复合吸能圆柱形爆炸容器抗爆机理与结构设计

第1章　绪论 1.1　爆炸容器研究概况 爆炸容器起源于核武器的研究，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）在20世纪40年代研制了世界上**台爆炸容器，计划在其内部进行原子弹原理试验，*终因不满足试验要求而未投入使用。然而，它却掀起了世界范围内爆炸容器的研究热潮，美国桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratory）和劳伦斯 利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）等纷纷投入相关研究之中，开展了圆柱形、双层球形、半球形金属爆炸容器等一系列研究。由于生产工艺和设计理念的不足，我国对爆炸容器的研究起步较晚，直到1984年江西洪都爆炸机床设备厂制造了一台1kg TNT当量爆炸容器，用于爆轰试验研究。此后，中国工程物理研究院、西北核技术研究所、浙江大学、中国人民解放军国防科技大学、北京理工大学、中国人民解放军陆军工程大学等单位相继开展了爆炸容器研究。 爆炸容器能够将爆炸产生的气体、爆炸冲击波、高速破片等限制在密闭空间内，*大限度地减小危害效应，保护人民生命和财产安全。随着国民经济的高速发展，爆炸容器在军事作战、反恐排爆、科学试验、易燃易爆品运输等方面得到了大量应用。随着国家“一带一路”倡议的推进，爆炸容器在加强国际安全执法、防排爆等方面担负着重要使命。当前国际恐怖主义势头不减，恐怖袭击事件时有发生，恐怖分子*常用的手段就是在公共场所进行爆炸袭击，制造恐怖气氛，以达到其政治诉求。例如，2013年波士顿爆炸案、2015年法国巴黎足球场爆炸事件均造成了大量人员伤亡，教训惨痛。为控制突发爆炸情况，我国公安部门常在机场、地铁等人员密集的公共场所安放爆炸容器以维护公共安全。另外，随着我国工业的快速发展，爆炸物品在工业、工程领域的应用不断增加。但由于爆炸物管理制度、从业人员、装备器材等方面存在一系列不足，爆炸事故时有发生，带来了巨大的经济损失和恶劣的社会影响。废弃武器弹药如航空炸弹、炮弹、地雷、枪弹、炸药及其他爆炸装置也需要安全处理。因此，研制爆炸容器具有十分重要的意义。 单层爆炸容器的抗爆能力有限，对大当量炸药爆炸防护效果不佳，而且存在重量大、移动不便等缺点。时至今日，材料科学的发展日新月异，碳纤维、玻璃纤维、气凝胶、泡沫金属等具有优异力学性能和缓冲吸能效果的新型材料层出不穷，它们在爆炸容器的抗爆设计上都展现出了相对传统金属材料更为卓越的优势。因此，基于上述新型材料复合结构的综合运用成为爆炸容器研究领域的一大热点。 在复合结构爆炸容器的研制方面，苏联一直处于领先地位，20世纪70年代它就研制出了一台纤维材料缠绕的复合结构爆炸容器。近年来，我国在多层复合结构爆炸容器的研制方面也逐渐发力，浙江大学研制了一款碳纤维缠绕铝内衬抗爆容器，该容器主要由内衬层、纤维缠绕增强层和外保护层三部分组成，重点利用了碳纤维材料优异的拉伸吸能性能，使得该容器兼具轻质和抗爆能力强的优点[1]。北京理工大学研制了一种柔性爆炸容器，其主体部分是由多种复合材料有序排列叠加而成的，也达到了很好的抗爆效果[2]。然而，总体来说，对多层复合结构爆炸容器的研究还十分有限，公开信息较少，尤其是在理论分析、毁伤模式、衰减爆炸冲击波、吸收爆炸能量等方面还有大量的工作亟待开展。 1.2　圆柱形爆炸容器的研究内容与进展 1.2.1　爆炸容器内爆载荷研究 爆炸容器内壁爆炸载荷（简称内爆载荷）特性是研究爆炸容器动态响应、结构设计及安全评估的基础。炸药爆炸是一个复杂的化学过程，具有作用时间短、能量释放大及释放迅速等特点。