a s 姬 b o i l e r 锄dp r e s s u r ec o d e ：i m p u l s i v e l yl o a d e dp r e s s u r e 、，e s s e l s ，s e c t i o nv i i i ， d i v i s i o n3 ，已经正式颁布执行。 1 2 爆炸容器的研究进展 爆炸容器的工作过程包括：炸药爆炸、冲击波传播、冲击波与容器结构的相 互作用，这些过程相互关联。爆炸容器动力学归结为研究爆炸冲击波和产物同爆 炸容器结构的相互作用以及由此引起的壳体结构的受力变形状态，并进一步确定 其工作能力、安全强度、可能的破坏模式及在给定载荷下运行的破坏损伤概率( 危 险性) ，为工程设计提供有建设性的指导。考虑到容器壳体的变形对爆炸产生的 容器内部的流场只有极小的影响( 小于l ) 【2 1 ，爆炸容器动力学研究一般可分 为三个方面的问题： 1 将容器壁作刚性近似处理，确定作用在容器各部分结构元上的爆炸载荷： 2 分析在上述爆炸载荷作用下容器壳体及其他结构单元的动力响应特性， 根据爆炸容器的动力响应行为，确定爆炸容器的结构强度、失效准则等，进而建 立爆炸容器的设计方法； 3 对爆炸容器的安全性进行评估，确定工作状态或者指定状态下运行的工 作极限、操作寿命和破坏概率等。 1 2 1 爆炸冲击载荷 作用在结构上的爆炸载荷，按照爆炸产物是否被约束可以分为两个大类：无 约束爆炸载荷和约束爆炸载荷，前者包括自由空气场爆炸载荷、空中爆炸载荷、 地面爆炸载荷等，后者包括部分约束爆炸载荷、完全约束爆炸载荷等【1 2 】。完全 约束爆炸是指爆炸被结构全部包容，爆炸产物无泄漏。 爆炸容器承受的内部爆炸载荷为完全约束爆炸载荷，这种爆炸载荷由两种类 6 浙江大学硕士学位论文 型完全不同的载荷组成，一种是冲击载荷，另一种是准静态载荷。爆炸容器内部 装药爆炸后，迅速生成高温高压的爆炸产物，爆炸产物强烈压缩周围空气介质形 成冲击波，生成的爆炸冲击波在容器内壁面发生反射，反射波折向容器内部传播， 在内部相互碰撞之后又折返传向壁面，发生第二次反射经过长时间的如此反 复之后，最后到达一个分布比较均匀的准静态内部压力1 1 3 】。冲击波与壁面第一 次落藩萋餮霎疆涩葱燮鐾霞霪馨霎萋薹屡霎蓁蓁霆剽纠鞘别氍譬型基；竺鬻牌惯 菘熠睚愿：j | ! 鳖f 篁雾塘潜霸笤蓁錾剧鬃甜彗基誊烈；群m 管簸箭婚塞季；勤勤 翮到篓研酸圭l 誊旦擎萋垦 ；静酸7 靼錾霎蓁茜锻雨一秭，斡跫雾墼薹薹蓁； 纛薹倒缡嬉i 嘲镥崩翊囊萤霎瞎摧堑羹雾薹蓁墓雾蓁墨霾羹餮萋雾嬖羹喇 薹l 羹錾确i ! 霎劈料堂隧尊强犁兴磊一睡诬击波和气体压力。目前，d av i n ch 爆炸容器最大设计爆炸当量为 6 0 埏1 n t 。 图1 4d av i n c h 爆炸容器实物图 图1 5d av 烈c h 爆炸容器结构图 前苏联科学院西伯利亚分院流体 x 浙江大学硕士学位论文 经验方法最大的优点是简单方便，但这种方法一般只能得到第一个反射脉冲 的几个主要参数的大概值，对于后续脉动或者省略不计，或者简单地将第2 和第 3 个脉冲的峰值和比冲量视为第1 个脉冲的1 2 和l 4 【2 7 l ，并不能很好地给出爆 炸冲击载荷的时间历程。在采用式( 1 1 ) 计算反射超压时，一般都将传播介质当作 多方指数y 取1 4 的空气，而实际上爆炸容器内存在的是爆炸产物和空气的混合 气体，多方指数不易准确确定。对于圆柱形爆炸容器，冲击波在壁面的反射除正 反射外，还存在规则斜反射、马赫反射，且载荷沿轴向分布不均匀，对于这些复 杂情况上述方法都不能很好处理。b l a s t x 程序可以考虑入射角的影响，也只 能够计算到第5 个反射脉冲，并且它是美国军方的保密程序。 美国军事部门发布的m5 1 3 0 0 【1 2 1 和州5 8 5 5 1 【2 3 1 手册中以双对数坐标图 的形式给出了炸药和常规武器空中爆炸参数，图1 是5 1 3 0 0 手册中的球形 n 汀装药海平面自由空气爆炸正相参数图，将炸药质量w 、壁面离爆心的距离 r 换算成比例距离z ( w m ) 后，从该图上可以直接读取入射波参数及刚性壁 面正反射波参数。