（工程力学专业论文）水下爆炸实验安全塔强度设计及隔振技术研究.pdf

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年出版了 水下爆炸一书。该书总结了当时有关水下爆炸实验及理论研究的主要成果， 介绍7 水下爆炸现象、物理化学变化特性、水下爆炸载荷传播及分布特点、水 下爆炸实验研究方法及水下爆炸载荷测试技术，成为水下爆炸早期研究最全面 和最有价值的成果。 气泡脉动表征炸药水下爆炸的准静态作用。虽然最大脉动压力仅为冲击波 峰值压力的l o 一2 0 ，但由于脉动持续时间通常达到毫秒或秒量级，使得其冲量 和能量可以与其对应的冲击波产生的冲量和能量值相比较，成为有效破坏水中 目标的又一种爆炸载荷，因此在水下爆炸研究中始终占据着重要地位。 硕十学位论文水下爆炸实验安全塔强度设计及隔振技术研究u s t c r a m s a u e 一最早利用液电探针法确定了气泡表面的情况和第一次最大半径时的 气泡运动曲线；w o o d s h o l e 实验室。在此基础上对各种小药包在不同深度产生 的气泡半径与时间变化关系进行了较为系统的研究，描述了爆炸气泡在无限水 域以及自由表面和刚性壁附近的运动特性；e l “d g e 和s w i 1 的水下快速摄影第 一次真实地记录了爆炸气泡的产生、发展、塌缩、形状变化的全过程。从观测 中总结出来的气泡运动特性的结论成为所有气泡理论的基础；e w i n g 和c r a r y ! 首次利用实验证实了气泡脉动周期与流体静压力的理论关系，后来经过w i l l i s 等 人的完善，形成了计算气泡周期的w i l l i s 公式。 同期，前苏联和捷克的研究者也取得了许多水下爆炸的研究成果。鲍姆、 萨多夫斯基、斯坦纽科维奇、雅可夫列夫等h 1 对水中冲击波的传播、界面反射、 透射等爆炸流体动力学问题进行了系统的研究。 2 0 世纪8 0 年代以后，随着科技的进步，各军事强国对水下爆炸的实验研究 以及数值模拟研究再一次重视了起来，1 9 9 2 年秋，意大利利用退役的“e xm a r g o t t i n i ”号驱逐舰，进行了6 次全尺度不同强度的水下爆炸实验，获得了整船及 加筋板，在水下爆炸载荷作用下动态响应分布情况n 1 ；同时还对一艘2 5 0 0 吨级驱 逐舰进行了实船水下爆炸实验，获得了舰船在振荡效应下的振型和频率1 ；2 0 0 5 年4 月，美国为了提高新一代航母防御水下攻击的能力，投入2 2 0 0 万美元的实验 费用，对退役的“美洲 号航母在离大西洋海岸4 8 0 公里的区域内进行了水下爆 炸实验研究；r 锄a j e y a t h i l a g 唧n 研究了水中冲击波对有自由面的金属放板的 破坏作用，建立了大变形破坏、撕裂破坏和剪切破坏三种破坏模型，并且通过 实验和数值模拟验证了理论型的正确性：文献 8 通过实验和数值模拟的方式， 研究了应变率不敏感的铝板，在一边是自由面的情况下，受到水中爆炸冲击波 作用时的弹性变形情况。 2 0 世纪8 0 年代以束，国内对水下爆炸的理论研究也取得了丰硕的成果。吴 有生等胎1 应用能量法提出了一种适用于非接触爆炸条件下，单向加筋的船体板架 塑性变形的能量公式，公式考虑了大变形时的应变关系及中面膜力的影响，并 对国内外的有关实验进行了计算比较，验证了其可靠性。刘士光等n 伽采用能量 方法及刚塑性结构模型，导出了加筋板的静力极限变形机构的形式及判别条件， 并利用j o n e s s a w c z u k 控制方程导出了在指数形式爆炸载荷作用下，加筋板塑 性动力响应的持续时问及最大残余变形的表达式，其理论分析与a d i n a 程序数值 计算结果较为吻合。张效慈等“门在研究水下潜器结构的动态响应时，对深水爆 2 硕士学位论文水卜爆炸实验安全塔强度设计及隔振技术研究 u s l 立了一维壳体弹性振动方程和弹塑性振动方程，并求出了载荷形式为线性衰减 的壳体运动的弹性及弹塑性解；y i y u a ny u 刚建立了央心圆柱壳的弹性振动的方 程，并推导出了它们的解：对于任意形式的载荷或多次循环载荷，文献 1 7 给 出了有限长圆柱壳的动念振动方程，文中考虑了边界条件的影响，得到了方程 的本征函数解。s a z h d a n n 棚还给出了圆柱壳体产生共振的条件：b u z u k o v n 鲥 发现爆炸容器的柱壳最大振幅并不是发生在爆炸冲击波作用的过程中，而是在 冲击波之后发生，并称之为应变增长现象。 国内近年在空气介质的爆炸容器壳体响应方面也进行了大量的研究，如段 卓平系统分析了爆炸容器设计的基础理论，实验研究了不同填充结构圆柱壳体 对爆炸载荷的响应，并应用不同的程序模拟了爆炸载荷和壳体的响应1 ；朱文 辉等利用转动惯性和横向剪切的薄壁壳理论，揭示了薄壁圆柱形爆炸容器应变 增长的机理乜；钟方平等对内容器和外容器间有支撑环的双层圆柱形爆炸容器 的动力响应进行了实验和理论研究心2 | ：胡八一对长期使用的爆炸容器壳体内爆 炸载荷和壳体的应变进行了实验测试，并用有限元动力分析程序分析了壳体的 动态应力。 