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        剖分環(huán)式爆炸容器孔門抗爆炸沖擊載荷能力分析

        2018-10-13 02:09:14鞏成湯鐵鋼宜晨虹田立智
        機械工程師 2018年10期

        鞏成, 湯鐵鋼, 宜晨虹, 田立智

        (中國工程物理研究院流體物理研究所,四川綿陽 621900)

        0 引言

        爆炸容器產(chǎn)生于1945年美國的曼哈頓計劃中[1],其能屏蔽和隔離爆炸沖擊波,限制爆轟產(chǎn)物和破片的作用范圍,有效保護人員、設(shè)備和環(huán)境的安全,被廣泛地應(yīng)用于國防、工業(yè)、科研和公共安全等領(lǐng)域[2]。

        在理論研究方面,W.E.Baker、A.F.Demchuk等[3-4]諸多學(xué)者對其進行了研究,在應(yīng)變增長、尺度效應(yīng)、壽命評估等方面取得了一系列進展。在工程設(shè)計上,根據(jù)趙士達、胡八一等[5-6]的研究,對于重復(fù)使用型單層金屬爆炸容器的主體工程設(shè)計和強度校驗已具備相對成熟的方法,并經(jīng)過實際檢驗[7-12]。但爆炸容器孔門結(jié)構(gòu)依舊是其最易破壞、屈服的位置[13],且當前并無詳細理論解析。

        關(guān)于孔門結(jié)構(gòu),J.Pastrnak[14]介紹了一款美國復(fù)合材料爆炸容器且詳細給出了孔門結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝及密封方式。Kevin E.Carbiener[15]給出了俄羅斯柱形、球形爆炸容器的詳細結(jié)構(gòu),包括孔門的自緊設(shè)計等。國內(nèi)學(xué)者鄭津洋[16]對壓力容器孔門結(jié)構(gòu)作了詳細的歸納總結(jié),包括鉸鏈式、齒嚙式孔門等。

        圖1 鉸鏈式孔門和齒嚙式孔門[16]

        目前廣泛應(yīng)用的鉸鏈式、齒嚙式爆炸容器孔門(如圖1),安全性、可靠性均得到充分驗證。然而在大型爆炸容器方面,鉸鏈式爆炸容器孔門存在門體厚重等問題,其鉸鏈結(jié)構(gòu)在頻繁開合條件下,長期使用容易導(dǎo)致門體下沉,造成開關(guān)門不易、密封效果欠佳等問題。齒嚙式孔門雖然不存在鉸鏈式孔門門體下沉的問題,但其特有的旋轉(zhuǎn)開閉方式,造成密封困難,容易出現(xiàn)泄漏等,且齒嚙式孔門的齒嚙部位相對脆弱[17],當加大爆炸當量時,其齒嚙部位容易出現(xiàn)應(yīng)力集中,造成屈服破壞,存在危險因素。故改進傳統(tǒng)爆炸容器快開式孔門成為尚待解決的問題。

        為解決傳統(tǒng)爆炸容器孔門的問題,嘗試將剖分環(huán)式孔門應(yīng)用于爆炸容器。它主要由四個剖分環(huán)及相應(yīng)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、門蓋組成,關(guān)閉孔門時由旋轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動剖分環(huán)旋轉(zhuǎn)收起,然后將門蓋整體置于孔門處的環(huán)槽上,再旋轉(zhuǎn)剖分環(huán)撐開,卡入環(huán)槽,達到鎖緊孔門的作用。

        圖2 剖分環(huán)式孔門[18]

