一种模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定方法

摘要

本发明涉及一种模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定方法。其技术方案是：在已知模拟深水环境爆炸试验用容器（以下或简称容器）的约束条件、模拟水深、允许装药量、容器结构、容器尺寸和容器材料的条件下，建立模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定模型：然后根据所述容器的壁厚确定模型即得容器的壁厚δe。本发明具有能满足实际承载需要、能降低加工成本、安全可靠和使用方便的特点。

权利要求

1.一种模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定方法，其特征在于所述壁厚确定方法的具体步骤是：步骤1、确定模拟深水环境爆炸试验用容器的技术参数所述模拟深水环境爆炸试验用容器或简称容器；

①容器结构：容器为轴对称结构，即为球形结构、或为由中部圆柱直段和两端标准椭圆封头组成的圆柱形结构；

②容器尺寸：容器筒体内的有效试验空间；

③模拟水深：物体在水下所承受的压强与容器充满水后加载的静压相等时的水的深度，每10m水深的压强相当于一个标准大气压，即0.1MPa；

④允许装药量：在容器不发生塑性变形的前提下，容器内部中心位置处能承受的最大爆炸载荷的TNT当量；

⑤容器材料：容器主体材料为Q345R钢或为Q245R钢；

⑥约束条件：容器筒体为薄壁筒体，薄壁筒体是指模拟深水环境爆炸试验用容器的筒体厚度与所述筒体内壁的曲率半径之比≤0.2；

步骤2、建立模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定模型式(1)中：R为容器筒体的半径，m；

W为允许装药量，kg；

m和γ为水下爆炸参数；

pc为允许加载静压，Pa；允许加载静压pc是当模拟深水环境爆炸试验用容器在充满水时，在容器内部中心位置处的允许装药量W的爆炸载荷下，容器不发生塑性变形和漏水时所承受的最大加载静压pc；

E为容器筒体材料的弹性模量，Pa；

σt为容器筒体材料的许用应力，Pa；

δe为容器筒体的厚度，即容器的壁厚，m；

步骤3、由式(1)，即得所述模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚δe。

2.根据权利要求1所述的模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定方法，其特征在于所述水下爆炸参数m和γ的取值是：炸药类型为TNT时，m＝0.083，γ＝2.05；

炸药类型为PETN时，m＝0.171，γ＝2.16；

炸药类型为TNT50/PETN50时，m＝0.106，γ＝2.12；

根据相似原理进行换算，即得其他炸药类型的爆炸参数m和γ。

3.根据权利要求1所述的模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定方法，其特征在于所述容器筒体材料的许用应力σt与容器的筒体材料和厚度有关：

1)容器的筒体材料为Q245R

容器筒体的厚度δe为6～16mm时，许用应力σt为133MPa；

t

容器筒体的厚度δe为16～36mm时，许用应力σ为132MPa；

容器筒体的厚度δe为36～60mm时，许用应力σt为126MPa；

2)容器筒体材料为Q345R

容器筒体的厚度δe为6～16mm时，许用应力σt为170MPa；

容器筒体的厚度δe为16～36mm时，许用应力σt为163MPa；

容器筒体的厚度δe为36～60mm时，许用应力σt为157MPa。

说明书

一种模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定方法

技术领域

[0001] 本发明属于爆炸试验用容器技术领域。具体涉及一种模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定方法。

背景技术

[0002] 随着水下爆炸在军事、经济建设中越来越广泛的应用，合理利用水下爆炸能量对目标进行有效破坏，在复杂的水下爆炸环境中对水工设施和建筑物采取有效防护，最大限度降低爆炸负效应等问题，已经成为爆破工程应用和学术研究机构普遍关心的课题。由于水下爆炸的作用机理极为复杂，只有少数问题存在解析解，而水下爆炸的复杂环境也导致了水下爆炸试验研究周期长、耗费多、成功率低、试验观测的可操作性差，且水下爆炸试验大多属于破坏性试验，测试所获得的数据非常有限。模拟深水环境爆炸试验用容器就是在密闭容器中填充水介质、通过加载一定静压来模拟不同的水深条件、利用小药量进行炸药水下爆炸作用规律研究的一种水下爆炸试验设备。该设备能够在方便的试验环境中安全可靠、高频度地模拟水下环境进行爆炸试验，还能够限制水下爆炸冲击波和爆轰产物的作用范围，并对试验人员和试验设备进行有效的近距离保护。与野外自然水域试验条件相比，它具有试验仪器便于安放、试验数据便于采集、试验外部条件可控性强的优点。如何确定模拟深水环境爆炸试验用容器的直径、壁厚和所使用药量之间的关系，对于确保模拟深水环境爆炸试验用容器的安全使用和充分发挥其效能具有重要的理论意义和实用价值。

[0003] 目前，对模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定方法主要是以水下爆炸冲击波反射超压峰值作为工作压力，按照爆炸容器壁厚确定时常用的动力系数法进行确定。现有方法主要存在以下两个难点：第一，水下爆炸和空气中爆炸相比，冲击波的峰值较大，但正压作用时间较短，仅为同等峰值空气中冲击波的1/100，若直接以冲击波反射超压峰值作为工作压力，按照空气介质爆炸容器壁厚确定方法进行壁厚的确定，则所确定的壁厚值会非常大，从而难以得到实际应用；第二，动力系数的选择一般依据设计人员的实践经验，往往具有一定的盲目性，无法得到合适的壁厚。因此，现有的模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定方法很难实施。