总结以上文献可见，国内外有关空气介质爆炸容器设计的一般方法是：用 空气中点爆炸自模拟解和强激波条件，近似汁算爆炸载荷特征参数( 如峰值、上 升时间、持续时问、衰减特性等) 或用通用有限元软件中的欧拉法计算出爆炸载 荷作用的时间历程，然后用等效静载法将动载荷转化为静载荷，并用动强度代 替静强度，再按传统压力容器设计方法进行设计和强度校核，最后通过实验研 究来评估容器的安全性。虽然空气和水都为流体介质，但出于水相对于空气具 有可压缩性小，对爆轰波能量传递效率高等特点，所以空气介质的爆炸容器设 计理论不能直接用到水下爆炸实验容器的设计中，而必须根据水下爆炸理论对 其作一定的修正和调整才能运用。 4 图1 1 臼然条f ，| ：卜水卜爆炸实验场示意图 硕十学位论文第一章绪论u s t c 水下爆炸实验所利用的水域一般可为三类，第一类是自然条件下的水下爆 炸场地，这种场地建设费用少，可进行大药量水下爆炸实验，实验情况与实际 情况相同，但是其受地理位置和自然环境的影响大，不适合做小药量模型实验， 实验运行费用高，实验数据采集困难，实验条件难以控制，实验结果的再现性 差，且会对水资源造成一定的污染，对水生物也会造成一定的伤害。如大连海 军舰艇学院的海岸水下爆炸实验室就是这种实验场地。 第二类是人工建造的大型水下爆炸实验水池。为了更好的模拟炸约在无限 水域爆炸的情况，消除角反射的应力集中和不规则反射冲击波对流场的干扰， 这类水池一般建造为球缺或椭球面封底的柱形结构。它受自然条件影响小，实 验数据采集方便，适合做小药量模型实验，实验条件与现实情况比较接近，实 验结果的再现性好。但是，其建设占用场地大，建设费用高，维护困难，实验 运行费用昂贵，爆炸产生的地震波难以消除，对周围其他建筑设施影响较大。 如中国物理研究院流体研究所的爆炸实验水池，它是一个直径8 0 米，深1 5 米 的椭球面封底的柱形结构。以上这两种实验场地由于受到地理位置和建设经费 的限制，在国内数量较少。 图1 2 人型水卜爆炸实验水池 第三类为最常见的水下爆炸实验水罐( 塔) ，口径通常为3 l o 米，深3 8 米，有地上和地下两种类型，地下的边壁多为钢筋混凝土结构，这一类型的水 池建设费用低，占用场地少，使用安全，对建造时的设计要求低。但是所能承 受的爆炸实验药量小，易受到实验炸药的损伤，使用寿命短，爆炸产生的地震 波对周围建筑设施有一定的影响。地上的一般是用钢板卷制成的薄壁圆柱壳型 结构。这种类型与地下的相比所需建造费用略高，刈。设计要求高，若设计和使 用不合理易产生危险，但它对炸药破坏作用的抵抗力强，不易损坏，维护费用 5 一_ 一 凌 。曩曩_ 硕十学位论文水卜爆炸实验安全塔强度殴计及隔振技术研究u s t c 少，使用寿命长，实验仪器便于安放，实验数据便于采集，实验外部条件可控 性强，实验样品回收方便，易于采取一定的隔振措施消除爆炸产生的地震波对 周围环境的影响，通过一定的优化设计，可以使实验爆炸的药量达到公斤量级。 这种水下爆炸实验容器是水下爆炸实验较常用的方式。 幽1 3 地上式水卜爆炸实验水罐 有关地上式水介质爆炸容器强度设计研究较少，从查阅的文献来看，与只 相关的内容主要有以下几个方面。文献 2 4 】利用声学近似原理，采用镜像法分析 了柱状水容器直径、注水深度、装药位置、容器顶、底面以及侧壁约束等对水 压爆破冲击波产生的最大超压及冲量的影响，但并未研究桶壁应变与炸药药量 及爆炸距离的关系。文献 2 5 】应用l s d y n a 动态有限元软件和实验对内部爆炸 作用下丌水罐内部爆炸冲击波的动念分布进行了研究，并指出基于峰值反射 压力的压力容器殴计标准并f i 适用于爆炸实验水罐的设计，文中重点研究了爆 炸冲击波对水箱的举升作用，但并未论述炸药药量与壁部应变的关系。文献 2 6 依据t a y l o r 的壳体破碎理论，利用圆柱壳在破碎时轴向和周向应力为零，径向 应力达到屈服应力的假设，推导了壳体水压爆破中炸药药量与可破坏壳体壁厚 的关系，此关系不能用于判断壳壁最大弹性应变与内爆炸药药量的关系；文献 2 7 】 把作用在壁部的爆炸载荷等效成薄壁壳所获得的冲量，运用薄壁壳理论，推导 了薄壁壳的破坏应变与炸药药量的关系，但并未考虑壁部向外运动时在水中产 生的稀疏波对壁部向外运动的影响，计算结果远远大于实验结果；文献 2 8 】将水 中稀疏波作为壳壁在爆炸冲击波的作用下向外震动的阻尼，但忽略了水、壁l 日j 空化作用对水中稀疏波的影响，高估了水中稀疏波对壳壁的阻尼作用，使计算 得出的壁部应变小于实际应变值。 减小爆炸实验水罐( 塔) 的壁部震动，可以增长期使用寿命，减少水下爆 6 硕士学位论文第一章绪论 u s t c 炸实验地震效应对周围环境的影响，是水下爆炸实验容器使用当中有待解决的 一个难题。