        剖分環(huán)式孔門是被普遍看好的快開式孔門,在化工、食品、航空、紡織、醫(yī)療等行業(yè)的快開應(yīng)用中[19],其開閉快速、結(jié)構(gòu)簡單、密封可靠性高、質(zhì)量相對較輕,具有諸多優(yōu)點。但在大型爆炸容器方面,剖分環(huán)式孔門并未得到廣泛應(yīng)用,其安全性、穩(wěn)定可靠性、抗爆炸沖擊能力有待進一步驗證。為驗證剖分環(huán)式孔門在大型爆炸容器方面應(yīng)用的可行性,現(xiàn)將其與傳統(tǒng)鉸鏈式、齒嚙式孔門作數(shù)值模擬對比分析,以評估其抗爆炸沖擊能力的優(yōu)劣。

        1 剖分環(huán)式孔門與傳統(tǒng)孔門動力學(xué)加載對比分析

        1.1 模型的建立

        剖分環(huán)式孔門主要由容器主體、卡箍、剖分環(huán)、門蓋組成,卡箍固結(jié)于容器主體上。由于在強沖擊瞬時載荷的動力學(xué)分析環(huán)境下,接觸分析容易造成不收斂,故將剖分環(huán)、門蓋、卡箍作綁定處理,由于作用時間極短,其分析結(jié)果不受影響。鉸鏈式孔門主要由容器主體和門蓋組成。在爆炸沖擊載荷下,鉸鏈旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)不受力,故模型建立可以忽略,只保留門蓋及容器主體。齒嚙式孔門主要由容器主體、卡箍、門蓋組成,卡箍固結(jié)于容器主體上,齒接觸同樣近似處理為綁定。

        容器主體均以25 kgTNT當量爆炸容器設(shè)計為例,內(nèi)半徑取1.9 m,且保證三種孔門通道大小一致,整體孔門厚度相當。選取容器底部一點作為固定約束,容器底部應(yīng)力分析結(jié)果可忽略。在計算中單元均定義為六面體單元,并盡量劃分為標準形狀。

        容器主體材料選用16MnR鋼,彈性模量為209 GPa,泊松比為0.28,屈服強度為340 MPa。容器孔門材料選用20MnMo鋼,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.28,屈服強度為380 MPa。

        圖3 孔門計算模型

        沖擊載荷加載數(shù)據(jù)以25 kgTNT當量炸藥于容器中心爆炸,在容器1.9 m半徑位置的沖擊載荷數(shù)值模擬結(jié)果[20]為參考,并作適當簡化處理,得到?jīng)_擊載荷曲線如圖4所示,最大峰值載荷為18.4 MPa。

        圖4 簡化處理后的25 kg TNT當量炸藥在1.9 m處的沖擊載荷曲線

        1.2 結(jié)果分析

        強度判斷使用Mises屈服準則。Mises屈服準則遵循第四強度理論,既考慮了體積改變所積蓄的能量,又考慮了形狀改變所積蓄的能量,因此適用于金屬的強度判斷,本例主要以Mises等效應(yīng)力為對比條件。Mises屈服條件的表述如下:

        圖5 容器內(nèi)壁靠近孔門位置(圖3中的A點)應(yīng)力-時間圖

        三種孔門的容器內(nèi)壁靠近孔門位置(圖3中的A點)、門蓋中心內(nèi)側(cè)(圖3中的B點)、孔門卡箍(圖3中的C點)、門齒(圖3中的D點)等位置的Mises等效應(yīng)力對比如圖5所示。

        在容器內(nèi)壁靠近孔門位置(圖3中的A點),三種孔門的Mises等效應(yīng)力略有差異,剖分環(huán)式孔門Mises等效應(yīng)力峰值為309.7 MPa,跳動幅度偏大,齒嚙式孔門Mises等效應(yīng)力峰值為249.3 MPa,鉸鏈式孔門Mises等效應(yīng)力峰值為243.7 MPa,三種孔門門體均處于安全范圍內(nèi)。

        圖6 門蓋內(nèi)側(cè)中心位置(圖3中的B點)應(yīng)力-時間圖

        在門蓋中心內(nèi)側(cè)(圖3中的B點),齒嚙式孔門的Mises等效應(yīng)力峰值為371 MPa,高于鉸鏈式的峰值應(yīng)力282.3 MPa和剖分環(huán)式的峰值應(yīng)力171.4 MPa,且齒嚙式孔門應(yīng)力衰減較快。三種門體整體處于安全范圍內(nèi)。