美国军事部门还编制了c o n w e p 和b l a s t x 程序用于计算 爆炸载荷，这其实也是一种经验方法，因为这两个程序都是基于大量的试验测试 数据进行计算的【2 9 1 。 1 o e | = i = ： 1 0 ，o 【： e 1 o k i 1 k 车 1 0l = = 1 i o 1k 乍 o 0 1l = 0 5l o 10 5151 0 1 s c a i e dd l s t a n z - 洲1 脚 图1 1 l 球形n 盯装药自由空气爆炸参数咖1 8 浙江大学硕士学位论文 与经验方法相比，数值计算方法能够得到爆炸容器壁面各处冲击载荷的时间 历程，给出不同形状爆炸容器内部爆炸流场的演化过程。通过数值方法，可以更 好地研究爆炸容器内部爆炸流场的分布特征和规律。 爆炸容器在内部冲击载荷的作用下会产生运动、发生弹性或塑性变形，其运 动和变形又反过来影响爆炸载荷。因此，爆炸容器内壁面冲击载荷的确定是一个 流固耦合问题。由于流体域和固体域不能单独求解，求解过程比较复杂【3 1 1 。如 果能将流固解耦分别计算，能使问题大大简化。按照是否考虑流固耦合作用，爆 炸容器冲击载荷的数值计算方法可以分为两类，第一类方法是解耦计算方法，即 不考虑壳体变形的影响，把容器内壁视作固定刚性壁面计算壁面冲击载荷：第二 类方法是考虑壳体变形影响的流固耦合计算方法。 第一类方法是由a f d e m c h u k 于1 9 7 1 年提出的【3 2 】，他认为壳体弹性变形 导致的容器几何尺寸变化很小，从而对内部爆炸流场的影响很小，与固定刚性壁 面相比壳体弹性变形对爆炸载荷比冲量的减小只有0 5 、对反射超压峰值的减 小只有1 ，因此建议先将容器壁当作固定刚性壁解耦计算壁面爆炸载荷，然后 计算该载荷作用下容器壳体的动力响应。b a k e r 等【3 3 】也认为在处理空气冲击波载 荷时可以将结构看作刚体，因为冲击波的传播介质空气和绝大多数结构材料之间 的密度和声阻抗相差很大。s a z m a n ( 1 9 8 1 ) 【3 4 1 、r r 1 妇r p p ( 1 9 8 3 ) 【3 5 1 、段 卓平( 1 9 9 4 ) 【3 6 1 、朱文辉( 1 9 9 7 ) 【3 7 1 、钟方平( 2 0 0 0 ) 【3 引、曹玉忠( 2 0 0 1 ) 【3 9 1 、 管怀安( 2 0 0 4 ) 【帅】等在采用有限差分法进行了球形或圆柱容器内部爆炸流场数 值计算时，都采用了固定刚性壁面假设。此外，美国s n l 和l 帆开发的基于 有限差分法的爆炸流体动力学计算软件c t h 和m s a 【4 1 4 2 1 ，商业动力学软件 d y n a n 【4 3 1 、计算流体动力学软件f l 切三n t 】、c f x 【4 5 噜也可用于计算固定刚 性壁面爆炸载荷。 第二类方法是考虑壳体变形影响的流固耦合计算方法，因为也有研究成果表 明不能轻易忽略流固耦合作用的影响，即使是处理瞬态动力学问题。陈志林 ( 1 9 8 4 ) 1 4 6 】研究了运动刚性壁面对空气冲击波反射超压的影响，研究结果表明 壁面运动速度和方向对反射超压有明显的影响，当壁面与冲击波运动方向相同时 动壁反射超压小于固定刚性壁面反射超压，当壁面与冲击波运动方向相反时动壁 反射超压大于固定刚性壁面反射超压，且壁面速度越大影响越明显。f c 勰a d e i 9 浙江大学硕士学位论文 ( 2 0 0 1 ) m 认为，当结构内装不可压缩流体时解耦计算方法将会大大高估结构 变形，内装介质为可压缩性气体时结构大变形也可能对瞬态流场产生显著影响， 因此需要对解耦计算结果进行评估以避免潜在的严重后果。张亚军( 2 0 0 3 ，2 0 0 7 ) 【4 8 - 4 9 】对圆柱容器内爆炸载荷进行了流固耦合数值模拟，结果表明由于少量装药 产生的冲击波强度低、壳体变形小，流固耦合作用对爆炸流场影响很小。但是， 他没有研究壳体大变形情况下流固耦合作用对爆炸载荷的影响。n k 锄b o u c h e v ( 2 0 0 6 ，2 0 0 7 ) 【5 0 5 2 1 研究了空气冲击波和无约束板的流固耦合作用，结果表明空 气的非线性压缩性效应会增强冲击波和结构之间的相互作用，使得作用在结构上 的冲量明显减小。