张立等瞳州对地上圆柱形爆炸实验水罐在实验中引起的地面振动进行 了实验研究，通过在水罐底部铺设碎石、细沙等手段有效地减少了爆炸实验地 震波对周围环境的影响，但是该方法并不能减少实验中爆炸冲击波引起的振动 对水罐本身的影响。朱安周等b 在小型爆炸实验水池中测量了冲击波通过气泡 帷幕后的压力，对结果进行了f f t 变换并进行频谱分析。得到了气流量、帷幕 层数、孔径等帷幕参数改变时对水下冲击波频谱特性的影响。但这种方法对冲 击波作用下的流场干扰较大，不利于实验数据的测量。 1 3 主要研究内容、及研究方法 水下爆炸实验安全塔强度设计及隔振研究是水下爆炸力学、弹性力学以及 振动力学等多学科交叉的一项研究课题。作为爆炸实验用的屏蔽容器如果设计 或使用不合理，将会产生一定的爆炸危害，故对实验安全塔强度设计的理论研 究，对于塔体的合理设计、建造和保证水下爆炸实验安全塔的使用安全，延长 使用寿命，减少实验中振动对周围环境的影响等都有着十分重要的意义。同时 这种研究对水压爆破炸药药量的合理利用也有一定的参考价值。为此，本文主 要进行了以下几个方面的研究： 1 、球形装药在容器内水中爆炸时，冲击波压力在安全塔内部动态分布规律； 2 、水下爆炸实验安全塔壁部应变与塔体壁厚、半径和内部爆炸炸药质量之间 的关系： 3 、水中柔性体盛装的空气隔层对水下爆炸冲击波的衰减作用。 4 、在以上研究基础上设计并组织建造一座能承受o 5 蚝t n t 当量炸药爆炸作 用的水下爆炸实验安全塔。 为完成以上研究工作，在文献调研的基础上，首先对水下爆炸冲击波的产 生、传播、衰减、反射等内容进行研究，以及圆柱形容器在受到内部瞬态载荷 作用时内部载荷与壁部应变关系进行理论分析，推导出容器壁部应变与内部水 下爆炸药量的数学关系。然后利用应变片电测法，通过物理实验测量在不同药 量炸药爆炸作用下，小型爆炸实验水罐壁部应变曲线，并与理论解析解得到的 应变曲线进行对比，以证实理论分析的f 确性。最后利用瞬念动力学模拟软件 l s d y n a ，对爆炸容器内的水下爆炸进行三维数值模拟，以求对水下爆炸冲击 7 硕士学位论文第二章圆柱形水卜爆炸实验容器壁部应变规律理论研究 u s t c 第二章圆柱形水下爆炸实验容器壁部应变规律理论研究 2 1 引言 水下爆炸实验容器是实验室根据爆炸相似原理，利用小药量对炸药水下爆炸 作用规律，进行实验研究的主要设备。它与野外自然水域实验条件相比，有着 实验仪器便于安放，实验数据便于采集，实验外部条件可控性强，实验样品回 收方便，爆炸实验对周围环境影响小等优点。同时水下爆炸实验容器也是金属 爆炸加工的主要设备。空气介质的爆炸实验容器设计起步较早，现在已经有比 较成熟的设计理论。空气和水虽然都为流体介质，但水相对于空气据有可压缩 性小，对爆炸冲击波能量传递效率高等特点，所以空气介质的爆炸实验容器设 计理论并不能直接运用到水介质爆炸实验容器的设计中。 从查阅的文献来看，有关水介质爆炸实验容器的设计研究较少，相关的文献 主要有以下几篇。文献【1 】利用声学近似原理，采用镜像法分析了柱状水容器直 径、注水深度、装药位置、容器顶底面以及侧壁约束等对水压爆破冲击波产生 的最大超压及冲量的影响，但并未研究桶壁应变与炸药药量及爆炸距离的关系。 文献 2 】应用l s d 、i a 动态有限元软件和实验对开口水罐在内部爆炸作用下冲 击波压力的动态分布进行了研究，并指出基于峰值反射压力的压力容器设计标 准并不适用于爆炸实验水罐的设计，文中重点研究了爆炸冲击波对水罐的举升 作用，但并未论述炸药药量与壁部应变的关系。文献【3 】依据t a y l o r 的壳体破碎 理论，利用圆柱壳在破碎时轴向和周向应力为零，径向应力达到屈服应力的假 设，推导了壳体水压爆破中炸药药量与可破坏壳体壁厚的关系。此关系不能用 于判断壳壁最大弹性应变与内爆炸药药量的关系。文献 4 】把作用在壁部的爆炸 载荷等效成薄壁壳所获得的冲量，运用薄壁壳理论，推导了薄壁壳的破坏应变 与炸药药量的关系。但并未考虑壁部向外运动时在水中产生的稀疏波对壁部向 外运动的影响，计算结果远远大于实验结果。文献【5 】将水中稀疏波作为壳壁在 爆炸冲击波的作用下向外振动的阻尼，忽略了空化作用对水中稀疏波的影响， 从而高估了水中稀疏波对壳壁的阻尼作用，使计算得出的壁部应变小于实际应 变值。本章将在考虑壁部振动引起的稀疏波和壁、水之问形成的空化区域影响 硕士学位论文水。卜爆炸实验安全塔强度设计及隔振技术研究 u s l 的条件下，推导水下爆炸实验容器在内部水中爆炸炸药质量与爆炸实验容器壁 部应变的关系。 