        在孔門卡箍部位(圖3中的C點),剖分環(huán)式孔門Mises等效應(yīng)力峰值為378.7 MPa,顯著高于齒嚙式孔門的峰值應(yīng)力218.7 MPa和鉸鏈式孔門的峰值應(yīng)力162.8 MPa,且剖分環(huán)式孔門出現(xiàn)塑性應(yīng)變(圖7)。分析是由于剖分環(huán)存在尖銳外形,其卡箍內(nèi)側(cè)和剖分環(huán)接觸位置出現(xiàn)了此塑性應(yīng)變,門體卡箍處于不安全狀態(tài)。而齒嚙式、鉸鏈式孔門卡箍部位應(yīng)力峰值較小,無塑性變形。

        圖7 卡箍內(nèi)側(cè)(圖3中的C點)應(yīng)力-時間圖

        在門齒部位(圖3中的D點),剖分環(huán)式孔門環(huán)結(jié)構(gòu)的Mises等效應(yīng)力峰值為379.984 MPa,遠高于齒嚙式孔門的峰值應(yīng)力143 MPa、鉸鏈式孔門的峰值應(yīng)力219.9 MPa。從塑性應(yīng)變-時間圖(圖9)可以看出,其四個剖分環(huán)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動部分隨時間增加出現(xiàn)較大塑性變形,門體整體處于較危險狀態(tài)。而齒嚙式、鉸鏈式孔門均處于安全狀態(tài),無塑性變形。

        主要原因分析:1)在此算例結(jié)構(gòu)中,三種孔門通道大小一致,那么剖分環(huán)式孔門外直徑略大于其余兩種孔門,而為了保證孔門整體厚度一致,剖分環(huán)式孔門由于多了一層環(huán)結(jié)構(gòu),則其蓋、環(huán)的厚度略小于其余兩種孔門,厚度降低意味著整體結(jié)構(gòu)的抗爆炸沖擊性能下降;2)剖分環(huán)式孔門的接觸面過多,在受沖擊載荷時應(yīng)力分布不均衡;3)為保證剖分環(huán)孔門開合,環(huán)與卡箍、環(huán)與蓋接觸面約為環(huán)上下表面積的一半,接觸面面積太??;4)剖分環(huán)的固有結(jié)構(gòu)特性(如剖分環(huán)的轉(zhuǎn)動部位多,環(huán)上下表面存在較多銳邊等)進一步加劇了應(yīng)力集中,在大型爆炸容器的強爆炸沖擊載荷作用下,容易出現(xiàn)材料塑性變形。

        圖8 門齒、剖分環(huán)位置(圖3中的D點)應(yīng)力-時間圖

        圖9 剖分環(huán)式孔門卡箍(圖3(a)中的C點)、剖分環(huán)位置(圖3(a)中的D點)塑性應(yīng)變-時間圖

        2 結(jié)論

        根據(jù)計算結(jié)果可以判斷,在大型爆炸容器孔門應(yīng)用中,剖分環(huán)式孔門在整體結(jié)構(gòu)的抗爆炸沖擊性能方面并不具有優(yōu)勢,其安全性、穩(wěn)定可靠性均不如傳統(tǒng)鉸鏈式、齒嚙式孔門。

        此外,從本計算結(jié)果推斷,若改進剖分環(huán)式孔門,主要關(guān)注點在于增加環(huán)的上下表面積、環(huán)結(jié)構(gòu)厚度、對應(yīng)卡箍的上端面厚度,同時,在保證正常開合的情況下,盡可能避免過多存在的銳邊,并對環(huán)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動部位予以加強設(shè)計,以此增強剖分環(huán)式孔門的力學(xué)性能,增加其在大型爆炸容器方面的適用性。

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