李曉杰,秦小勇,閆鴻浩

（1.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連 116023;

2.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院巖土工程研究所,遼寧大連 116023）

1 引 言

目前,我國有大小爆炸加工廠家80余家,爆炸焊接復(fù)合板總產(chǎn)值達(dá)40多億人民幣。由于復(fù)合板生產(chǎn)的需要,10～20 m2的大板幅不銹鋼復(fù)合板已成為常用產(chǎn)品,2～3 mm的不銹鋼復(fù)層通常需要銨油炸藥量20～30 kg/m2,因此,10～20 m2的大板幅不銹鋼復(fù)合板一次爆炸的總炸藥量在200～600 kg,有時(shí)甚至達(dá)到1 000 kg炸藥爆炸量。爆炸焊接是在野外地表進(jìn)行裸露爆炸,爆炸所引起的空氣沖擊波強(qiáng)度很高,對周圍環(huán)境會造成一定的影響,使附近環(huán)境問題日漸突出;另外,由于是在野外露天生產(chǎn),爆炸焊接直接受到氣候和天氣的影響,造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、雨季停產(chǎn)等問題。

對沖擊波在容器內(nèi)部的傳播及沖擊波與殼體的耦合作用已有過研究,如Gupta等用有限差分程序計(jì)算了半球容器在29 kg TNT炸藥爆炸下的響應(yīng);T.A.Duffey等運(yùn)用有限差分和有限元程序模擬了炸藥在球殼中心的爆炸動力響應(yīng)[1];T.A.Duffey等[2]和B.B.Lewis[3]用DYNA3D進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究;胡八一等[4]、朱文輝等[5]、鐘方平[6]、閆鴻浩等[7]對球形和圓柱形爆炸容器都進(jìn)行過研究。爆炸容器的流固耦合計(jì)算是非常復(fù)雜的動力學(xué)問題,很難給出解析解,而實(shí)驗(yàn)卻往往難于涵蓋全貌,這時(shí)數(shù)值計(jì)算可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)的不足[8]。采用LS-DYNA進(jìn)行大型的爆炸空氣沖擊波問題的計(jì)算,盡管計(jì)算結(jié)果精度與實(shí)際相差較大,但可以獲得全場形貌和相對數(shù)據(jù),便于規(guī)律性的發(fā)現(xiàn)。因此為了準(zhǔn)確確定這類問題,有效途徑應(yīng)該是實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合。

爆炸焊接半球阻波結(jié)構(gòu)體是一種專門用于爆炸焊接的特殊爆炸洞,主要用于解決爆炸焊接中的沖擊波防護(hù)和全天候生產(chǎn)問題。由于大多數(shù)的爆炸洞均是采用鋼殼與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),造價(jià)較高。為此,我們與大連爆炸加工研究所合作,借鑒爆炸容器與爆炸洞特點(diǎn),設(shè)計(jì)一種專門用于爆炸焊接生產(chǎn)的半球型鋼殼覆土抗爆結(jié)構(gòu),用以部分消除爆炸沖擊波和解決全天候生產(chǎn)問題。為確定半球殼與地基基礎(chǔ)的連接形式,用LS-DYNA模擬自由放置與剛性連接2種形式。

2 半球阻波結(jié)構(gòu)體底部約束形式數(shù)值模擬

爆炸焊接半球阻波結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)炸藥量為600 kg銨油炸藥,主體為掩埋在土中的直徑36 m半球殼,球殼為壁厚36 mm的16MnR鋼板,入口為直徑12 m拱形通道,上部設(shè)有直徑8 m的排煙口,半球底部自由放置在基礎(chǔ)上。為了減少計(jì)算量,根據(jù)所設(shè)計(jì)的1/6縮比實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠斫?shù)值模型,如圖1所示。模型為直徑6 m、壁厚6 mm的鋼殼,排煙口直徑1.333 m、門口直徑3 m,半球上覆土厚度為66 cm,密度2.0 t/m3,炸藥為5 kg銨油（相當(dāng)原型上1 080 kg ANFO）。建立如圖2的簡化計(jì)算模型,只考慮炸藥、空氣與球殼3部分,將覆土直接化為壓力靜載施加在球殼上,筋板折減強(qiáng)度加在球殼厚度上,門口和排煙口部分定義為無反射邊界,將中部對稱面與地面設(shè)為剛性邊界,劃分單元總計(jì)6 175 888個(gè),其中炸藥單元8個(gè),空氣單元605 888個(gè),球殼單元11 692個(gè)。利用LS-DYNA分析球殼底邊僅對垂直方向約束、全約束與自由情況,當(dāng)計(jì)算時(shí)程為12 ms時(shí),每種情況耗費(fèi)機(jī)時(shí)為約18.73 h。