根据爆炸产物的约束条件差异，爆炸载荷可以分为无约束爆炸载荷和有约束爆炸载荷，其中无约束爆炸载荷又可分为自由场空气爆炸载荷、真空中爆炸载荷、地面爆炸载荷等；约束爆炸载荷分为部分约束载荷和完全约束载荷两种，当爆炸作用被完全包容，且爆炸产物无泄漏时称为完全约束载荷，密闭爆炸容器内的爆炸载荷就是完全约束载荷。 当炸药在容器内部起爆后，瞬间形成高温高压的爆轰产物，并向四周扩散形成冲击波，冲击波继续向四周传播，到达容器内壁后发生反射，反射波向容器中心传播，并在容器内部与内壁其他位置反射的冲击波相遇，继而改变方向再次向容器内壁运动，如此反复，*终使容器内部达到一种压力相对稳定的准静止状态。可以认为，容器内壁先后受到冲击载荷和准静态载荷两种特征相异的载荷作用。由于在容器内部建立相对稳定的压力前，爆炸产生的冲击波会在容器内部来回反射，使容器内壁受到脉冲的反复作用；由于首脉冲常常携带大部分的爆炸能量，因此可将首脉冲看成决定容器响应行为的主要载荷。 在工程实际中，对于容器所受爆炸载荷通常有三种方法确定，分别是试验测试法、经验公式计算法和数值模拟求解法。其中，经验公式计算法通常只能对内壁所受载荷的首脉冲进行计算，而试验测试法和数值模拟求解法可以获得容器内壁所受载荷的整个时间历程，但试验测试法仅限于对容器部分位置进行测量，无法获得容器内壁全局的受载荷情况。 1.试验测试法 试验测试法是获得爆炸容器内爆载荷*直接、*有效的方法。针对容器内爆载荷常用的试验测试法主要包括压杆测试法和压电/压阻式压力传感器测试法。张德志等[3， 4]根据弹性波在金属杆中的传播理论设计了压杆测试法试验系统，其结构和安装如图1.1（a）所示，试验时首先利用应变片获得金属杆轴向应变，然后根据金属杆应力-应变关系转换成冲击波压力。图1.1（b）为利用压杆测试法测得的典型容器内壁反射冲击波的压力时程曲线。刘文祥等[5]利用压电式动态压力传感器对自制的球形爆炸容器内壁反射超压进行了测量，测得的容器内壁反射冲击波时程曲线如图1.2所示。在容器内部准静态压力的试验研究方面，李芝绒等[6]设计了一种容器内部准静态压力测试系统，该系统由压阻型压力传感器感知压力变化，容器内部压力通过圆柱杆上的螺旋形凹槽结构与内管壁组成的微型传压管道传递到传感器表面；李鸿宾等[7]利用PCB公司生产的压电传感器对爆炸容器内部准静 态压力进行了测量，并根据试验结果拟合得到了容器内部准静态压力经验计算公式；刘文祥等[8]在对传感器安装方式进行设计的基础上，分别采用平齐安装的压电式压力传感器和导孔安装的压阻式压力传感器对球形爆炸容器内部准静态压力进行了测量，并根据测试结果对容器内部准静态压力进行了公式拟合。 2.经验公式计算法 自第二次世界大战之后，科研工作者对自由空气场中的爆炸冲击波载荷进行了大量试验研究和理论分析，提出了一系列冲击波参数经验计算公式，常用的有Henrych公式、Baker公式、Brode公式、Kinney-Graham公式等[9]，它们都是根据爆炸相似律在大量试验的基础上拟合得到的。这些公式大多基于比例距离法从球形TNT装药拟合得出的，对于非TNT装药可以通过爆热、比冲量或者超压峰值等参量转化成等效的TNT当量再进行计算，对于长径比为1∶1的圆柱形装药，在远离爆炸位置一般可以用等量球形装药代替。上述自由空气场中的经验公式在工程计算方面具有简单、高效等特点，在其适用范围内得到了大量应用。我国林俊德院士[10]针对封闭空间内约束爆炸载荷进行了大量试验，重点关注了百兆帕以上的爆炸冲击波载荷，并结合其他工作成果提出了林俊德公式。 通过对经典经验公式的分析可以发现，不同预测方法中冲击波超压与比例距离的关系存在一定偏差，这是由爆炸过程的复杂性导致的。当比例距离大于1m/kg1/3时，上述经验公式的预测值相差很小；当比例距离为0.5～1m/kg1/3时，不同公式的预测结果开始出现差异，其中Brode公式计算的超压峰值*大，Henrych公式计算的超压峰值*小；当比例距离小于0.5m/kg1/3时，各个公式的预测结果偏差都较大。