a v 如i r i ( 2 0 0 7 ) 1 5 3 l 利用n k a 功b o u c l l e v 提出的理论，研究了 金属三明治板与强空气冲击波的作用，结果表明流固耦合作用使得作用在板上的 冲量减小1 0 也0 。迄今能够考虑流固耦合求解爆炸冲击载荷的商用软件有 l s d y n a 、a n s y s l s d 呵a 、a u l o d y n 等【5 4 ，5 5 1 。图1 1 2 为利用非线性动 力有限元软件a n s y s l s d y n a 计算的壁面反射压力与实验数据的对比。 口柚哪鞠啪 n m 啪矗 图1 1 2l s d 雌计算的壁面反射压力 1 2 2 壳体动力响应 与静载荷和准静载荷下的结构响应研究相比较，爆炸冲击动载荷下的结构动 力响应涉及到两类动态效应，即惯性效应和应变率效应【5 6 1 。爆炸容器的动力响 应必须考虑惯性效应，这是它不同于一般压力容器的另一个显著特点。 爆炸冲击载荷具有在短暂时间尺度上发生载荷显著变化的特点，必定同时意 味着高应变率。w e b a l ( e r ( 1 9 8 7 ) 等【3 3 1 认为在与爆炸有关的动载荷作用下，材 l o 黝 跚 啪 瑚 柚 。 管苫蓍昼20 浙江大学硕士学位论文 ( 2 0 0 6 ) 等1 8 3 蚓认为薄膜振动和弯曲振动之间的相互转换导致了应变增长现象 的产生，并进一步利用动态弹性屈曲理论得出了爆炸容器振动的不稳定性是应变 增长现象产生的原因的结论。 1 2 4 研究中存在的主要问题 单层圆柱形爆炸容器壳体的动力响应已经有大量的实验报道和理论分析，但 却缺乏数值模拟方面的研究。 1 3 本文研究内容 1 3 1 课题来源 本文在国家自然科学基金的资助下，对单层圆柱形爆炸容器在内部爆炸载荷 作用下壳体的动力响应进行了实验研究和数值模拟方面的研究。 1 3 2 主要内容 本文完成的主要工作内容是： ( 1 ) 对一台单层圆柱形爆炸容器进行了4 个不同药量n 汀的实验研究，通过 对实验结果的分析，得到了壳体爆心环面的环向应变和轴向应变的分布特点，并 在壳体的其它位置观察到了应变增长现象； ( 2 ) 利用非线性动力有限元软件l s d 蛆对实验容器进行了数值模拟，将 得到的结果与实验结果进行比较研究。 ( 3 ) 对一定尺寸的椭圆封头圆柱形爆炸容器进行了数值模拟，研究了不同药 量、法兰、封头形式和阻尼对壳体动力响应的影响； 对单层圆柱形爆炸容器在内部爆炸载荷作用下壳体的动力响应进行了实验 研究和数值模拟方面的研究，旨在通过分析爆炸容器的动力响应行为，为其他类 似爆炸容器的设计研究提供参考。 浙江大学硕士学位论文 第2 章圆柱形爆炸容器壳体动力响应的实验研究 实验研究是容器振动特性分析的最重要环节。在理论分析时为求解方便，对 相关公式以及边界条件做了一定的简化处理，如将爆炸载荷及作用时间进行等效 处理，将振动频率视为常数等。这些处理可能会导致计算结果和真实情况有所差 异。而进行计算机数值模拟时，因材料常数主要来自大量的实验和相关资料，这 些常数都要根据实验条件、实验方式、计算方法等的不同修正，而且并不能完全 代替实验研究。因此，只有通过实验，才能验证理论分析和数值模拟的结果，才 能全面考核容器的动力学响应，而实验结果也更有说服力。 2 1 实验容器 实验中使用了一台材质为2 0 群无缝钢管的长圆柱结构容器，容器的结构如下 图，是由筒体、顶盖、底盖组成，底盖和简体之间由法兰连接。钢管内径巾为 1 5 0 姗，壁厚h 为1 8 5 n u n ，容器总长1 3 2 0 衄，其中筒体长度l 为1 0 0 0 衄， 容器顶盖和底盖的厚度分别为4 0 m m 和1 2 0 衄。顶盖和底盖上都配有孔道，分 别用来安装炸药和实验结束后气体和液体的排出。 4 图2 1 实验容器结构图 1 螺栓；2 顶盖；3 法兰：4 筒体；5 底盖 1 5 浙江大学硕士学位论文 引爆8 群军用电雷管后起爆) ，放置于容器筒体的中心部位用细绳悬挂固定。实验 时上紧简体平板法兰，容器内部处于密封状态。通常情况下，因在整个容器的各 部位中简体中截面部位离爆心最近，是承受爆炸载荷最大的部位，也是实验安全 最为关心的部位，所以本实验着重对爆心截面部位的应变进行测量。