圖1 1/6實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 The 1/6 experimental model

圖2 炸藥、空氣與球殼計(jì)算模型圖Fig.2 The numerical model of explosives-air-spherical shell

圖3為對球殼底部在y方向（地面法向）進(jìn)行約束時(shí)球殼上對應(yīng)單元點(diǎn)的等效應(yīng)力時(shí)程圖。從中可以看出,由于孔口應(yīng)力集中效應(yīng),導(dǎo)致在排煙口和門口的殼體等效應(yīng)力最大,其中排煙口點(diǎn)C應(yīng)力最大值為260.68 MPa,點(diǎn)D的應(yīng)力最大值為259.35 MPa;門底部點(diǎn)B應(yīng)力最大值為384.70 MPa,門角部點(diǎn)A應(yīng)力最大值為222.28 MPa;而球面3/4高度點(diǎn)E應(yīng)力峰值為141.51 MPa,其余各部位的應(yīng)力峰值均接近160 MPa,門口底部點(diǎn)B應(yīng)力峰值是其余部位的2倍以上,受力狀態(tài)明顯不合理。另外,盡管一般16MnR鋼板屈服強(qiáng)度σs可以達(dá)到390 MPa,但是由于材質(zhì)均勻性與焊接質(zhì)量原因,一般鋼板實(shí)際許用應(yīng)力僅為140 MPa,球殼上的應(yīng)力明顯大于許用應(yīng)力,在工程上是不允許的。由此可見,必須對孔口部分進(jìn)行增強(qiáng)處理,并采用其他措施降低球殼應(yīng)力。

圖3 底面y方向約束時(shí)球殼上的等效應(yīng)力時(shí)程圖Fig.3 Time-histories of equivalent stress on spherical shell under bottom y direction constrained

球底邊施加全約束的計(jì)算結(jié)果見圖4。由于應(yīng)力集中效應(yīng),依然在排煙口和門口的殼體等效應(yīng)力最大,但比底面y方向約束時(shí)應(yīng)力狀態(tài)有較大的改善。排煙口點(diǎn)D的應(yīng)力最大值為260.83 MPa,附近點(diǎn)C應(yīng)力最大值為233.06 MPa;門底部點(diǎn)B應(yīng)力最大值為266.52 MPa,門角部點(diǎn)A應(yīng)力最大值為206.34 MPa;而球面3/4高度點(diǎn)E應(yīng)力峰值為132.10 MPa,其余各部位的應(yīng)力峰值均接近130 MPa,排煙口點(diǎn)D和門口底部點(diǎn)B應(yīng)力峰值是其余部位的2倍左右,受力狀態(tài)依然不合理,進(jìn)一步說明了孔口部位必須進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

圖4 底面全約束時(shí)球殼上的等效應(yīng)力時(shí)程圖Fig.4 Time-histories of equivalent stress on spherical shell under bottom constrained

基于進(jìn)一步降低球殼應(yīng)力考慮,完全解除對球殼底面的約束,計(jì)算結(jié)果見圖5。解除球殼底約束后,盡管排煙口與門口依然存在應(yīng)力集中效應(yīng),但排煙口點(diǎn)D的應(yīng)力最大值為187.54 MPa,附近點(diǎn)C應(yīng)力最大值為 183.54 MPa;門頂部點(diǎn)A應(yīng)力最大值僅為86.87 MPa,其余各部位的應(yīng)力峰值均接近100 MPa。由計(jì)算結(jié)果可以看出,只有排煙口邊緣點(diǎn)D和C應(yīng)力較大,其余部分應(yīng)力小于100 MPa,受力狀態(tài)得到改善。由此可見,采用球底面自由放置于地面的方法,可以大大降低球殼抗內(nèi)爆時(shí)的應(yīng)力,如果進(jìn)一步對排煙口、入口等部位進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng),完全可以使球殼受力更加合理。同時(shí)這種方法將不用考慮球殼如何與地基連接,大大降低了地基處理難度,將大幅度地降低爆炸焊接阻波結(jié)構(gòu)體的造價(jià)。

圖5 底面無約束時(shí)球殼上的等效應(yīng)力時(shí)程圖Fig.5 Time-histories of equivalent stress on spherical shell under free bottom

