离散多层爆炸容器动力响应及其工程设计方法研究

论文摘要

爆炸容器是一种潜在危险的限域装置,它能限制爆炸冲击波和产物的作用范围,对试验人员和设备实现有效的近距离保护,方便对爆炸和爆轰过程进行观察和测试,因此被广泛地应用于国防军事、爆炸加工、危险物质储运和科学研究等领域。随着爆炸容器的大型化,目前广泛使用的单层爆炸容器的固有缺点逐渐显露出来,如制造困难、成本高、厚钢板（锻件）质量不易保证等,难以满足爆炸容器大当量化的要求。因此研究新型结构爆炸容器来满足爆炸容器大当量化的要求具有十分重要的意义。本文以国家自然科学基金课题“密闭多层圆柱壳在内爆炸强动载荷下的动力响应和寿命研究”（项目编号:10372091）和“多层圆柱形爆炸容器设计方法研究”（项目编号:50675195）为依托,对离散多层爆炸容器在爆炸冲击载荷作用下的弹塑性动力响应及其设计方法进行了较为深入的研究。本文的主要研究内容为:（1）建立了弹性动力响应理论计算模型。通过将位移解分离为满足给定边界条件的准静态解和满足初始条件的动态解的方法求解内外层的径向位移,其中准静态解由齐次线性方法和边界条件确定,动态解通过有限Hankel积分变换和Laplace积分变换求得。在相同的内部动载荷作用下,对几何尺寸、材料均相同的多层离散圆筒和单层圆筒的动力响应进行了对比分析;对钢带缠绕倾角、内外层厚度比和内外层材料组合对动力响应的影响进行了研究。（2）建立了刚塑性动力响应理论计算模型。采用刚塑性材料本构模型,对整体均布矩形载荷和局部载荷作用下的离散多层爆炸容器的动力响应进行了研究;通过引入钢带有效质量因子,得到了具有较高精度的内筒和外钢带层最大位移和动力响应时间的计算公式;揭示了离散多层爆炸容器存在着各层分离和各层共同运动这两种运动模式,并给出了两种运动模式转换的条件。（3）基于LS-DYNA和ABAQUS,建立了离散多层爆炸容器的刚塑性动力响应三维数值分析模型。通过对比分析LS-DYNA和ABAQUS计算结果,确定了接触计算中关键参数的设置。在此基础上,数值计算了离散多层爆炸容器的动力响应,进一步证明了容器存在着各层分离和共同运动这两种运动模式,数值计算结果与理论分析结果符合良好。（4）建立了考虑材料应变强化效应和应变率效应的塑性动力响应理论计算模型。针对离散多层爆炸容器可能出现的各层分离和共同运动这两种运动模式,分别推导出两种运动模式下的最大位移计算公式和等效塑性应变计算公式。通过数值计算,证明了最大位移计算公式和等效塑性应变公式具有较高的精度。（5）基于LS-DYNA,建立了局部载荷作用下考虑材料应变强化效应和应变率效应的塑性动力响应数值计算模型。根据材料组合的不同,再次证实了离散多层爆炸容器存在着各层分离和各层共同运动这两种不同的运动模式。在局部载荷作用下,发现了外层钢带层在运动后期存在的一种非薄膜运动模式;在各层共同运动条件下,发现离散多层爆炸容器的最大等效塑性应变总是出现在内筒中心截面处,并且各钢带层的等效塑性应变基本不随钢带的后期非薄膜运动而变化。（6）提出了多次使用和单次使用离散多层爆炸容器的设计方法。对于多次使用离散多层爆炸容器,为便于工程应用,推导出一组方便的计算内筒和各层钢带层应力和位移的理论公式,通过引入安全系数,得到了容器最大的允许爆炸载荷。对于单次使用离散多层爆炸容器,阐明了内筒和钢带层的等效塑性应变是衡量容器强度的最重要指标,提出了极限应变设计准则,并给出了钢带层缠绕倾角、内外层厚度比和材料组合的选择原则。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目次
• 符号说明
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 爆炸容器动力学研究进展
• 1.2.1 爆炸载荷
• 1.2.2 尺寸效应
• 1.2.3 应变增长
• 1.2.4 失效机制和失效准则
• 1.3 爆炸容器设计方法研究进展
• 1.3.1 多次使用爆炸容器
• 1.3.1.1 金属材料爆炸容器
• 1.3.1.2 复合材料爆炸容器
• 1.3.2 单次使用爆炸容器
• 1.3.2.1 金属材料爆炸容器
• 1.3.2.2 复合材料爆炸容器
• 1.4 离散多层爆炸容器研究现状
• 1.4.1 结构及特点
• 1.4.2 静载荷下容器的研究进展
• 1.4.3 爆炸载荷下容器的研究进展
• 1.4.4 存在的问题
• 1.5 本文的主要研究内容
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 主要内容
• 2 离散多层爆炸容器的弹性动力响应研究
• 2.1 引言
• 2.2 理论分析
