邓贵德,郑津洋,陈勇军,赵隆茂,赵永刚,马 利

（1.浙江大学化工机械研究所,浙江 杭州 310027;

2.中国特种设备检测研究院,北京 100013;

3.太原理工大学应用力学研究所,山西 太原 030024）

1 引 言

爆炸容器按照使用目的和设计原则可以分为重复使用和单次使用等2类,前者要求在任何情况下变形都是弹性的,后者允许在使用过程中发生一定量的塑性变形,充分利用材料性能以减小体积、减轻重量[1]。尺寸效应[2-3]是指不同尺寸的相似结构具有不同的结构强度,一般随着结构特征尺寸的增大,结构破坏应力降低,强度和塑性变形能力减小。对于大型单次使用爆炸容器,尺寸效应的存在会大大降低其极限承载能力。

科研人员已在爆炸容器尺寸效应方面开展了大量的试验研究。V.A.Tsypkin等[4-5]对单层球形和圆柱形金属爆炸容器的试验结果表明,以量纲一相对质量ξ（ξ=W/M,W为装药质量,M为容器质量,对于圆柱形爆炸容器M一般取为2倍内径长度的筒体质量）来表征爆炸容器壳体的承载能力时,尺寸增大4倍导致ξ减小1/2,失效应变减小为小尺寸容器的5/9～5/8。A.G.Ivanov等[6-8]的试验结果表明:对于金属钢管,ξ相同时小尺寸钢管没有破坏,而4倍直径的大尺寸钢管被破坏,且小尺寸钢管破坏前呈现的变形能力明显大于大尺寸钢管的;对于球形爆炸容器,直径增大10倍导致ξ减小为小尺寸容器的1/5,失效应变减小为小尺寸容器的1/7;直径尺寸增大15倍导致ξ减小为小尺寸容器的1/15.7。

但是,V.A.Ryzhanskii等[9]通过试验发现,对于由相同直径玻璃纤维缠绕而成的圆柱形爆炸容器,直径增大1.5～4.4倍,ξ基本上不变化。A.G.Fedorenko等[10]的试验结果进一步表明,直径增大9.3倍后,ξ仍无显著变化。V.I.Tsypkin等[11]的试验研究结果表明,由相同厚度钢带缠绕而成的圆柱形筒体也不存在明显的尺寸效应,直径增大10倍后,ξ只减小24.2%,失效应变减小21.9%。以上研究结果表明,单层金属爆炸容器存在着严重的尺寸效应,而玻璃纤维缠绕爆炸容器和钢带缠绕爆炸容器不存在显著的尺寸效应。

离散多层爆炸容器是1种新型结构的爆炸容器,筒体是由薄内筒和交错缠绕在内筒外的钢带层所组成的离散结构,内筒厚度一般只占总厚度的1/4～1/8,具有制造经济简便、材料质量易于保证、便于现场制造等优点,在国防军事、科学研究、爆炸加工和公共安全等领域有广阔的应用前景[12]。为了研究该型爆炸容器筒体的抗爆性能和尺寸效应,本文中对材料相同、几何相似、放大因数为4的2种离散多层试验圆筒进行中心爆炸加载试验。

2 试验圆筒

离散多层试验圆筒的结构示意图和实物图如图1所示,由筒体及两端2个相同的端部法兰构成,筒体是由薄内筒和缠绕钢带层组成的复合结构。筒体内筒与端部法兰的直边段焊接,钢带以相对内筒环向倾角α螺旋缠绕于内筒外,钢带两端斜边焊接于两端端部法兰的45°锥面,相邻钢带层交错缠绕以消除扭矩。试验圆筒总厚度为H,筒体总质量为M,其中内筒内半径为R,厚度为h,长径比为2;钢带层缠绕层数为N,钢带宽20 mm,厚1.2 mm。端部法兰外径为内筒内径的1.23倍,长度为L。端部法兰材料为20钢锻件,内筒材料为20钢管,钢带材料为Q195。

图1 离散多层试验圆筒结构示意图和实物图Fig.1 Sketch map and actual picture of the discrete multi-layered cylinders

总共设计制造了大小2种型号共9台离散多层试验圆筒,其中大尺寸试验圆筒（L型）3只,小尺寸试验圆筒（S型）6只。2种试验圆筒材料相同、几何相似,内筒厚度都占总厚度的1/4.2,除所用钢带规格和钢带平均缠绕倾角保持不变外,其他关键尺寸的放大因数都为4,具体参数如表1所示。

表1 离散多层试验圆筒尺寸参数Table 1 Dimension parameters of the discrete multi-layered cylinders

3 试验结果

试验装药采用压装TNT炸药,装药形状为等长径比圆柱形,装药密度约为1.55 g/cm3。试验圆筒垂直立于地面,装药悬挂于试验圆筒中心,采用电雷管从装药端部中心位置起爆。

