大型爆炸焊接半球消波器研究

论文摘要

爆炸容器广泛应用于工业、国防、科研等领域,随着爆炸技术的进步,爆炸容器已成为爆炸法制备纳米材料、爆炸焊接、爆炸压实和爆炸成型等生产所必须的设备。由于对复合板面积要求日益增大,相应要求爆炸容器的有效空间也越来越大,炸药的爆炸当量也相应增加,爆炸容器的设计和使用也面临越来越多的问题;另一方面,因爆破噪声扰民、房屋损坏而造成的矛盾日显突出。爆炸焊接经常会涉及到结构安全防护问题,如何有效地进行爆炸容器结构设计是该领域重要的研究课题之一。对于大型爆炸容器的设计和使用,采用有限元数值模拟对于结构安全评估和结构参数优化都具有重要的研究意义,但是由于数值模拟方法受到计算条件的限制,在结构加工、单元划分、边界条件确定、参数的选取等方面带有人为的因素,因此对大型爆炸容器的研究应该将数值模拟与模型实验相结合,才能得出一些可靠的结论。本文对大型爆炸焊接半球消波器进行研究,主要遵循以下原则:安全性、经济性、消波效果、生产效率（排烟效率）及耐久性。主要研究内容:结构静力分析、屈曲分析、动态响应分析及排烟效率分析。采用LS-DYNA程序和理论公式对原型爆炸冲击载荷进行计算并用LS-DYNA对模型进行流固耦合分析;用ANSYS程序分析消波器结构在土压条件下的静力强度、稳定性和爆炸冲击载荷下的瞬态应力分布;采用STAR-CD模拟了球壳中爆生气体的流动。主要研究成果有:1静载作用下的结构强度将上覆土作为结构的荷载,采用有限元方法分析了结构在静载作用下的强度和变形特性。研究表明,无论对于上部开口8m还是15m的结构,结构绝大部分的等效应力小于材料的强度设计值。而等效应力大于材料强度设计值的部位,发生在应力集中部位,例如板与门框和地粱的相会处,在设计中应予重视。2静载作用下的稳定性根据弹性屈曲理论和有限元模拟方法,对不同结构形式下的屈曲稳定性进行了模拟研究。研究表明,当结构采用24根肋时,结构屈曲稳定性安全系数为2.532:当结构采用48根肋、上部开口为8m时,结构屈曲稳定性安全系数为4.276;当结构采用48根肋、上部开口为15m时,结构屈曲稳定性安全系数为3.629。用光学投影条纹法测试了球壳变形量,并进行了过载一倍试验,实验证实球壳稳定性安全系数超过2.52倍;用ANSYS程序分析了消波器在土压条件下的应力场、静压稳定性,计算结果其安全系数为4.276,因此结构安全。3动态响应数值模拟分析结果通过LS-DYNA数值模拟可以发现,消波器正上方附近为最大压应力区。对炸药质量分别为600kg,800kg,1000kg三种情况进行分析,随炸药质量的增加,反射超压极值逐渐增加,而且极值产生时间提前。计算结果表明,在爆炸冲击荷载作用下模型或原型结构的大部分等效应力小于材料强度的设计值,局部部位由于应力集中的影响,有限元计算的等效应力值会大于材料强度的设计值。由于在爆炸响应计算时,没有考虑结构上大量粱和肋的综合作用,实际的应力会比有限元模拟结果小很多。动载应力测试为典型爆炸冲击下应力测试结果。球壳在爆炸冲击作用下第一次冲击应力峰值最大,之后基本以拉压应力状态来回振动,经过1～2个来回后立刻减小到100MPa以下,土的堆压对消除球壳振动起到了较好的作用。因为爆炸冲击波作用时间很短,故在球壳应力校核时只需考虑单次的正压冲击,可以不考虑冲击波在球壳中的复杂反射过程。刚性位移测试表明,5kg炸药爆炸时下底环最大位移仅为4mm（平均2mm）。300余次加强冲击疲劳试验表明,球壳整体结构无破坏,2处局部焊缝开裂,在将振松的土石回填后,裂纹不再扩展。4排烟效率分析对比理论分析与三维数值模拟得到1/6模型和原型的时间比例常数为2.5。故根据1/6模型测得的CO衰减至50PPM所用的时间,可推算出,当环境处于一级风,且风向符合下进上排时,原型消波器CO浓度衰减至50PPM的时间需要8分钟;当环境处于一级风,且风向符合上进下排时,原型CO浓度衰减至50PPM的时间需要25分钟。根据数值模拟结果可知,在上排气口总面积相同的条件下,单上排气口布置方案明显优于多上排气口布置方案。对于单上排气口布置方案,在相同排气口直径条件下,随排气口高度的增加,CO浓度衰减到标准状态所用的时间增加。5在模型上进行了抗爆试验,分别采用炸药量为2kg、3kg、4kg、5kg,按模型率放大到原型,将对应432kg、648kg、864kg和1080kg铵油炸药,分别对应TNT当量为331kg、497kg、663kg、828kg。在该模型上进行了加强多次爆破冲击疲劳试验,进行了300余次爆破实验,采用药量为6kg铵油,折算至原型上为1296kg铵油,994kgTNT当量。6消声试验表明,在正对进出口方向冲击波超压消减50%,90°方向消减到90%,消波效果较为明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 爆炸焊接容器国内外研究状况
