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        帶環(huán)縫多層鋼筒抗爆能力實(shí)驗(yàn)研究

        2016-07-31 21:17:27梁志剛徐海斌劉峻嶺馬艷軍王占江
        中國(guó)科技信息 2016年14期
        關(guān)鍵詞:環(huán)面抗爆鋼筒

        梁志剛 徐海斌 劉峻嶺 馬艷軍 王占江

        西北核技術(shù)研究所

        帶環(huán)縫多層鋼筒抗爆能力實(shí)驗(yàn)研究

        梁志剛 徐海斌 劉峻嶺 馬艷軍 王占江

        西北核技術(shù)研究所

        為了驗(yàn)證多層圓柱鋼筒環(huán)接縫不同處理方式在爆炸沖擊載荷作用下的抗爆能力,加工了外形尺寸和材料相同,但結(jié)構(gòu)不同的3種試驗(yàn)圓柱鋼筒,進(jìn)行了多輪中心加載試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明在1%~5%設(shè)計(jì)應(yīng)變范圍內(nèi),集中爆炸沖擊載荷下多層圓柱鋼筒環(huán)接縫焊接與否對(duì)其抗爆能力的影響不顯著。

        爆炸容器能實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸破壞有效限制,實(shí)現(xiàn)保護(hù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境安全,因此,被廣泛運(yùn)用于各民用和國(guó)防領(lǐng)域,是爆炸沖擊實(shí)驗(yàn)室的必備設(shè)備。國(guó)內(nèi)外對(duì)于爆炸容器結(jié)構(gòu)研究大多集中在單層結(jié)構(gòu)方面,而對(duì)于多層容器結(jié)構(gòu)研究不多,參考資料也很少。

        對(duì)于柱形容器,由于爆炸載荷沿圓柱形鋼筒軸向衰減很快,所以柱形爆炸容器研制主要是解決容器爆心部位抗爆結(jié)構(gòu)的力學(xué)安全。一般的方法是通過(guò)對(duì)容器中心部位進(jìn)行局部多層加厚增強(qiáng)。由于工藝原因,加強(qiáng)鋼筒會(huì)存在對(duì)接環(huán)縫,接環(huán)縫處理工藝對(duì)多層結(jié)構(gòu)抗爆能力是否有影響,有必要進(jìn)行進(jìn)一步研究。

        通過(guò)數(shù)值模擬,圓柱鋼筒上多層加強(qiáng)層環(huán)接縫焊接與否對(duì)抗爆能力有些影響,如縱縫不焊接其抗爆能力有所減弱,但影響不大。但在爆炸載荷下多層結(jié)構(gòu)的受力情況和結(jié)構(gòu)響應(yīng)很復(fù)雜,影響其抗爆能力的不確定因素很多,準(zhǔn)確計(jì)算分析的難度很大。為了驗(yàn)證理論結(jié)果,為以后的工程應(yīng)用提供參考依據(jù),設(shè)計(jì)加工了三種相同外形尺寸和材料,但結(jié)構(gòu)不同的試驗(yàn)鋼筒,分別稱為鋼筒Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。對(duì)其進(jìn)行了系列集中裝藥中心加載抗爆試驗(yàn),并對(duì)其抗爆能力進(jìn)行了分析研究。

        試驗(yàn)裝置

        鋼筒Ⅰ為單層鋼筒。鋼筒Ⅱ由內(nèi)筒體和4層層筒組成,層筒壁厚1.5mm。層筒套裝在內(nèi)筒體上。鋼筒Ⅲ也由內(nèi)筒體和4層層筒組成,內(nèi)筒體結(jié)構(gòu)尺寸與鋼筒Ⅱ相同。層筒共4層,每層層筒由長(zhǎng)度為80mm、60mm、40mm、20mm的短筒排列組成,每層5個(gè)短筒,層筒壁厚為1.5mm,層與層間各短筒環(huán)接縫軸向錯(cuò)開(kāi)一定距離。具體結(jié)構(gòu)如表1。具體結(jié)構(gòu)排列組合順序?yàn)椋旱谝粚油补?jié)順序?yàn)?0mm、80mm、80mm、80mm、40mm;第二層筒節(jié)順序?yàn)?0mm、80mm、80mm、80mm、60mm;第三層筒節(jié)順序?yàn)?0mm、80mm、80mm、80mm、20mm;第四層筒節(jié)順序?yàn)?0mm、80mm、80mm、80mm、40mm。保證了爆心環(huán)面無(wú)層筒對(duì)接環(huán)縫,距爆心環(huán)面最近的環(huán)縫到爆心的距離為20mm,約為筒體半徑的三分之一。