表2所示为6只小尺寸离散多层圆筒的爆炸加载试验结果,表中εpθ为离散多层试验圆筒爆心环面外壁面上的环向塑性应变平均值;图2（a）所示为试验后的小尺寸离散多层试验圆筒。小尺寸离散多层试验圆筒在15 g装药量时开始出现内筒内壁裂纹,而2次12 g装药量重复加载却没有出现,因此小尺寸试验圆筒的极限承载装药量为12～15 g,采用相对质量表示为0.89%＜ξS＜1.11%。

表3所示为3只大尺寸离散多层圆筒的爆炸加载试验结果,图2（b）所示为试验后的大尺寸离散多层试验圆筒。试验圆筒L1在3次768 g装药重复加载作用下内筒未见裂纹,也未发现钢带断裂;L2在第1次960 g装药作用下内筒无裂纹,也未发现钢带断裂,但在第2次960 g相同装药加载下,钢带层第14层有2根钢带被拉断;L3在960 g装药作用下内筒未见裂纹,但钢带层第15层中1根钢带被拉断。大尺寸离散多层圆筒的极限承载装药量为768～960 g,采用相对质量表示为0.89%＜ξL＜1.11%,这表明尺寸放大4倍后离散多层圆筒的整体抗爆性能并没有明显降低。

图2 爆炸试验后的离散多层圆筒Fig.2 Discrete multi-layered cylinders after explosion experiments

表2 小尺寸离散多层圆筒试验结果Table 2 Experimental results of small discrete multi-layered cylinders

4 结果分析

对于爆炸容器尺寸效应的解释主要有应变率理论、统计理论和能量相关理论等。A.G.Ivanov[2]的研究和分析结果表明,只有能量相关理论才能解释单层金属爆炸容器存在的强烈尺寸效应,能量相关的尺寸效应是导致大型单层金属爆炸容器承载能力下降的最主要原因。该理论认为,当结构中储存的弹性能等于裂纹扩展所需断裂功时结构发生破坏。对于材料相同、几何相似的结构,其储存的弹性能正比于特征尺寸l3,而断裂功正比于l2,由能量平衡可得破坏应力σf与结构特征尺寸l满足σf∝l-1/2。

对于单层金属爆炸容器,特征尺寸为容器壁厚,比例放大4倍后破坏应力减小50%。而对于由相同尺寸的玻璃纤维或者钢带缠绕而成的圆柱形筒体,由于其特征尺寸——纤维直径或钢带壁厚不发生变化,因此不存在显著的尺寸效应。离散多层爆炸容器筒体由内筒和钢带层组成,钢带层相当于钢带缠绕筒体,当缠绕所用钢带厚度尺寸不发生变化时,不存在强烈的能量相关尺寸效应;内筒比照于单层圆柱形筒体,可能会存在尺寸效应。但是,离散多层试验圆筒的内筒厚度只占总厚度的1/4.2,钢带缠绕层为离散多层圆筒承载主体,由于钢带层极限承载能力未被能量相关尺寸效应削弱,离散多层爆炸容器筒体整体抗爆性能未被显著削弱,因此尺寸放大4倍后离散多层圆筒的抗爆性能没有明显地降低。

值得关注的是,表2和表3中装药相对质量等于0.89%和1.11%时,大尺寸离散多层圆筒爆心环面外壁面上的环向塑性应变平均值都大于小尺寸圆筒的,并没有出现失效应变随尺寸增大而减小的现象,可能是由于钢带层间间隙的影响。实际加工的离散多层圆筒钢带层之间存在微小的层间间隙,层间间隙的存在不会降低离散多层圆筒的极限承载能力[13],但会导致离散多层圆筒最外层钢带的径向位移值减小。由于合理控制的层间间隙并不随着筒体几何尺寸的增大而增大,大尺寸离散多层圆筒最外层钢带径向位移受层间间隙影响反而更小,从而使得实测所得其环向塑性应变平均值大于小尺寸圆筒的。

5 结 论

对材料相同、几何相似、放大因数为4的两种离散多层圆筒进行了中心爆炸加载试验,试验结果表明:两种离散多层圆筒极限承载TNT装药的相对质量为0.89%～1.11%,尺寸放大4倍后离散多层圆筒的抗爆性能没有明显的降低。根据能量相关理论分析认为,由于2种圆筒中钢带特征尺寸保持不变,作为离散多层爆炸容器筒体承载主体的钢带层不存在强烈的能量尺寸效应,从而使得离散多层爆炸容器筒体整体抗爆性能未被显著削弱。

对衢州巨化集团工程有限公司的叶晓茹、魏志强、路敏等在试验容器加工方面的支持;太原理工大学应用力学研究所的梁卫民、宋延泽、李志峰等以及江阳化工集团科研所的张虎成、刘学柱、刘伟等在爆炸试验方面的协助,谨表感谢!

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