2 2 水下爆炸实验容器的简化模型 为了消除爆炸冲击波角反射应力集中的影响，水下爆炸实验容器常设计成 椭球面封顶的圆柱型结构，其半径远大于壁厚，所以在进行壁部应力分析时可 以将其视为薄壁壳结构；为了计算分析的简便可以假设炸药在容器中心爆炸， 器壁受到轴对称爆炸冲击作用；爆炸气泡脉动产生的压力波峰值只有爆炸冲击 波的1 0 2 0 【l 】，且其作用的时间远滞后于爆炸冲击波，所以爆炸气泡的二次脉 动作用可以不作考虑，只须考虑爆炸冲击波的破坏作用：容器壁较薄，冲击波 作用的时间远大于其在器壁中传播时间，故可以不考虑冲击波在器壁中传播的 影响；冲击波对器壁作用时，器壁将产生径向应力、轴向应力和周向应力，但 周向应力远大于径向和轴向应力，器壁为各向同性材料，故在内部爆炸冲击波 作用下，容器的强度校核只需校核其周向应力强度。 2 3 水下爆炸实验容器中冲击波强度的确定 在水介质中，冲击波阵面通过前后，介质的各个物理参量都发生了突跃变 化，由于冲击波波速较快，可以认为波的传播为绝热过程，依据一维平面应变 波理论，利用质量守恒、动量守恒和能量守恒三个基本关系式，可以把波阵面 通过前介质的初态参量与通过后介质突跃到的最终参量联系起来。冲击波的三 个基本关系是形式如下6 】 届( d 一撕) = 岛( d 一) a 一= 风( d 一) ( - ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) p t 一2 丢c a 一，c 暑i 一去， 。二3 ， 式中e o 、风、p o 、l l o 和e l 、岛、p 1 、u l 、d 分别表示波前、波后介质的比内能、 密度、压力、介质质点速度和冲击波速度。由式( 2 。1 ) 、( 2 2 ) 可推出： 1 2 - 硕七学位论文水卜_ 爆炸实验安全塔强度设计及隔振技术研究 u s t c 尸( r ) = 已p 口 ( 2 1 0 ) 其中。是水下爆炸冲击波衰减时间常数，对于球形装药由下式确定嗍： 臼= 痧( 嘉) 0 2 4 1 0 1 s ) ( 2 1 1 ) 式中w ：为球形装药的质量，单位：k g 。 水中冲击波对壁部作用的持续时问由下式给出【8 1 f = 2 冗l o _ 4 ( s ) ( 2 1 2 ) 作用于薄壁筒的正入射冲击波的反射击波强度p n 因受到壁部向外振动时在内部 产生的稀疏波的影响，其强度应为： p ，( f ) = 2 p l ( f ) 一风c v ( 2 1 3 ) 式中风为水的密度，单位k g m 3 ；c 为水中声速，v 为壁部振动速度，单位：耐s 。 2 4 薄壁壳的强度计算 2 4 。1 薄壁壳的基本方程 圆柱壳为轴对称结构，在柱面坐标系( r ，o ，z ) 内( 如图2 1 ) ，如果筒体 只产生径向膨胀，即只有径向位移u 不为零。在这种内部径向平面载作用下， z 图2 1 壳肇微元体 硕十学位论文 第二章圆柱形水f 爆炸实验容器鼙部虑变规律理论研究 u s t c 圆柱壳的变形司以看作平面应变，在这种应变条件下圆柱壳的本构方程为： q = 半卜寺 亿 岛= 半卜南q ) 亿坍 几何方程： q ：华( 2 1 6 )q2 了【z l o ) 岛：要 ( 2 17 ) 岛2i ( 2 17 ) 由于在计算简化模型中不考虑冲击波对壁部的压缩作用，因此在近似认中可以 认为径向应力为零。此时圆柱壳的周向应力可表示为： 、 ：熹 ( 2 1 8 ) 2 而 z 博 式中：o ，、o 。为径向应力和切向应力，单位：p a ； e ，、e 。为径向应变和切向应变； e 、为壳体材料的弹性模量，单位：p a ； i l 为壳体材料的泊松比 r 为柱壳的内部半径，单位：m ； u 为径向位移，单位：m 。 2 。4 2 力的平衡方程 爆炸实验容器壁部振动，依据水中冲击波对壁部作用持续时问一r 与容器振 动周期t 之间的关系可分为以下两种情况：第一种情况是当冲击波的作用时间 小于容器振动周期的四分之一时，壁部振动分为如下三个阶段，第一阶段是水、 壁结合一起向外运动阶段，此时容器壁部既有水中爆炸冲击波的作用也有水中 稀疏波和壁部周向应力的阻止作用：第二阶段是水壁分离阶段，在此阶段水中 爆炸冲击波的作用消失，由于水不能承受较大的拉应力作用，水壁之间形成空 硕士学位论文水卜爆炸实验安全塔强度设计及隔振技术研究u s t c 化区，容器壁部在水的空化拉力和壁部周向应力作用下继续振动；第三阶段容 器壁部与水再次结合，壁部振动受到水的阻止和壁部周向应力作用。容器壁部 以后的振动重复二、三阶段。第二种情况是当冲击波的作用时间大于容器振动 周期的四分之一时，此时由于冲击波压力的存在容器壁部振动的初期不存在水、 壁之间的分离振动，即在冲击波压力存在的情况下不考虑水的空化对振动的影 响，当冲击波压力消失后，再按照第一种情况的第二、三振动阶段进行计算。 不论是哪一种情况，在内部爆炸冲击波的激励下，容器壁的振动为阻尼振动， 其振幅随时间的增长逐渐变小，因此在容器壁部强度校核时，只需确定第一次 达到最大振动位置时的壁部应变即可。