3 底面自由放置半球阻波結(jié)構(gòu)體應(yīng)力測試結(jié)果

考慮到上述LS-DYNA所建立的計(jì)算模型較粗糙,而且對于空氣中爆炸問題的計(jì)算精度很差,為此建立了如圖1的1/6縮比實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ??？紤]外壓穩(wěn)定性,在縮比模型上采用了立筋增加球殼剛度;在底部、中部和排煙口都加有環(huán)梁,一來保證球殼整體剛度,二來用于補(bǔ)強(qiáng)底部和排煙口的邊緣與應(yīng)力集中部位;出入口采用門柱連接底環(huán)梁與中環(huán)梁,提高門口強(qiáng)度,降低應(yīng)力集中。將球殼直接放置在地面上,用砂土掩埋,進(jìn)行了一系列的爆炸實(shí)驗(yàn)。使用銨油炸藥,藥量為2、3、4和5 kg,對入口的門角、門頂、排煙口邊緣、球殼3/4高度等重要部位采用應(yīng)變花貼片進(jìn)行了動態(tài)應(yīng)力測試。進(jìn)行了200余次6 kg藥量加強(qiáng)爆炸沖擊實(shí)驗(yàn),除球殼3/4高度部位局部焊縫開裂外,球殼整體結(jié)構(gòu)完好。發(fā)現(xiàn)焊縫開裂與覆蓋砂土震落有關(guān),對焊縫開裂部位進(jìn)行修補(bǔ),重新補(bǔ)充砂土,再進(jìn)行50余次加強(qiáng)爆炸沖擊試驗(yàn),球殼未發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步損傷。

應(yīng)力測試結(jié)果表明,采用自由狀態(tài)放置并對局部應(yīng)力集中部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)后,球殼的出入與排煙口部分應(yīng)力狀態(tài)得到很好的改善,這些部位測得的應(yīng)力值均小于球殼3/4高度部位。圖6～7分別為球殼3/4高度的應(yīng)力測試結(jié)果:圖6為5 kg銨油炸藥的von-Mises等效應(yīng)力時(shí)程（放大到原型上的對應(yīng)藥量為1 080 kg）;圖7為3 kg銨油炸藥的von-Mises等效應(yīng)力時(shí)程（放大到原型上的對應(yīng)藥量為648 kg）。從應(yīng)力時(shí)程可見,5 kg藥量時(shí)的應(yīng)力峰值為253 MPa,遠(yuǎn)小于16MnR的屈服應(yīng)力,但大于許用應(yīng)力;3 kg藥量時(shí)的應(yīng)力峰值為132 MPa,小于16MnR許用應(yīng)力,因此,原型滿足600 kg銨油炸藥設(shè)計(jì)。對比實(shí)驗(yàn)與計(jì)算的應(yīng)力時(shí)程曲線可以看出,數(shù)值計(jì)算應(yīng)力峰值與實(shí)際測試偏差較大,這正是計(jì)算模型較粗糙和LS-DYNA對空中爆炸問題計(jì)算精度差2方面引起的;另外,實(shí)驗(yàn)與計(jì)算的應(yīng)力波動時(shí)間衰減情況也不完全一致,實(shí)測曲線只有1～2個(gè)較大的峰值,應(yīng)力隨時(shí)間的衰減比計(jì)算曲線要快得多,究其原因,是因?yàn)樵谟?jì)算模型中將土的作用簡單考慮成靜載、忽略了土的消振作用所致,如何進(jìn)一步考慮復(fù)雜的土載效應(yīng)尚需進(jìn)一步研究。

圖6 5 kg硝銨炸藥爆炸的等效應(yīng)力時(shí)程圖Fig.6 Time-histories of equivalent stress with 5 kg ANFO explosion

圖7 3 kg硝銨炸藥爆炸的等效應(yīng)力時(shí)程圖Fig.7 Time-histories of equivalent stress with 3 kg ANFO explosion

4 結(jié) 論

根據(jù)簡化計(jì)算模型,利用LS-DYNA對不同底部約束情況下的爆炸焊接阻波結(jié)構(gòu)體進(jìn)行了數(shù)值模擬。由計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),球殼在排煙口、出入口部位,存在著不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象,局部應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他部位,應(yīng)進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng);除排煙口、出入口應(yīng)力集中部位外,球殼高度約3/4處的應(yīng)力最大,需作為關(guān)鍵部位考慮。當(dāng)球殼底部完全自由時(shí),球殼整體的應(yīng)力水平大大下降,采用球底面自由放置于地面的方法可以進(jìn)一步提高球殼抗內(nèi)爆能力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對排煙口、出入口部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)降低應(yīng)力集中后,測試球殼高度約3/4處的應(yīng)力最大部位與計(jì)算結(jié)果吻合,這說明盡管計(jì)算數(shù)值與實(shí)際相差較大,但計(jì)算模擬可以反映整場全貌,便于發(fā)現(xiàn)問題。采用球底面自由放置于地面的方法不僅提高了球殼的抗爆能力,同時(shí)也節(jié)省了地基處理,大幅度地降低阻波結(jié)構(gòu)體的造價(jià)。

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