应变测量在 爆心截面部位共设4 个测点共8 个信号，彼此夹角9 0 。，分别用于测量轴向应 交和环向应变，同时在距容器爆心环面1 4 4 m m 处布置一测点e ，如图2 3 。由于 炸药爆炸和容器受到冲击波作用的响应过程是一个极其短暂的过程( m s 范围 内) ，在动力响应的测量中温度几乎没有影响，所以在实验中不需要考虑温度补 偿问题。各位置上应变的测量都在互相垂直的两方向上进行，在主体上即为沿轴 向和环向两个方向。所有的应变片都在严格的粘贴工序下粘贴在容器外壁上。应 变片的位置分布如图2 3 。 i 2 3 环向应变 2 3 1 实验测量结果 图2 3 测点布置图 c - d ( e ) 测试信号中携带着人们所需要的有用信息，也常包含有人们不感兴趣的其他 信息，后者被常被称为干扰噪声，它在测试过程中不可避免地渗入测试系统的。 对测试信号的分析处理，例如：滤波、调制、变换、增强、估值等，就是对信号 的加工变换，其目的是改变信号的形式，便于分析和识别：滤除干扰噪声，提取 有用信息，便于对所研究的事物做出估计。现在，在很多数据处理软件上都提供 了数字滤波( f f tf i l t e r ) 功能，实际上这种信号处理功能起到了一个滤波器的 作用，能够使信号中特定的频率成分通过，而抑制或衰减其他频率成分。对频域 浙江大学硕士学位论文 函数进行处理和运算【8 5 1 。 o r i g i l l 数据分析处理软件就具有这种数字滤波功能。o r i g i i l 提供了低通( 1 0 w p a s s ) ，高通( h i g h p 弱s ) ，带通( b 孤d p 雒s ) ，带阻( b a n d b l o c k ) 和门限( 也r e s h o l d ) 五种数字滤波器。其中低通是专门用了消除信号中高频噪声频率成分的滤波器。 o r i g m 用式( 2 1 ) 计算其缺省的截止频率【嘲。 1 正= l o 去 ( 2 1 ) p e r l o u 式中，石指截止频率，严，如d 指信号持续的时间。 将信号进行f f t 变换时会存在频混( 即频谱混叠效应，是一种将时域信号 转换成频域信号时出现的高低频成分发生混淆的一种现象) 和漏频( 将时域信号 转换成频域信号时在频域中产生附加的频率成分的现象) 效应。所以，为避免通 过滤波后的信号频谱出现频混和漏频效应，在信号做低通处理时应该按式( 2 2 ) 选择截止频率。 z 2 厶 ( 2 2 ) 式中厶为信号的基本振动频率。 实验的起爆系统和内部结构组件深深地装在壳体内部，雷管起爆脉冲电压很 高，脉冲电流很大，内部结构组件也要加很高的脉冲电压。这些脉冲高压大电流 产生很强的瞬变电磁场给测量系统耦合很强的电磁干扰信号，瞬间温度变化对测 试系统的影响也很大。爆轰时的应力波应变信号在时间上与非力学效应的强干扰 信号混在一起且应力波应变弱电信号又是长距离传输，因此必须克服多种强电磁 干扰并存的测试环境给超动态应变弱电信号测试带来的强噪声干扰影响。从实测 应变波形可以看出，应变信号受到这种干扰，所以为便于分析必须进行滤波处理。 对实验得到的应变信号进行观察，可以发现，信号的频率基本在1 1 z 左 右，所以结合式( 2 2 ) ，截止频率选择为3 0 z ，应用o r i g i l l p r 0 7 5 软件进行处 理，a 、b 和d 点的环应变波形图以及每个药量所得到的爆心环面环应变实测结 果平均值，如图2 4 一2 7 所示： 溉泼大学磺学使论文 o oo 。51 oi 罨塞妻垂雪i 三毒垂 哮周吾蓄l ； 塞薹茹 童i誊季| ? 圣i ：萋匡。譬 画昌圣，妻荤；疆囊薹，霎囊； 萋基嘉 薹藿鼍妻l = 薹i 一至j 主 薹。至三二圣皇毒考三至，耋委尊 蕈i 螫墓 i 耄 一删 1z主|托 一旧j w 滁懈 ( 初始) 应变值见表2 1 。 激泼大学磺圭学像论文 o o o o oo 51 o 52 o2 53 o t ( m s ) 图2 45 0 9 t n t 的实验结果 o12345 67891 0 t ( m s ) o123456789 t ( m s ) 一山)ui暑 (9山。：ul墨is 浙江大学硕士学位论文 岛 ： 薹主 蒸 譬 l 委 ! 