对第一种情况其振动的数学表达式如下： 第一阶段( o f ) ，若取单位高度的容器壁部微元体作为研究对象，则 其力学平衡方程可表示为： m 象+ 心警+ 警域p 弓 旺 式中：p 为水的密度，单位：k g m 3 c 为水中声速，单位：毗 h 为柱壳壁厚，单位：m ； m 为单位面积柱壳材料的质量，单位：k m 2 ； 为冲击波作用结束的时刻， 上式为弹性支撑下质量块有阻尼振动方程。结合( 2 1 8 ) 式，可以将其改写成以 位移表示的运动方程： 拿+ 2 知粤+ 国：材：堡生 ( 2 2 0 ) m z；d tm 、。 舯舭去鼎 亿2 t ， 孝= 竽篆 亿2 2 ， 硕士学位论文第一二章圆柱形水卜爆炸实验容器肇部应变规律理论研究 u s t c 在初始时刻壁部的振动位移和振动速度均为零的初始条件下，依据f 取值 的小同，微分万裎( 2 2 0 ) 有如卜二柙彤瓦明解 当善 1 时， 唧 p ；可h 似历) + 姑s i n h ( 剃万) ) 当善 l 时， 唧；巧( 伽丹) 一豢s i n ( 纠丹) 】) 当孝= 1 时， “= 矽 e 詈一p 一硝( 1 一刍+ 纠) 】 式忙而 ( 2 2 6 ) 第二阶段( r q ) ，可把水的空化力p w 看作是常数，其大小根据水 的纯净度和温度不同在0 5 4 2 5 m p a 之问【9 1 。力的平衡方程可以表示为： 堡+ 曼+ 缈2 群：o ( 2 2 7 ) 讲肌 其解的形式为： 舻叩0 s 褂印i n 咖蔫 q 2 q ：( “。+ 阜) c 。s f 。一竺量s i n 缈f 。q2 ( + 蒜) 蚴0 _ 詈8 i 蚴 c 2 ：( + 阜) s i n 国z i o + 丛c 。s 彩o 铲( + 蔫) 娇彻”詈湖o 式中u o 、u o 分别为，：时壁部振动位移和振动速度，其值由第一阶段等 式确定，气为壁部回振与水接触的时刻。 动 q 弱 2 2 珊 瑚 硕士学位论文 第二章圆柱形水卜爆炸实验容器肇部应变规律理论研究 u s t c 美国l o u i s v i l i e k y 海军兵械站测量了一个直径为1 5 2 米，壁厚0 9 5 厘 米的柱形钢质水下爆炸实验容器的壁部应变，实验所用炸药为注装球形彭特莱 特( p e n t o l i t e ) ( 结果见下表) 。由( 2 2 1 ) 式可以求出容器的固有频率缈= 7 0 9 2 ， 由( 2 2 2 ) 式得孝= 1 4 2 ，因此容器壁部的第一阶段的振动振幅应由( 2 。2 3 ) 式 确定。用同样的方法可以求出容器的壁部最大周向应变。 表2 2 不同药量下爆炸实验容器壁部应变实测值与计算值对比表 实验药= 与量( g )实测壁部应变( 肛)计算所得壁部虑变( 肛) 5 01 4 3 01 5 1 4 7 51 7 7 01 9 2 l 1 0 02 3 5 02 2 7 8 对比壁部周向应变的计算结果与实验实测结果可见，两种结果较为接近， 但计算结果略大于实测结果，这主要是由于将容器简化为一维周向应变，忽略 了容器壁部轴向剪切波影响的结果。 o2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 0 t i m e ，“s 图2 5 5 0 9p e n t o i i t e 爆炸作用卜壁部应变曲线 俩 啪 喜； 姗 吾| 啪 湖 o | i 耋 嘲 2 1 1 1 - 墨，ug笛 硕十学位论文 水卜爆炸实验安全塔强度设计及隔振技术研究 u s t c o2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 t i m e ，恤s 图2 61 0 0 9p e n t o l i t e 爆炸作州卜肇部虑变曲线 在以上计算中各炸药与水的参数取值如下表 表2 3 计算中炸药与水的参数取值表 注装彭特莱特( p e n t o i i t e ) 水 ka 密度波速 5 7 e 71 1 3 1 0 0 0 k m 3 1 5 0 0 m s 2 5 本章小结 l 、对于水下爆炸实验容器在内部水中爆炸冲击波作用下壁部应变校核时， 可以将其简化为薄壁壳结构，应变可视为平面应变，计算中可以略去轴向及径 向应力。经过这些简化后得出的力学模型，可以较精确的确定内部爆炸冲击波 作用下弹性范围内的壁部周向应变。 2 、内部水中冲击波与壁部的相互作用应当分阶段考虑，不同的阶段水、壁 之间的作用力不同。本数学模型只能较准确的描述壁部首次振动到最大振幅的 o 0 0 0 o o 0 0 0 o o 倘 啪 垂堇 姗 喜| 黜 | | 至 o | | 堇 鲫 蝴 2 1 1 1 - _ tf，u一罡苗 硕十学位论文 第二章剀牲形水卜爆炸实验容器罐部麻变规律实验研究u s t c 第三章圆柱形水下爆炸实验容器壁部应变规律实验研究 3 1 引言 在水中冲击波作用下水下爆炸实验容器壁部应变的大小，是容器使用安全 的判定标准。只有壁部应变在弹性范围内，4 + 能保证爆炸实验容器安全重复使 用。