• 2.2.1 内筒动态弹性响应
• 2.2.2 钢带缠绕层弹性动力响应
• 2.2.3 边界压力
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 离散多层筒体与单层筒体的比较
• 2.3.1.1 θ=0的离散多层圆筒的弹性动力响应
• 2.3.1.2 θ=15的离散多层圆筒的弹性动力响应
• 2.3.2 离散多层圆筒动态响应的影响因素分析
• 2.3.2.1 内筒厚度
• 2.3.2.2 内筒和钢带层材料组合
• 2.3.2.3 缠绕倾角θ的影响
• 2.4 本章小结
• 3 离散多层爆炸容器的刚塑性动力响应研究
• 3.1 引言
• 3.2 均布矩形极高载作用下的刚塑性动力响应理论分析
• 3.2.1 基本假设及基本方程
• 3.2.2 屈服条件
• 3.2.3 连续条件
• 3.2.4 边界条件和初始条件
• 3.2.5 静态极限载荷
• 3.2.6 运动分析
• 3.2.7 初始速度法分析
• 3.3 局部载荷作用下的刚塑性动力响应理论分析
• 3.3.1 局部载荷的等效
• 3.3.2 等效载荷作用下单层壳体的刚塑性动力响应
• 3.3.3 等效局部载荷下离散多层爆炸容器刚塑性动力响应
• 3.4 数学建模
• 3.4.1 基本假设
• 3.4.2 几何参数和材料参数
• 3.4.3 有限元模型
• 3.4.4 有限元计算结果
• 3.4.4.1 整体均布加载
• 3.4.4.2 局部加载
• 3.5 分析与讨论
• 3.5.1 均布加载与局部加载下内筒和钢带层的运动
• 3.5.2 关于单元选择的讨论
• 3.5.3 关于LS-DYNA接触参数设置的讨论
• 3.6 本章小结
• 4 离散多层爆炸容器的塑性动力响应研究
• 4.1 引言
• 4.2 单层圆柱形爆炸容器的试验及理论研究
• 4.2.1 介质为液体的圆柱形爆炸容器
• 4.2.2 介质为空气的圆柱形爆炸容器
• 4.3 考虑应变硬化效应和应变率效应的塑性动力响应分析
• 4.3.1 基本假设及控制方程
• 4.3.2 塑性动力响应
• 4.3.2.1 各层分离
• 4.3.2.2 各层共同运动
• 4.4 数学建模
• 4.4.1 材料模型
• 4.4.2 几何参数
• 4.4.3 有限元模型
• 4.4.4 有限元计算结果
• 4.4.4.1 各层分离
• 4.4.4.2 各层共同运动
• 4.5 分析与讨论
• 4.6 本章小结
• 5 离散多层爆炸容器设计方法研究
• 5.1 引言
• 5.2 设计准则
• 5.2.1 多次使用离散多层爆炸容器
• 5.2.2 单次使用离散多层爆炸容器
• 5.3 多次使用离散多层爆炸容器的设计方法
• 5.3.1 简化计算公式
• 5.3.1.1 位移计算公式
• 5.3.1.2 各层最大位移和最大应力
• 5.3.2 冲量计算公式
• 5.3.3 设计准则的实现
• 5.3.3.1 矩形载荷
• 5.3.3.2 三角形载荷
• 5.3.3.3 冲量载荷
• 5.3.4 动力响应分析
• 5.3.4.1 矩形载荷加载
• 5.3.4.2 三角形载荷加载
• 5.3.4.3 弹性动力响应分析与讨论
• 5.3.5 容器结构参数的确定
• 5.4 单次使用离散多层爆炸容器的设计方法
• 5.4.1 实例分析
• 5.4.1.1 容器结构尺寸
• 5.4.1.2 材料的选择
• 5.4.1.3 载荷的确定
• 5.4.1.4 动力响应的理论计算
• 5.4.1.5 试验结果
• 5.4.1.6 理论计算结果和数值计算结果
• 5.4.1.7 结果分析
• 5.4.2 单次使用爆炸容器设计
• 5.4.2.1 缠绕倾角
• 5.4.2.2 内外层厚度选择
• 5.4.2.3 材料选择
• 5.4.2.4 许用极限应变
• 5.4.2.5 单次使用离散多层爆炸容器的设计流程
• 5.5 离散多层爆炸容器与单层爆炸容器承载能力的比较
• 5.5.1 单层爆炸容器试验结果
• 5.5.2 离散多层爆炸容器结构尺寸及材料
• 5.5.3 离散多层爆炸容器动力响应与单层爆炸容器的比较
• 5.6 结果分析及讨论
• 5.6.1 与AWE方法的比较
• 5.6.2 与LANL&ASME TGILV方法的比较
• 5.6.3 与RFNC-VINEF研究的比较
• 5.7 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 主要创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 作者简历及在读期间所取得的科研成果