大型爆炸容器动态应变测试与分析

爆炸容器常用于工业、国防等领域，能够承受和封闭一定当量的爆炸冲击波及爆炸产物的破坏作用，可有效保护人员、设备和环境的安全，是一种防护设备。在容器内实施封闭的化学爆炸时，容器内壁上冲击波的载荷特征是进行爆炸容器结构动力响应分析、安全评估和工程设计的基础。由于封闭爆炸条件下爆炸冲击波的产生、传播和对结构的作用是一个复杂的动力学过程，难以用理论方法获得完整的解析。因此获得比较准确可靠的内壁载荷时间和历程及分布情况，对研究结构动力响应意义重大。本文采用电测试验方法对爆炸防护结构进行动应变测试，获得内壁应力的变化情况，为此类大型爆炸容器的生产和研究提供参考。

工程概况

为取得爆炸焊接半球阻波结构体的结构设计实验依据，在某场所设置了1/6缩比实验模型，模型主体为半球壳体，底部、中部和上部各有1个加强环，表面还设置了加强筋。壳体直径6m，钢板厚6mm，筋板厚6mm、高50mm，上口直径1.33m，材料均为6mm的16MnR钢材，材料设计强度310MPa，弹性模量206GPa，泊松比0.3。模型完成后对其表面进行覆土，并采用2-5kg的各种药量和药形进行爆炸冲击实验，同时在壳体上进行瞬态冲击应变测试，再对测试结果进行计算，得到各测点的应力情况。

测试仪器选用聚航科技生产的JHDY超动态应变仪，所有通道同步采样，单通道采样率高达200khz，配有专用高速通讯软件，测试数据实时同步，自动生成测试报告。应变片采用直角应变花，单点温度补偿。

应变测试点的选择及传感器布置

在结构应力模拟计算分析的基础上，针对该结构爆破过程中的应力薄弱环节，设置了4个测试点（测试点具体位置见图1）。本次测试采用的传感器贴片的位置定在壳体加肋网格的中心点，应变片的布置规定如下：1）0°片方向平行于水平地面方向；2）90°片方向垂直于水平地面方向；3）0°片、45°片、90°片为逆时针方向排列。

图1 贴片位置

应变测试结果及分析

（1）经过一系列试验，分析各工况的动应力波形图得出：应力波形为典型的爆炸应力波形，球壳表面在爆炸冲击作用下的冲击应力峰值除第一次*大外，之后基本以拉压应力状态来回振动，而且振动应力在经过1-2个来回后立刻减小到100MPa以下。

（2）根据应变测试的结果，可计算出结构的*大应力和方向，各测点在不同工况下都满足防护罩用材料的设计强度要求。

（3）比较各测点主应力变化情况可得出：随着药量的增加，2号和1号位置的主应力增长幅度较大，其中2号位置的应力增长幅度*大，因此与其他点相比2号点*为薄弱，在实际生产中增加药量时应重点关注2号位置。

（4）根据5kg炸药不同药形下各测点应力的比较，分析不同药形情况下的应力变化情况可发现，根据药形的不同，3号和4号位置的应力变化明显不同，由此可推断出药形的不同对壳体不同部位的影响是不同的，因此在实际使用中必须引进形状系数的概念来指导生产。

结论

1. 土的堆压可削弱球壳振动，因此通过增加或减小土的质量来达到消除单次爆炸引起的疲劳问题，即通过调整覆土量达到单次爆炸球壳振动，经过1-2个来回后立即减小到材料的疲劳极限以下，就可以忽略单次爆炸引起的球壳的振动疲劳问题，只需考虑多次爆炸引起的疲劳。

2. 本次各工况中，除5kg药量的一个工况结果偏大外，其他都能满足模型的设计强度，因此这次试验可以为最终实体的设计提供依据。

3. 随着药量的增加，2号位置即球壳的排气孔附近应力增加最快，这是壳体最为薄弱的环节，应该通过增加筋板来解决这个问题。

4. 同一药量不同药形对结构不同位置的应力影响很大，因此炸药的形状系数也应引入到试验中，作为评定材料安全和指导生产的一条重要指标。