模擬深水環(huán)境爆炸容器動(dòng)力響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

鐘冬望，李琳娜

（武漢科技大學(xué)理學(xué)院，武漢430065）

1 前言

隨著爆破技術(shù)的發(fā)展，水下爆破被越來(lái)越廣泛地用于航道疏通、水工建筑物基坑開挖、水下爆破夯實(shí)和對(duì)石油工程深海開采后廢棄物的爆破拆除等工程。炸藥在水下爆炸時(shí)，隨著周圍介質(zhì)和環(huán)境的不同，尤其是在深水環(huán)境下隨著炸藥的入水深度變化，其輸出能量及爆破效果也不同。

爆炸容器是一種可承載內(nèi)部爆炸載荷的特殊壓力容器[1～3]。利用爆炸容器進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)儀器便于安放、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)便于采集、實(shí)驗(yàn)外部條件便于控制、實(shí)驗(yàn)樣品便于回收、實(shí)驗(yàn)對(duì)周圍環(huán)境的影響便于消除等優(yōu)點(diǎn)。為了對(duì)水下爆破技術(shù)進(jìn)行深入研究，可在爆炸容器中填充水介質(zhì)，并在爆炸容器最大承載壓力范圍內(nèi)，通過(guò)改變外加氣壓，模擬不同深水環(huán)境下的爆炸實(shí)驗(yàn)。由于水相對(duì)于空氣具有可壓縮性小、對(duì)爆炸沖擊波能量傳遞效率高等特點(diǎn)，水中沖擊波的衰減比空氣中的慢，作用在容器壁面的沖擊載荷峰值高、作用時(shí)間短，因此空氣介質(zhì)爆炸容器的設(shè)計(jì)理論不能直接用于水介質(zhì)爆炸容器的設(shè)計(jì)。

為了進(jìn)一步深化對(duì)模擬深水環(huán)境爆炸容器力學(xué)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，提高其工程設(shè)計(jì)水平，有必要對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試，分析爆炸瞬態(tài)載荷下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變[4，5]。因此，本文對(duì)模擬深水環(huán)境爆炸容器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)容器的設(shè)計(jì)當(dāng)量為10 g TNT，最大加載壓力為2MPa，可模擬水深200m。研究方法是采用爆轟加載的方式，監(jiān)測(cè)容器外表面6個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變波形，分析容器殼體在不同強(qiáng)度載荷及不同壓力狀態(tài)下的振動(dòng)特性和動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度。

2 模擬深水環(huán)境爆炸容器動(dòng)力響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

圓柱形深水爆炸容器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)備為兩端標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭、中部圓柱直段的臥式容器結(jié)構(gòu)，總體尺寸為3 500mm×2 500mm×2 500mm（長(zhǎng)×寬×高），內(nèi)部有效實(shí)驗(yàn)空間為?2 000 mm×3 000mm（含橢圓封頭部分），有效厚度為30mm。容器殼體選用16MnR鋼，其楊氏模量E=2.1×105MPa，泊松比ν=0.30，常溫下（20℃）的屈服強(qiáng)度σs=325MPa，抗拉強(qiáng)度σb=490MPa。各接口法蘭及其他承載部件選用16Mn鍛件和16Mn鋼管，蓋板和防護(hù)門用16MnR鋼板切割后加工。

圖1 容器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of chamber structure

2.2 測(cè)試系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)容器分別進(jìn)行不加載靜壓時(shí)，5 g TNT當(dāng)量爆炸載荷和10 g TNT當(dāng)量爆炸載荷，以及加載2 MPa靜壓時(shí)，5 g TNT當(dāng)量爆炸載荷和10 g TNT當(dāng)量爆炸載荷，共4種工況下的水下爆炸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中設(shè)6個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，分別位于橢圓封頭頂端（1#、2#）、中環(huán)面（3#、4#）和橢圓封頭過(guò)渡段（5#、6#）。傳感器位置示意圖見圖2。應(yīng)變片采用中航電測(cè)儀器股份有限公司BA120-1AA(11)型，電阻值為 (120.1±0.1)Ω，靈敏系數(shù)為2.14%±1%。應(yīng)變測(cè)量橋路盒采用江蘇聯(lián)能YE29003A。應(yīng)變放大器采用江蘇聯(lián)能YE3818C型，靈敏系數(shù)k=2.00，頻響為直流斬波器(DC)～100 kHz-3 dB±1 dB。應(yīng)變標(biāo)定為±10～9 990με。

圖2 應(yīng)變傳感器位置示意圖Fig.2 Sketch of strain sensor location

2.3 測(cè)試結(jié)果及分析

2.3.1 殼體動(dòng)力響應(yīng)的總體特征

4次爆轟加載實(shí)驗(yàn)，共獲得6個(gè)測(cè)點(diǎn)的共24條動(dòng)態(tài)應(yīng)變波形曲線，如圖3所示。從圖3中可看出：a.各種工況下，都是容器中環(huán)面處的動(dòng)態(tài)應(yīng)變最先達(dá)到峰值；b.普遍存在應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)現(xiàn)象（即最大應(yīng)變不是在振動(dòng)的第一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)，而是在稍晚時(shí)刻），但總體趨勢(shì)是遞減的；c.在所有的應(yīng)變波形中，未觀察到明顯的“拍動(dòng)”現(xiàn)象，即兩種振動(dòng)頻率間的互相調(diào)制；d.絕大部分應(yīng)變波形在振動(dòng)基本結(jié)束后沒有回復(fù)到0，均有不同程度的直流偏量，偏量存在正負(fù)，這種正負(fù)偏量反映的是該測(cè)點(diǎn)受拉或受壓的應(yīng)變狀態(tài)。