囊 璧! j 童i 囊 熹l；三妻 耋雪主主薹 蠢l 薹耋i 至l童三麦备至要=姜 ) = i 羹妻i 至il主三 孽|耋喜毒 垂! ；垂i 雾堑。耄i 塞雾振奏藿薹茎蓁雾蓁 | 詈 删 壬 燃 曷 世 隆 孔 删蛳 州 。 能 姆 峪 删j懈 浙江大举硕士学位论文 6 岂枷 c 黑2 0 0 o 山 o 兰 母 苗 0 o1234 56789 t ( m s ) o123 456789 t ( m s ) o123456 789 t ( m s ) 鼢 啪 枷 瑚 。 瑚 枷 枷 朔 (9山：ulels 啪啪啪椭狮啪啪啪椭瑚。抛枷枷 浙江大学硕士学位论文 1 2 1 o o o 4 掣2 ￥o 罢姗 枷 舢 舢 1 o 1 o 2 3 2 分析与讨论 图2 。72 0 0 9 t n t 的实验结果 对实验结果的分析包括两方面内容，一是对应变波形本身的分析；二是对波 形的频谱分析。通过这两方面的分析，可以全面了解该容器的振动特性，较好地 掌握其振动规律。 从5 0 9 ，1 0 0 9 、1 5 0 9 和2 0 0 9 t n t 的环应变的波形特征看，在容器结构发生 振动的初期，不同药量耵盯时壳体爆心环面均表现出良好的膜应力状态，且随 后都出现了应变幅度的非周期性消涨，不同测点的应变峰值和波形特征表现出了 一定程度的非轴对称性质。应变先被拉伸而后又被压缩，如此反复多次。但在这 种过程中，尽管也有应变跳变发生，但该位置的应变总是在第一个消涨过程中达 到最大值，其后的应变虽也有类似的消涨特征，但应变的最大值均不超过起始过 程的最大应变，即没有出现“应变增长 现象。朱文辉【6 9 】曾经在实验研究中发 现，长径比为1 ：1 的椭圆封头圆柱形爆炸容器爆心环面位置没有出现应变增长 现象，而长径比为2 ：1 的相同结构容器爆心环面处在实验过程中却出现了应变 增长现象，说明容器的长径比是影响圆柱形爆炸容器壳体动力响应的一个重要因 素。本课题实验时所用的容器长径比约为5 3 5 ：1 ，远大于2 ：l ，而容器爆心环 面却没有出现应变增长现象，说明应变增长现象是在一定的长径比范围内出现 了，小于或大于这个范围，圆柱形爆炸容器爆心环面都不会出现应变增长现象， 所以，在实际爆炸容器设计过程中，应该适当的选择容器的长径比，避免应变增 浙江大学硕士学位论文 f 俜q u e n 何k 哟 opn=置 浙江大学硕士学位论文 从频谱图上还可以看出，5 0 9 耵盯当量时的振动最大幅值为1 5 ，1 0 0 9 时为 4 5 ，1 5 0 9 时为6 5 ，2 0 0 9 时为1 4 0 ，这说明随着药量的增加，振动幅值将会增加， 这也标志着容器吸收的振动能量会增加。因此，对于确定的容器半径和容器壁厚， 药量越大，应变就越大。 从对单层圆柱形爆炸容器壳体动力响应所做的频谱分析可以看出，对振动起 主要作用的还是固有频率的基频，即容器壳体以呼吸振动为主，基频及其附近对 爆炸能量的消耗最大，应变也最大，而其他频率成分对能量消耗很少，对应变的 增加贡献很少，进一步来说这种单一的振动模态不会导致爆心环面出现应交增长 现象。 2 4 轴向应变 2 4 1 实验测量结果 由实验测得的轴向应变波形图可以看出，轴向应变也受到了同样的干扰影 响，因此对轴向应变也要做滤波处理，处理后的波形图如下： 浙江大学硕士学位论文 o o123456789 t ( m s ) 0123456789 t ( m s ) o123 56789 t ( m s ) 图2 91 0 0 9 1 n t 轴向应变 2 9 一山oc一芒笛 瞄 啪 啪 枷 猫 。 锄 棚 枷 枷 一田山)ui窭is 啪椭瑚咖眦蛳椭瑚。栅枷枷埘啪瑚 i -1 1 山：ui罂苗 浙江大学硕士学位论文 2 4 2 分析与讨论 由图2 9 所示各个药量下圆柱形容器简体爆心环面的轴向的成分囊筝耋舀薹 腻蓁；作溘隔浙捅叫琦垂菥薹编衙赫醋蓁积鞋群刚“型豢；抓藿衙淄茎茎薹i 茧再 王翼坚童肴猫吲j 赤窖慧酶羹嚷馕薹撕群匡引融；捅奏泰蓑；娶曼型鏊瞪霹 边蟪，攫犁生型蓁蓊话甄襄爹号陆铞副掳强秽静醴【掣型；曙罂罂耋壁蓄紧劐 善蠢蓁袋玉剥薹撰薹驾一型主 要贡献的还有低频范围内一个大 小为1 6 z的频率，且随着药量的增加没有改变这个频率的幅值( 都在4 0 h z 左右) ，说明它对轴向应变的影响不随药量大小发生变化。