• 1.3 世界爆炸焊接工厂场地状态
• 1.3.1 日本旭化成爆炸场地情况
• 1.3.2 DMC（Dynamic Materials Corporation）爆炸焊接场地情况
• 1.3.3 国内爆炸焊接工厂情况
• 1.4 消波器研究的主要内容和技术路线
• 1.4.1 消波器研究的主要内容
• 1.4.2 消波器研究的技术路线
• 1.5 本项研究的意义
• 2 爆炸焊接半球消波器静力分析
• 2.1 球壳受力分析
• 2.2 回转壳的薄膜应力状态
• 2.3 回转壳的轴对称变形问题
• 2.4 薄壳结构强度的有限元模拟分析
• 2.4.1 薄板有限元分析的力学模型
• 2.4.2 有限元解法
• 2.5 静载条件下壳体的应力场分布有限元模拟
• 2.5.1 半球壳上部开口直径为8m的静力计算
• 2.5.2 半球壳上部开口直径为15m的静力计算
• 2.6 本章小结
• 3 爆炸焊接半球消波器稳定性分析
• 3.1 板壳稳定性理论发展的历史及现状
• 3.2 球壳稳定性分析的经典方法
• 3.3 结构稳定性分析的有限元数值模拟计算方法
• 3.3.1 板的屈曲理论
• 3.3.2 小挠度理论板的平衡方程
• 3.3.3 薄板屈曲分析的有限单元法
• 3.3.4 半球结构屈曲的数值计算
• 3.4 模型律分析
• 3.4.1 模型律分析概述
• 3.4.2 模型律的基本原理π定理
• 3.4.3 动力问题的模型律
• 3.4.4 用方程导出结构稳定性模型关系
• 3.5 塑料模型试验
• 3.5.1 数字投影条纹技术简介
• 3.5.2 基本原理
• 3.5.3 测试装置及过程
• 3.5.4 形貌测试结果
• 3.6 本章结论
• 4 爆炸荷载作用下消波器动力响应计算
• 4.1 概述
• 4.2 爆炸相似律
• 4.2.1 超压基准方程
• 4.2.2 冲量基准方程
• 4.2.3 冲击波超压计算公式
• 4.3 原型冲击波超压数值估算
• 4.3.1 LS-DYNA简介
• 4.3.2 原型冲击波超压数值模拟修正
• 4.4 模型动应力计算
• 4.4.1 模型概述
• 4.4.2 数值模拟
• 4.4.3 炸药-空气的数值模拟
• 4.4.4 模型球壳压力
• 4.4.5 模型球壳等效应力
• 4.5 模型底部约束形式分析
• 4.5.1 壳底Y方向约束固壁面超压云图及时程图
• 4.5.2 壳底无约束固壁面超压云图及时程图
• 4.5.3 壳底全约束固壁面超压云图及时程图
• 4.6 模型在覆土作用下数值计算
• 4.6.1 动力分析
• 4.6.2 数值模拟
• 4.6.3 不同厚度下等效应力变化情况
• 4.7 原型结构动态响应计算
• 4.7.1 动力分析概述
• 4.7.2 结构上部开口直径8m的动态响应模拟
• 4.7.3 结构上部开口直径15m的动态响应模拟
• 4.8 模型结构位移测试
• 4.8.1 位移测试原理
• 4.8.2 测试方案
• 4.8.3 测试结果
• 4.9 模型结构应力测试
• 4.9.1 测试原理
• 4.9.2 测试结果
• 4.10 本章小结
• 5 爆炸焊接半球消波器通风数值模拟
• 5.1 概述
• 5.2 数值模拟
• 5.2.1 消波器实体模型
• 5.2.2 数学方程及计算模型
• 5.3 模型与原型有害气体浓度衰减时间比例常数研究
• 5.3.1 模型与原型有害气体浓度衰减时间比例常数的相似理论分析
• 5.3.2 模型与原型有害气体浓度衰减时间比例常数的数值模拟
• 5.4 消波器模型有害气体浓度衰减历程试验
• 5.5 消波器几何参数对有害气体浓度衰减历程的影响
• 5.5.1 上排气口不同布置方式对CO浓度衰减历程的影响分析
• 5.5.2 不同排气口高度对CO浓度衰减历程的影响分析
• 5.5.3 上排气口不同直径对CO浓度衰减历程的影响分析
• 5.6 强制通风对有害气体浓度衰减历程的影响
• 5.6.1 下通风对有害气体浓度衰减历程的影响
• 5.6.2 强制通风设计讨论
• 5.7 模型降压消声试验
• 5.7.1 超压测试原理
• 5.7.2 测试方案
• 5.7.3 超压测试结果
• 5.7.4 结果分析
• 5.7.5 超压图谱
• 5.8 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所完成与发表的主要学术论文情况
• 攻读博士学位期间所参加的科研项目
• 论文创新点摘要
• 致谢