圖3 不同工況下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變波形Fig.3 Dynamic strain curves on different working conditions

2.3.2 載荷強(qiáng)度及加載靜壓對(duì)容器動(dòng)態(tài)應(yīng)變峰值的影響

表1中列出了4種不同工況下6個(gè)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變峰值。從表1中可看出：a.當(dāng)加載靜壓相同時(shí)，隨爆炸載荷當(dāng)量增加，容器封頭處和中環(huán)面處的應(yīng)變峰值都隨之提高；b.在相同爆炸載荷當(dāng)量下，加載靜壓對(duì)容器封頭處和中環(huán)面處的動(dòng)態(tài)應(yīng)變峰值影響規(guī)律不明顯，但總應(yīng)變（即動(dòng)態(tài)應(yīng)變與加載靜壓在容器壁上產(chǎn)生的靜態(tài)應(yīng)變之和）峰值隨加載靜壓的增大而增大；c.橢圓封頭過(guò)渡段處，由于其所處位置較特殊，其應(yīng)變隨加載靜壓和爆炸載荷當(dāng)量的變化呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性；d.容器殼體表面各位置測(cè)得的最大總應(yīng)變峰值為876με，遠(yuǎn)低于Q345鋼板屈服極限時(shí)的應(yīng)變1 625με，說(shuō)明容器處于彈性變形范圍內(nèi)。

表1 各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變峰值（με）Table1 The peak strainsofmeasuring points（με）

為了避免各測(cè)點(diǎn)的隨機(jī)因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，分別用1#和2#測(cè)點(diǎn)的平均應(yīng)變及3#和4#測(cè)點(diǎn)的平均應(yīng)變作為容器中環(huán)面處和封頭頂端的動(dòng)態(tài)應(yīng)變，圖4繪出了容器中環(huán)面處和封頭頂端處的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。

圖4 不同加載靜壓和爆炸載荷時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變對(duì)比（單位：με）Fig.4 The contrast of dynamic strain between different static pressures and exp losive loads(unit：με)

可以進(jìn)一步驗(yàn)證容器的動(dòng)態(tài)應(yīng)變主要是隨爆炸載荷當(dāng)量的增加而增加，加載靜壓大小對(duì)容器動(dòng)態(tài)應(yīng)變影響不明顯；而且還可以看出容器封頭頂端的應(yīng)變基本與中環(huán)面處的應(yīng)變相當(dāng)，說(shuō)明由于橢圓封頭的匯聚作用，在容器設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)選擇合適的長(zhǎng)徑比。

2.3.3 容器實(shí)測(cè)應(yīng)變的頻譜分析

通過(guò)對(duì)5 g TNT當(dāng)量爆炸載荷和10 g TNT當(dāng)量爆炸載荷分別在不加壓和加載2MPa靜壓下，容器在距爆心最近的中環(huán)面和最遠(yuǎn)點(diǎn)封頭頂端的實(shí)測(cè)應(yīng)變波形進(jìn)行頻譜分析，可以得到應(yīng)變的頻譜特性。發(fā)現(xiàn)該容器主要表現(xiàn)為以下幾種頻率的振動(dòng)：91 Hz、183 Hz、267 Hz、282 Hz、297 Hz、366 Hz和381Hz等。其中，183Hz、267Hz、282 Hz和366Hz出現(xiàn)的概率較高。圖5給出了加載2MPa靜壓下，10 g TNT當(dāng)量爆炸載荷的應(yīng)變波形和頻譜。當(dāng)爆炸載荷較小時(shí)，頻率分布比較分散；當(dāng)爆炸載荷增大時(shí)，峰值頻率個(gè)數(shù)減少，并且向主頻靠攏。說(shuō)明較大的沖擊載荷對(duì)某些頻率具有掩蓋作用。還可以看出當(dāng)加載靜壓增加時(shí)，相同的沖擊載荷所激發(fā)出的峰值頻率也隨之增大。而封頭處的激發(fā)峰值頻率比中環(huán)面處的更加集中。

圖5 典型應(yīng)變波形和頻譜Fig.5 Typical strain curves and frequency spectrum

3 結(jié)語(yǔ)

1）模擬深水環(huán)境爆炸容器中環(huán)面處的動(dòng)態(tài)應(yīng)變最先達(dá)到峰值，各測(cè)點(diǎn)普遍存在應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)現(xiàn)象，但總體趨勢(shì)遞減。絕大部分應(yīng)變波形在振動(dòng)基本結(jié)束后均有不同程度的直流偏量。

2）模擬深水環(huán)境爆炸容器封頭頂端的動(dòng)態(tài)應(yīng)變大于中環(huán)面處的應(yīng)變，說(shuō)明容器封頭對(duì)爆炸沖擊波具有較強(qiáng)的匯聚作用，設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮封頭處；容器在同等加載靜壓下，隨爆炸載荷增加，容器封頭頂端和中環(huán)面的應(yīng)變均增大；在同等當(dāng)量爆炸載荷下，加載靜壓大小對(duì)容器封頭頂端和中環(huán)面處的動(dòng)態(tài)應(yīng)變的影響沒有明顯規(guī)律，但總應(yīng)變?cè)龃蟆?/p>

3）模擬深水環(huán)境爆炸容器內(nèi)爆炸沖擊載荷具有明顯的脈沖激勵(lì)特征，其頻譜分布在相當(dāng)范圍帶寬內(nèi)，而且低頻分量遠(yuǎn)大于高頻分量；當(dāng)加載靜壓增加時(shí)，相同沖擊載荷所激發(fā)出的峰值頻率也增大。

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