因此，在使用上述公式时，有必要对所需比例距离进行全模型试验校核。 炸药爆炸一般可以假设是瞬时发生的，可以通过绝热爆炸过程来估计爆炸容器内的准静态压力。在已知容器体积V、炸药当量W和爆热Qv，以及炸药爆炸后混合气体的多方指数γ（一般取值1.3）的基础上，根据理想气体等熵和能量守恒方程，可得到准静态压力公式[9]： （1.1） 通过对相应试验数据进行拟合，李鸿宾等[7]和刘文祥等[8]分别得到了准静态压力计算公式，即 （1.2） （1.3） 式中， 为炸药释放的能量，包括爆炸能和燃烧能。 其中，式（1.2）由于考虑散热的原因，计算结果小于式（1.1）；式（1.3）表明准静态压力与当量容积比呈近似的正比关系。 3.数值模拟求解法 试验测试法只能得到某些点的冲击波超压，为了得到爆炸容器内各处的载荷分布还需借助数值模拟手段。姚哲芳等[11]利用AUTODYN软件对坑道中爆炸冲击波进行了有效模拟；张亚军等[12， 13]在冲击波系的演化中采用PPM格式求解欧拉（Euler）方程，对圆柱形爆炸容器的内爆炸流场进行了数值计算，结果表明爆炸容器封头顶点所受载荷*大，并研究了120kg当量TNT在爆炸塔内爆炸后载荷的分布特点。姚成宝等[14]利用LS-DYNA软件对无限空气中TNT爆炸的冲击波传播过程进行了计算，讨论了网格密度对计算结果的影响，当网格尺寸小于2mm时，计算结果基本趋于收敛；宋贵宝等[15]对船舱舱室内爆炸冲击波的分布特点进行了数值模拟；王芸艳等[16]对空气中爆炸冲击波在狭窄巷道转角处的传播特性进行了数值模拟；吕鹏飞等[17]对不同曲率半圆柱形弯曲巷道内爆炸冲击波的传播特性进行了数值模拟，结果表明LS-DYNA软件适用于结构复杂工况条件下爆炸冲击波的计算。王震等[18]对拱顶钢罐密闭空间内的爆炸载荷进行数值计算，讨论了罐体高径比、端盖半径等结构参数对爆心环面和端盖中心等特殊位置的壁面发射超压的影响，结果表明罐体结构参数对内爆轰场超压分布影响较大，在爆炸容器设计中应该予以重点关注。 对于钢质压力容器，庞崇安等[19]发现，流固耦合效应对冲击载荷的大小和分布无明显影响，考虑流固耦合时的冲击波超压峰值和不考虑流固耦合时的冲击波超压峰值基本一致；张亚军[20]在ALE方程中采用PPM格式来描述具有运动边界的爆炸流场，分别模拟了平板和椭球封头爆炸容器的流固耦合问题；邓贵德[21]提出了一种处理流固耦合问题的新思路，将爆炸容器内壁面受到爆炸作用前后的位置设为两种极限情况，分别按照刚性壁面进行计算，两种情况得出的超压峰值结果与采用流固耦合方法得到的结果误差很小；Kambouchev等[22]对多层复合结构爆炸容器进行了研究，结果表明泡沫铝夹芯在爆炸冲击作用下会发生很大变形，应考虑流固耦合效应对爆炸载荷的影响。 1.2.2　爆炸容器动力响应 1.壳体响应 与准静态载荷相比，在爆炸冲击载荷作用下爆炸容器的结构响应会涉及三类主要问题，即应变率效应、惯性效应和应变增长现象。 1）应变率效应 爆炸载荷具有瞬时性，意味着容器壳体会产生高应变率下的响应。Baker[23]认为在爆炸载荷作用下，钢质爆炸容器的应变率都将处于1～100s-1的范围内。应变率效应会对材料本构关系产生影响，高应变率下材料的弹性模量变化不大，材料的屈服极限和强度极限都得到了明显提高，延伸率明显下降。因此，当爆炸容器发生弹性变形时，可以不考虑应变率的影响；但涉及塑性大变形时，应变率效应的影响则不可忽略，此时结构应变峰值会明显降低，在数值模拟时需要采用应变率强化材料本构关系。 2）惯性效应 不同于一般准静态载荷作用下的压力容器，爆炸容器动力响应还必须考虑介质微元体的惯性效应，对此很多学者在理论分析方面做了大量工作。Baker[23]*早给出了球壳在球面波作用下的弹性响应理论解，表明在比例距离较大的情况下，即使相对较厚的壳体也可以通过薄壳理论求解，