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柱形爆炸容器振动特性的理论分析与实验研究

王定贤  
【摘要】: 爆炸容器作为一种特殊的压力容器,一般用来进行爆轰及爆炸效应的试验研究,也可作为某种特殊要求的安全防护构件。但到现在为止,人们对它尚缺乏充分认识,对爆炸容器的设计还处于静态设计水平,其动态设计和动力学研究工作尚不充分,美国和其他各国压力容器设计规范中均未见到有关爆炸容器的设计制造标准。本课题主要针对一柱形爆炸容器的振动特性进行研究,旨在通过对柱形容器的振动特性和规律的分析,为其他类似容器的设计提供技术参考。本文通过理论分析、数值模拟、实验研究三种方法对该爆炸容器的振动响应进行了多方面、多层次的分析与研究,取得了一些重要认识。 本文的主要研究内容和成果如下: ①以经典理论为基础,建立了容器的自由振动数学模型,推导得到了容器固有频率的解析式,为研究容器的动力学响应奠定基础。 ②应用Demchuk-Baker原理对柱形爆炸容器的一维弹性振动响应进行了分析,得出药量分别为10g、30g、50gTNT条件下爆炸容器的动力学响应曲线,指出了这种分析方法的局限性。在此基础上,分析了集中装药条件下容器的二维弹性振动响应。容器的二维弹性振动涉及了壳体的横向剪切和旋转惯性,将更接近真实响应情况,能较好的分析或解释一些容器振动响应现象。 ③应用ANSYS/LS-DYNA非线性有限元程序,采用容器与分布载荷(空气)耦合方法,对药量分别为10g、30g、50gTNT条件下的爆炸容器振动响应进行了有限元模拟,分析了应变波形的频谱特性。模拟结果认为,筒体的峰值应变随药量的增加而增加,但模拟所得的基频基本恒定不变,且十分接近固有频率的基频。④进行了三次化爆实验,测量了在不同爆炸载荷作用下筒体中截面处的环向应变,分析了应变波形的频谱特性。探索了实验药量、应变、振动基频、固有频率等物理参数之间的内在关系,初步讨论了理论研究、数值模拟和实际实验三种研究方法之间存在的差异及其产生差异的原因。三种方法的综合应用对于确保爆炸容器设计的可靠性具有重要意义。 本文研究成果对其他类似柱形爆炸容器设计有一定的参考价值。


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