仔细观察频谱图还可 以发现，随着药量的增加，低频对轴向应变的影响在减小，但是会出现其它频率 成份来代替低频从而对轴向应变产生影响，而且随着药量的增加，这些频率有逐 渐向容器壳体呼吸振动频率靠近的趋势。 2 5 容器壳体上其它点的应变 单层圆柱形爆炸容器壳体的动力响应不仅包括壳体爆心环面处的振动特征， 浙江大学硕士学位论文 f r e q u e n c y ( k h z ) f 阳q 婀i n c y ( k h z ) f r q u e n c y ( k h z 图2 1 0 各个药量下轴向应变的频谱图 3 1 浙江大学硕士学位论文 由图2 1 0 所示，对轴向变形典型曲线所作的傅立叶分析表明有更多种频率 的成分参与了实际振动且贡献不相上下，因而其响应频谱不像前面分析的环应变 那样集中在某一窄带内并由少数几个孤立的离散值组成，而是分布在一个很宽的 频域内。从频谱图上可以明显的看出，参与轴向振动的频率除了呼吸振动频率 1 0 3 z 及其左右几个离散频率外，对振动做主要贡献的还有低频范围内一个大 小为1 6 z 的频率，且随着药量的增加没有改变这个频率的幅值( 都在4 0 h z 左右) ，说明它对轴向应变的影响不随药量大小发生变化。仔细观察频谱图还可 以发现，随着药量的增加，低频对轴向应变的影响在减小，但是会出现其它频率 成份来代替低频从而对轴向应变产生影响，而且随着药量的增加，这些频率有逐 渐向容器壳体呼吸振动频率靠近的趋势。 2 5 容器壳体上其它点的应变 单层圆柱形爆炸容器壳体的动力响应不仅包括壳体爆心环面处的振动特征， 容器其它点的振动也应该加以研究，以了解在内部动载荷作用下，圆柱形爆炸容 器整体的振动特性。 2 5 1 容器上e 点的应变 对e 点的测量数据也做相同的滤波处理，处理后的波形图如图2 1 l 所示。 o 山 o 兰 巴 笛 01234567891 0 t ( m s ) 3 2 椭弓啪啪啪枷抛。瑚枷枷枷瀚批 浙江大学硕士学位论文 d 山 o 兰 芒 苗 o123 456789 t f m s ) o123 4567891 0 t ( m s ) o 123567 89 t ( m s ) 图2 1 le 点的应变波形图 3 3 1 0 o 啪 啪 枷 枷 善 。 瑚 埘 枷 删 啪 啪珊瑚啪啪啪枷瑚o|邑枷枷啪啪 伽抛啪啪啪枷瑚。狮枷枷脚啪瑚 (9山1)ulel窖 浙江大学硕士学位论文 可以看出，e 点在内部爆炸载荷的作用下也出现了明显的应变幅度的非周期 性消涨现象，与相同n 盯药量下的爆心环面的环应变波形图相比可以看出，e 点的应变幅 掣采耋，淄墟雾劂豳黝翻鲁羹窿爷陵k 氟蓁。轴鲞囊频带范围两黢塞贬玉话语； 甄量酌增加冀管垢萃威硌对应蚕蓁蓠雾耋圉潍强篓荦劣隘随着药量的增加，其它频率成份对应变的贡 献越来越小，但主频范围内的频率幅值越来越大，对应变的贡献越来越大。对比 图2 8 所示的频谱图可以看出，图2 8 中起主要作用的频率虽然 也集中在这个频 带范围内，但只是这个范围内少数的几个离散值，而图2 ，1 3 中在这个频带范围 内的频率成份明显多于图2 8 的，说明对于e 点应变有贡献的应变e 点应变有贡献的应变成份除了壳体。口：董a v x 浙江大学硕士学位论文 变本身的幅度却在增大，所以对于应变增长现象的研究应该综合考虑。 2 5 2e 点应变的f f t 变换 容器筒体上e 点环应变出现了应变增长现象，所以对该点的应变进行傅立 叶变换分析，分析所得的频谱图如图2 1 3 所示。 f n e q u e n 叫( k h z ) f n q u e n c y ( k h z ) f n 鸣n 斜( 1 h z 3 5 o口j董e 浙江大学硕士学位论文 薄膜振动频率，还有少数几个与薄膜振动频率相互接近的弯曲振动频率，也正是 频率接近的不同振动模态的叠加导致了应变增长现象的发生。 2 6 本章小结 本章对爆炸容器简体进行了实验研究，根据应变的测量波形和应变的频谱分 布对不同药量作用下的简体动力学响应进行了分析，得出以下主要结论 ( 1 ) 通过实验得到了容器爆心环面的应变历程。实验发现，爆心环面出现呈 现出非严格一致的周期性消涨特征，但应变在第一个l 4 周期内就得到了最大值， 没有出现应变增长现象。 ( 2 ) 对单层圆柱形爆炸容器壳体动力响应所做的频谱分析可以看出，对振动 起主要作用的还是固有频率的基频，即容器壳体以呼吸振动为主，基频及其附近 对爆炸能量的消耗最大，应变也最大，而其他频率成分对能量消耗很少，对应变 的增加贡献很少。 ( 3 ) 圆柱形容器主体的轴向变形有更为复杂的响应特征。轴向应变曲线不像 环应变曲线那样光滑，而是具有明显的“毛刺”特征。可以看出，在相同n 汀 当量下，轴向应变的初始值总是小于同一位置的初始环向应变。对轴向变形曲线 所作的傅立叶分析表明有更多种频率的成分参与了实际振动且贡献不相上下，因 而其响应频谱分布在一个很宽的频域内。而且随着药量的增加，这些频率有逐渐 向容器壳体呼吸振动频率靠近的趋势。 ( 4 ) 实验研究还表明，离开容器爆心环面沿轴向其它点出现了应变增长现象， 随着药量的增加，应变增长系数在减小，应变最大值出现的也越早。分析表明这 些位置应变有贡献的应变成份除了壳体薄膜振动频率，还有少数几个与薄膜振动 频率相互接近的弯曲振动频率，也正是频率接近的不同振动模态的叠加导致了应 变增长现象的发生。 3 7 浙江大学硕士学位论文 形、大应变和大转动等问题。此外，还有e u l e r i 姐、a l e 描述法，可用于流体网 格划分和描述流体一固定结构的交接面等。 l s d 叮a 程序提供的材料模型类型有线性弹性模型、非线性弹性模型、非 线性塑性模型、非线性泡沫材料模型、需结合状态方程定义的模型、离散单元模 型和刚体材料模型等。可用来模拟各类工程应用材料，如各类弹性材料、弹塑性 材料、超弹性材料、泡沫材料、地质材料、玻璃、混凝土、土壤、复合材料、炸 药及引爆燃烧后的气体、刚性体等。相关的材料模型可描述材料失效、损伤、各 向异性、粘性蠕变、与温度相关、与应变率相关等性质。 l s d 蛆程序的全自动接触分析功能易于使用，功能强大。现有5 0 多种 类型可以求解下列接触问题：变形体对变形体的接触、变形体对刚体的接触、刚 体对刚体的接触、板壳结构的单面接触、与刚性墙接触、表面与表面的固连、节 点与表面的固连、壳体与壳面的固连、流体与固体的界面接触等，并可考虑接触 表面的静动力摩擦( 库伦摩擦、粘性摩擦和用户自定义摩擦类型) 、热传导和固 连失效等。这种技术成功地被用于整车碰撞研究、乘员与柔性气囊或安全带接触 的安全性分析、薄板与冲头和模具接触的金属成型、水下爆炸对结构的影响等 【8 3 1 。基于l s d y n a 强大的功能特点，本章将采用它对单层圆柱形爆炸容器壳体 的动力响应进行数值模拟。 3 2 爆炸容器壳体动力响应的数值模拟 应变增长是爆炸容器动力响应研究中的一个重要问题，早在1 9 7 6 年由 a a b 1 l 刁l k o v 例在实验中观察到圆柱形爆炸容器壳体中应变周期性增长现象，即 壳体在振动过程中，应变有周期性消长( 即应变跳变) 现象发生，且最大应变大 于初始应变的现象【7 2 1 ，随后v m k 0 m e v 【8 0 】以及许多研究者证实了这一现象的存 在。大量实验证明爆炸容器壳体振动的最大变形通常出现在载荷作用停止以后某 个时刻，的大小从几十到几百微秒不等，与具体结构有关，因此在爆炸 容器的设计上必须充分考虑这个因素，并努力寻求如何控制应变增长。 3 2 1 有限元建模 在第二章中对一台内径由为1 5 0 衄，壁厚h 为1 8 5 衄，容器总长1 3 2 0 衄， 其中简体长度l 为1 0 0 0 衄的容器进行实验研究表明，实验时所用的容器长径 3 9 浙江大学硕士学位论文 比约为5 3 5 ：l ，远大于2 ：l ，而容器爆心环面却没有出现应变增长现象，说明 应变增长现象是在一定的长径比范围内出现了，小于或大于这个范围，圆柱形爆 炸容器爆心环面都不会出现应变增长现象。在实验过程中，由于具体的实验条件， 如：测量仪器的灵敏度低等可能导致实验出现一定的误差，所以有必要采用有限 元数值模拟的方法，来考察在理想实验条件下容器的动力响应，并与实验数据进 行对比，一方面用来验证数值模拟方法的正确性，一方面找出实验和数值模拟结 果之间的差异。 3 2 2a l e 算法 目前在l s d 妊软件中具有l a g r a n 百a l l ，e u l e r 和a l e 种算法f 8 6 1 。