上一章对水下爆炸实验容器的壁部应变进行了理论研究，建立了壁部应变 与内部水中爆炸药量关系的数学模型，并确定了数学模型的解析解，本章将运 用应变片测量法对小型水下爆炸实验容器的壁部应变进行测量，以验证上一章 所建立的数学模型的i f 确性。 3 2 实验仪器参数设置 实验的主要设备e b 小型水下爆炸实验水罐、应变片、超动态应变仪、示波 器、输入阻抗为5 0 欧姆的低噪音电缆、起爆器和自制太安( p e t n ) 药包组成。 实验水罐为圆柱形，高6 0 c m ，直径6 0 c m ，壁厚0 8 c m 。壁部材质为1 6 m n 钢， 弹性模量为2 0 0 g p a ，泊松比取0 3 ，静态屈服应力为3 7 5 m p a ，密度为7 8 3 1 0 3 k g m 3 ，如图3 1 所示。 图3 1 爆炸实验水罐 2 5 硕十学位论文水卜爆炸实验安全塔强度设计及隔振技术研究u s t c 实验中使用的示波器为泰克7 0 5 4 型示波器，该示波器有4 组测量通道，测 黾带宽为5 0 0 m h z ，最大采样频率为1 0 g s s ，数据最大储存长度4 0 m ，四通道 同时使用时，每通道最大采样频率为2 5 g s s ，数据最人储存长度l o m ，电压分 辨刻度范围为1 m v 格至1 0 v 格，可记录的最高电压为5 0 v 。超动态应变仪的型 号为s d y 2 1 0 7 型，有4 个测量通道，桥路可自动平衡，供桥电压采用六线制， 可自动修正长导线测量时引起的误差，频响带宽为1 5 m h z ，如图3 2 所示。 图3 2 超动态麻变仪利示波器 仪器的测量频率司以由水下爆炸实验容器的振动频率确定。由第二章( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 式可以算出半径为3 0 c m ，壁厚为0 8 c m ，密度为7 8 c m 3 的爆炸实验 水罐内部装满水时的振动频率为2 1 6 1 h z ，振动周期为4 6 2 微秒，此时，若想测 最到振动引起的初期壁部应变信号，超动态应变仪的采样时问l 白j 隔应小f 水罐 壁部振动周期的四分之一，即超动态应变仪的取样频率应大于8 7 k h z ，在此频 率下，在壁部初始向外振动阶段也只能测取到4 个数据，因此测量结果仍会存 在误差。为减小这一误差，在实验测量时将取样频率设为2 0 0 k h z 。依据对实验 仪器的标定，对于灵敏系数为2 0 ，电阻值为1 2 0 欧的丝栅形康铜应变片，在2 v 桥压下，信号放大1 0 0 倍时，应变每增加1 0 0 0 微应变，对应的输出电压信号升 2 6 硕十学位论文 水卜爆炸实验安全塔强度设计及隔振技术研究 u s t c 机械变形而发生变化的物理特性，这一现象最早是l o r dk e l v i n 【l 】发现的。对于长 度为l ，横截面积为s 和电阻率为p 的均质导体，其电阻值r 为 尺= p 考 当导体受到机械拉伸( 或压缩) 变形时， ( 3 1 ) 其长度、横截面积和电阻率p 都 将发生变化，这时电阻值的相应变化量为 欲= 印等+ p 等一础等 c3 2 ) 考虑到( 3 1 ) 式，则电阻变化率为 坐：丝+ 丝一笪( 3 3 ) 一= 一+ 一 ， r p ls 其中，等为导体长度的相对变化，即应变占：等为导体中横向应变所造 成的截面面积的相对变化。若考虑到直径为d 的圆截面导线，则导线直径的相 对变化等于一等，其中是导线材料的泊松比，由上式可得 等一2 等+ 2c 等，2 c 3 舢 因此有 等= 等州+ 2 ，等一以等，2 c 3 警叫等扣伽纠 6 ， 上式中l + 2 一2 9 项的最后一项与中问项相两比是小量，通常可以忽略。 实验证明，对于一般的电阻丝材料，在弹性范围内，电阻的相对变化和长度的 相对变化成正比，即等去是常数，于是警和f 成线性关系。 o k 2 8 硕十学位论文第三章圆梓形水卜爆炸实验容器肇部应变规律实验研究 u s t c 些：k f ( 3 7 ) r 这里k ：坐三+ ( 1 + 2 ) ，称为电阻丝的应变灵敏系数，它与电阻丝的材料 p 有关，对于相应的材料都有较为固定的值。对于由康铜丝制成的应变片其应变 灵敏系数为2 o 。如果已知电阻丝的r 和k ，则可根据测得的应变片电阻变化值 欲求得测试构件的应变s 。 3 3 2 电阻应变片测量电路原理 应用电阻应变片测量应变时，电阻应变片仅能将应变量转化成电阻的变化， 因这一变化很小，精确地直接测量出来是很困难的，通常要通过一定的测量电 路，将其转换成电压或电流的变化量。一般情况下经过转化的信号仍比较微弱， 还需要放大后彳能进行记录。应变片电测法一般采用两种测量电路：电位计式 电路和惠斯通电桥电路，变换电路的供电方式可分为恒压源供电和恒流源供电， 本次实验采用的是恒压源供电的惠斯通电桥电路，接下来将主要介绍这一电路 的工作原理。 