        表1 兩類試驗(yàn)筒體結(jié)構(gòu)尺寸

        表2 試驗(yàn)鋼筒實(shí)際測(cè)量爆心環(huán)向應(yīng)變

        圖1 裝藥結(jié)構(gòu)

        圖2 三種當(dāng)量加載下三種結(jié)構(gòu)鋼筒外壁應(yīng)變的實(shí)際測(cè)量結(jié)果

        圖3 試驗(yàn)后鋼筒狀態(tài)

        試驗(yàn)安排

        分別用60g、100g和120gTNT當(dāng)量裝藥量對(duì)三種試驗(yàn)圓柱鋼筒進(jìn)行爆炸試驗(yàn)。炸藥為球形炸藥,用小藥球中心起爆,以保證爆炸載荷的對(duì)稱性。采用線裝藥密度為0.5gRDX/m、直徑1mm的柔爆索起爆。裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示,由兩個(gè)半球主裝藥和中心1gTNT當(dāng)量引爆小藥球組成,小藥球用微米級(jí)PETN粉壓制而成。主裝藥為TNT/RDX(40/60)澆鑄,密度為1.6g/cm3。藥球引爆序列為雷管引爆柔爆索,柔爆索引爆小藥球,小藥球起爆主炸藥。

        為確保藥球的安裝定位精度,藥球通過(guò)1.5mm厚的有機(jī)玻璃板十字支架固定在鋼筒內(nèi)中心位置(簡(jiǎn)稱爆心)。此結(jié)構(gòu)既能保證藥球的精確定位,又能減小其對(duì)爆炸沖擊載荷的干擾。試驗(yàn)時(shí)鋼筒兩端不進(jìn)行封閉。試驗(yàn)鋼筒全部采用同一型號(hào)、同一批次20號(hào)鋼加工,材料延伸率≥20%。

        試驗(yàn)結(jié)果

        分別用三種不同藥量對(duì)三種鋼筒進(jìn)行了試驗(yàn),由于試驗(yàn)鋼筒爆心沖擊振動(dòng)非常大,造成爆心部位大部分應(yīng)變計(jì)被震掉,無(wú)法完整地記錄筒體變形過(guò)程,后來(lái)通過(guò)在應(yīng)變計(jì)上安裝阻抗大的小質(zhì)量塊,有所改善,但120gTNT當(dāng)量試驗(yàn)時(shí)還是沒(méi)有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到完整的應(yīng)變信號(hào)。試驗(yàn)后鋼筒產(chǎn)生了較大的塑性變形,通過(guò)多次測(cè)量鋼筒爆心環(huán)面的殘余應(yīng)變并取其平均值,可以得到爆心環(huán)面的實(shí)測(cè)環(huán)向應(yīng)變,如表2所示。

        圖2是試驗(yàn)后鋼筒應(yīng)變沿軸向分布實(shí)際測(cè)量結(jié)果,由圖可見(jiàn),每一種當(dāng)量加載下,鋼筒層筒環(huán)縫不焊接時(shí)比焊接時(shí)爆心截面環(huán)向應(yīng)變略大,但差距不大。圖3是三種當(dāng)量下的三種鋼筒變形情況。

        結(jié)語(yǔ)

        試驗(yàn)鋼筒均有塑性變形,變形較均勻,表明中心起爆的炸藥球載荷基本均勻加載在鋼筒內(nèi)壁上。由試驗(yàn)結(jié)果可得,設(shè)計(jì)變形應(yīng)變?cè)?~5%的多層鋼筒,其層筒環(huán)接縫焊接于否對(duì)其抗爆能力影響不大。

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