l a 乒a n 舀蛆 算法多用于固体结构的应力应变分析，这种方法以物质坐标为基础，其所描述的 网格单元将以类似“雕刻一的方式划分在用于分析的结构上，就是说采用 l a 伊吼百a n 方法描述的网格和分析的结构是一体的，有限元节点即为物质点。采 用这种算法时，分析结构的形状的变化和有限元网格的变化完全一致的( 因为有 限元节点就为物质点) ，物质不会在单元与单元之间发生流动。这种算法主要的 优点是能够非常精确地描述结构边界的运动，但当处理大变形问题时，由于算法 本身特点的限制，将会出现严重的网格畸变现象，因此不利于计算的进行。e m e r 算法是以空间坐标为基础，使用这种方法划分的网格和所分析的物质结构是相互 独立的，网格在整个分析过程中始终保持最初的空间位置不动，有限元节点即为 空间点，其所在空间的位置在整个分析过程始终是不变的，在整个数值模拟计算 过程中，各个迭代过程中计算数值的精度是不变的，可以很容易处理物质的扭曲 和大变形。但当运动界面引入非常复杂的数学映射时，将可能导致较大的误差。 任意拉格朗日欧拉( 舶h a r y l a 铲强酉姐- e l l l 丽孤，简称a l e ) 多物质算法 最初出现于数值模拟流体动力学问题的有限差分方法中，这种方法兼具 l a g 啪g i 锄算法和e u l e r 算法二者之长，即首先在结构边界运动的处理上，他引 进了l a g m 】 1 9 i 粗算法的特点，因此能够有效地跟踪物质结构边界的运动；其次在 内部网格划分上，它吸收了e l l l e r 的长处，使内部网格单元独立于物质实体而存 在，但它又不完全和e m e r 网格相同，网格可以根据定义的参数在求解过程中适 当调整位置，使得网格不致出现严重的畸变。这种算法在处理大变形问题时非常 有利，使用这种方法允许同一单元中同时两种物质，即网格与网格之间的物质是 浙江大学硕士学位论文 可以流动的，所以它可以解决流体固体耦合的动态分析【8 3 1 。 3 2 3 炸药、空气及简体材料的数值模拟 爆炸容器在内部爆炸载荷的作用下产生运动和变形，其运动和变形又反过来 影响爆炸载荷，这是一个流固耦合问题。因为a l e 算法允许同一单元中同时存 在空气和爆炸产物两种物质，所以炸药和空气单元采用a l e 多物质算法，圆柱 简体采用拉格朗日算法。a l e 网格和圆柱简体网格通过共用节点连接，在运动 界面上a l e 网格节点随简体移动，离开界面一定距离a l e 网格节点固定在空间 不动，通过这种方式实现流体域和固体域的耦合。 炸药单元采用+ m a th i g h 互l o s e 切必模型，炸药爆速取 6 6 2 6 5 n 以，爆压取1 7 6 g p a ，采用m 凡状态方程描述爆轰过程压力和内能及相对 体积的关系，该方程如下： 一爿刈卟卦等 式中y 为比容，e 为炸药产物比内能，参数4 、占、r j 、飓的值取自文 献【8 7 】，彳= 3 7 3 g p a ，庐3 3 3 g p a ，国= 0 2 8 ，r j = 4 1 5 ，天尸0 9 5 ，初始比内能为 6 4 m m 唱。 空气单元采用m a - tm ，l 材料模型，密度取0 0 0 1 2 9 9 c m 3 ，初始比内能为 o 3 5 k 肌g ，采用理想气体状态方程，多方指数y 取1 4 ，在l s d 蛆软件中可 以通过以下线性多项式状态方程描述： 尸= c o + c l + c j 2 + c 3 3 + ( c 4 + c 5 + c 6 2 归 其中 = 1 肛1，e 为 空 气 比 内能 。 取 q = c ，= c ：= c 3 = c 6 = 0 、c 。= g = 厂一1 时，该方程可以描述理想气体状态方 程。筒体和封头采用各向同性弹性模型，不考虑应变率和应变强化效应。 3 2 4 网格划分及边界约束条件 因为圆柱形爆炸容器具有轴对称特性，故模型采用l 8 实体建模。模型分为 三个部分，第一部分为中间的炸药单元，其次向外为较大空间的空气单元，最外 层为钢质的容器壁。有限元模型如图3 1 所示。 浙江大学硕士学位论文 0 234567891 0 t ( m s ) 图3 2 爆心环面