在应变测量中，惠斯通电桥式电路能精确测量各个桥臂的微小电阻变化。 电桥的四个桥臂中任何一个都可以是应变片。 r a 图3 3 惠斯通电桥电路 2 9 擎 惠斯通电桥( 图3 3 ) 是由电阻r i 、r 2 、r 3 、如组成四个桥臂，a c 两点 供电电压u ，在四个电阻均未发生变化时b d 端的输出电压为 划杀蒜 8 电桥平衡的条件为：r l = r 2 r 3 ，在无测量值时，电桥电路一般应满足平 条件，这样才能使电桥的输出电压只与应变片的电阻变化有关。为了简化测 电阻值与应变值之间的转化关系，桥路一般设计为等臂电桥， r = r l = r 2 = r 3 = 心。下面对等臂电桥在不同应变片联接方法下，电阻变化与电压 化之间的关系进行讨论 3 3 2 1 一个桥臂工 设r i 为应变片，受载后电阻值由r 变为r + r i 而电桥中的其他电阻不变 这时b d 端输出电压应为 u 肋划 因为r l 远小于r ，故略去分母中的r i 得 u 鲫= 等等= 等胎 式中k 为应变片的灵敏系数，为应变值。式( 3 1 0 ) 表明r i 远小于r 时 等臂电桥输出的电压和应变在定应变范围内成线性关系。若r 4 为工作应变片 受载后电桥输出的电压u b d 与( 3 1 0 ) 式相同。若r 3 或r 4 为应变片，则受载 电桥输出的电压为 u 肋= u 筹一等胎 硕士学位论文水卜爆炸实验安全塔强度设计及隔振技术研究u s t c 三到五分钟。应变片粘贴好后，应将应变片的脚线与构件之l 日j 采取绝缘措施， 而后用屏蔽线将脚线引出，并测量连接后的应变片阻值，以检测粘贴时应变片 是否受损。为防止实验中溅出的水打湿应变片影响测量结果，在应变片外侧应 粘贴防水胶带，并在胶带的结合部位涂抹黄油或儿士林。 3 4 实验结果分析 实验所用炸药为粉末状的太安( p e t n ) 炸药，装药形式为在自制的雷管中 压装，密度为1 k m 3 ，装药量为o 4 至1 7 9 ，药包设置在实验水罐中心。为了 减少药包安放偏离中心位置引起的壁部应变测量误差，提高测量精度，在测试 水罐中间位置，间隔1 2 0 度粘贴3 组应变片，每组应变片两个，在桥路连接时， 取代应变仪桥盒中r l 、鼬两个桥臂，以增加所测得的应变信号强度。每次实验 取三组应变片测量值的平均值。为减少偶然因素对测试数据的影响，对每种药 量进行三次实验，取三次的平均值。在不同药量爆炸的作用下，。按上述方法测 量数据的平均值和安第二章数学方法计算的结果如表3 1 所示。 表3 1 计算与实测结果 实测平均实测首至计算首至 实测平 计算振 实验药 计算应 均振动 应变最大振幅最大振幅 动频率 量( g )变( 肜)频率 ( 肛)历时( 芦) 历时( 膨) ( h z ) ( h z ) o 44 0 13 9 411 48 6 o 75 4 35 7 0 l1 6 8 7 1 9 0 3 2 1 6 l 1 06 8 57 0 4 11 8 8 9 1 79 1 69 5 81 2 19 2 不同药量下实验测得的应变曲线和理论计算应变曲线如下图所示 3 2 硕十学位论文 第二章圆柱形水卜爆炸实验容器晕部廊变规律实验研究 u s t c 0 2 0 0 i 烈 型 1 0 0 3 髫 0 1 0 0 0 ，0 0 0 00 0 0 0 5o 0 0 1 0o 0 0 150 0 0 2 0 时f h j ( s ) 图3 4o 4 克炸药作h j 卜的肇部麻变实验实测曲线 时间( s ) 图3 5o 4 克炸药作川卜的肇部应变理论计算曲线 3 3 硕士学位论文水卜爆炸实验安全塔强度设计及隔振技术研究 u s l 3 4 1 0 0 0 ，、 5 0 0 ， i 锹 翅 0 5 0 0 0 0 0 1 0 时问s ) 图3 61 7 克炸药作h j 下肇部廊变实验实测曲线 00 10 20 3口40 5 0 60 708d 9 1 时恻( s )x1 0 3 图3 1 7 克炸药作刚卜应变的理论计算曲线 懒 啪 瞄 伽 撇 。 删 埘 枷 望。锹毯 硕十学傅谁翠堡 曼| 瓣登藤霈每癯诵话莆圾隔狮强浠阿霎鋈 k 摹篓冀 菱冀。辇委垂清琵柑蓁萋耋蠢羹孺鋈涩湖麓罐缚治淄骤摧耀鏖菁殛惭淘环蘩篮； 整型彩联剐驼塑雾型霾型羹型樊薹囊篓溪矧毖囊蓥霎j 羹翼薹羹蘩璧雾妻藿蓁嚣 蘩墼赳霾灞羹j 鋈荔雾篓菊 硕士学位论文第三章圆柱形水卜爆炸实验容器肇部应变规律实验研究 u s t c 3 5 本章小结 本章利用应变片电测法，测量了在内部水中爆炸冲击载荷作用下实验水罐的 中间壁部应变，并将测试曲线与第二章理论计算结果作了对比。从实测壁部应 变曲线和计算应变曲线的对比中可以看出，计算和实测应变曲线上升趋势、历 时、峰值应变和后期的壁部振动周期基本一致，从而证明了第二章理论计算的 f 确性。 参考文献 1 苏先基，励争，| 矧体力学动态测试技术 m 】，北京：高等教育出版社，1 9 9 7 ，p 5 7 6 3 2 朱荣强，贾章成，黄寅生，爆炸排水法测试炸约做j ：能力探讨【j 】，爆破器材， 2 0 0 6 1 0 ，v 0 1 3 5 ( 5 ) ，p 1 2 1 3 3 樊臼建，沈兆武，马宏吴，廖学燕，空气隔层对水中冲击波衰减效果的实验研究【j 】。中 国科学技术人学学报，2 0 0 7 1 0 ，v o l 。3 7 ( 1 0 ) ，p 1 3 0 6 - 1 3 11 3 7 硕十学位论文第四章水卜爆炸实验容器冲击波压力分布规律数值模拟研究 u s t c 第四章水下爆炸实验容器冲击波压力分布规律 数值模拟研究 4 1 引言 理论分析和实验研究是解决工程力学问题的主要方法，但爆炸冲击载荷作用 下，材料产生的几何变形非线性，材料动态本构关系的非线性和材料界面问产 生的撞击、滑动、摩擦、分离等相互作用的非线性问题，却很难通过理论分析 的方式去求解。由于这类冲击载荷问题的作用持续时问一般都在微秒量级，作 用过程快、破坏性强、实验费用高，因此通过物理模型实验也很难得到问题的 全貌。自二十世纪六十年代以来，随着数值计算方法及计算机技术的发展，数 值模拟方法在工程力学研究中的运用越来越广泛，逐渐成为解决工程力学问题 的第三种研究方法。数值模拟方法不仅可以解决理论分析难以解决的非线性问 题，而且可以弥补物理实验的不足，以较低的费用得到有参考价值的结果。现 在数值模拟方法已被广泛运用到土木、机械、电子、能源、冶金、制造、国防 军工、航空航天等领域【1 2 1 ，并在这些领域的产品设计、学术研究和技术创新等 方面，发挥着重要作用。目前数值模拟软件较多，可以用于模拟材料对冲击载 荷响应的数值模拟软件主要有l s d y n a 、a b q a u s 、m s c d y t 凡州和 a u t o d y n a 等。本文利用l s d y n a 有限元程序，通过容器壳体( 固体) 与其 内部的水和外部的空气( 流体) 耦合的方法，对水下爆炸实验容器内部的冲击 波载荷与壳体的动力响应进行计算，力求对爆炸实验容器冲击载荷分布及其动 力响应问题给出全面的描述，进一步为水下爆炸实验容器动力学研究和工程设 计提供参考依据。 4 2l s d y n a 程序概况及算法简介 3 9 硕十学位论文水卜爆炸实验安全塔强度设计及隔振技术研究 u s t c l s d y n a 是美国l s t c 公司的一个显示非线性动力分析通用有限元程序， 可以用于求解各种二维和三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和余属压模等大变 形动力学问题。该程序最初是1 9 7 6 年在美国劳伦斯利佛莫尔国家实验室 ( l a 、v r e n c el i v e r n l o r el a b o r a t o w ) 由j o h a l l q u i s t 博士主持丌发完成【3 。主要目 的是为北约武器设计提供分析工具。l9 8 8 年j 0 。h a l l q u i s t 博士创建l s t c 公司， 推出l s d y n a 程序系列，进一步规范和完善d y n a 的研究成果，陆续推出9 3 0 版( 1 9 9 3 年) 、9 3 6 版( 1 9 9 4 年) 、( 9 4 0 ) 版( 1 9 9 7 年) 、9 5 0 版( 19 9 8 年) 、9 6 0 版( 2 0 0 0 年) 和9 7 0 版( 2 0 0 2 年) ，等版本，使l s d y n a 的功能得到了很大的 扩充和完善。9 7 0 版的l s d y n a 已经可以处理几何非线性( 大变形、大位移、 大转动) 、材料非线性( 接近2 0 0 种材料模型) 和接触非线性( 4 0 多种) 等多种 非线性问题。 依据采用的分析坐标，有限元软件的显示动力分析可分为l a g r a n g e 方法和 e x 硕士学位论文 第四章水下爆炸实验容器冲击波压力分布规律数值模拟研究 u s l l a g r 觚g e 方法的特点，因此能够有效地跟踪物质结构边界的运动；它在内部网 格的划分上吸收了e u l e r 方法的长处，伎内部网格单元独立于物质实体而存在。 a l e 算法中，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，这使得其在分析大变形流构耦合问题时非常有利。a l e 算法采用了l a g r a n g e 和e u l e r 两种算法执行自动重分区的技术。它在空间网格中 采用以下方法实现重映射的l a g 阳n g e 时间步的对流过程：a ) 由于合适的网格变 形而不进行重分区：b ) 由于严重的网格变形执行重分区以恢复至初始状态；c ) 执行重分区至更为合适的网格形式，且保持网格的拓扑形不变，即在计