发明内容

[0004] 本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定方法，用该方法确定的模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚能满足实际承载需要、能降低加工成本、安全可靠和使用方便。

[0005] 为实现上述任务，本发明的技术方案包括以下步骤：

[0006] 步骤1、确定模拟深水环境爆炸试验用容器（或简称容器）的技术参数[0007] ①容器结构：容器为轴对称结构，即为球形结构、或为由中部圆柱直段和两端标准椭圆封头组成的圆柱形结构；

[0008] ②容器尺寸：容器筒体内的有效试验空间；

[0009] ③模拟水深：物体在水下所承受的压强与容器充满水后加载的静压相等时的水的深度，每10m水深的压强相当于一个标准大气压，即0.1MPa；

[0010] ④允许装药量：在容器不发生塑性变形的前提下，容器内部中心位置处能承受的最大爆炸载荷的TNT当量；

[0011] ⑤容器材料：容器主体材料为Q345R钢或为Q245R钢；

[0012] ⑥约束条件：容器筒体为薄壁筒体，薄壁筒体是指模拟深水环境爆炸试验用容器的筒体厚度与所述筒体内壁的曲率半径之比≤0.2。

[0013] 步骤2、建立模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定模型

[0014]

[0015] 式（1）中：R为容器筒体的内径，m；

[0016] W为允许装药量，kg；

[0017] m和γ为水下爆炸参数；

[0018] pc为允许加载静压，Pa；

[0019] E为容器筒体材料的弹性模量，Pa；

[0020] σt为容器筒体材料的许用应力，Pa；

[0021] δe为容器筒体的厚度，即容器的壁厚，m。

[0022] 步骤3、由式(1)，即得所述模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚δe。

[0023] 所述允许加载静压pc是当模拟深水环境爆炸试验用容器在充满水时，在容器内部中心位置处的允许装药量W的爆炸载荷下，容器不发生塑性变形和漏水时所承受的最大加载静压pc。

[0024] 所述水下爆炸参数m和γ的取值是：

[0025] 炸药类型为TNT时，m＝0.083，γ＝2.05；

[0026] 炸药类型为PETN时，m＝0.171，γ＝2.16；

[0027] 炸药类型为TNT50/PETN50时，m＝0.106，γ＝2.12；

[0028] 根据相似原理进行换算，即得其他炸药类型的爆炸参数m和γ。

[0029] 所述容器筒体材料的许用应力σt与容器的筒体材料和厚度有关：

[0030] 1)容器的筒体材料为Q245R

[0031] 容器筒体的厚度δe为6～16mm时，许用应力σt为133MPa；

[0032] 容器筒体的厚度δe为16～36mm时，许用应力σt为132MPa；

[0033] 容器筒体的厚度δe为36～60mm时，许用应力σt为126MPa。

[0034] 2)容器筒体材料为Q345R

[0035] 容器筒体的厚度δe为6～16mm时，许用应力σt为170MPa；

[0036] 容器筒体的厚度δe为16～36mm时，许用应力σt为163MPa；

[0037] 容器筒体的厚度δe为36～60mm时，许用应力σt为157MPa。

[0038] 由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：

[0039] 第一、现有模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定方法是直接以水下爆炸冲击波反射超压峰值作为工作压力，采用动力系数法进行壁厚确定，其中动力系数的选择是根据试验和经验确定，并留有充足的冗余，这样会导致容器的壁厚值过大，增加加工成本。本发明建立的模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定模型，通过该模型所确定的模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚能明显减小。统计数据显示，采用本发明所述壁厚的确定方法所确定的壁厚仅为现有技术所确定的壁厚的40～70%，不仅能显著降低模拟深水环境爆炸试验用容器的加工成本，且由于重量轻而使用方便。

[0040] 第二、本发明建立的模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定模型，不需要人为确定动力系数，减少了设计过程中的主观因素，使所述壁厚的确定方法更为简单、准确和可靠。

[0041] 第三、按照本发明所述方法确定的壁厚加工成模拟深水环境爆炸试验用容器，对该容器进行安全性测试试验，试验结果显示所述容器未发生塑性变形和漏水，充分说明本发明所述方法不仅能满足实际承载需要，且安全可靠。

[0042] 因此，本发明具有能满足实际承载需要、能降低加工成本、安全可靠和使用方便的特点。

具体实施方式

[0043] 下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。

[0044] 为避免重复，先将本具体实施方式所涉及的技术参数统一描述如下，实施例中不再赘述：

[0045] 所述的允许加载静压pc是当模拟深水环境爆炸试验用容器在充满水时，在容器内部中心位置处的允许装药量W的爆炸载荷下，容器不发生塑性变形和漏水时所承受的最大加载静压pc。

[0046] 所述水下爆炸参数m和γ的取值是：

[0047] 炸药类型为TNT时，m＝0.083，γ＝2.05；

[0048] 炸药类型为PETN时，m＝0.171，γ＝2.16；

[0049] 炸药类型为TNT50/PETN50时，m＝0.106，γ＝2.12；

[0050] 根据相似原理进行换算，即得其他炸药类型的爆炸参数m和γ。

[0051] 所述容器筒体材料的许用应力σt与容器的筒体材料和厚度有关：

[0052] 1)容器的筒体材料为Q245R

[0053] 容器筒体的厚度δe为6～16mm时，许用应力σt为133MPa；

[0054] 容器筒体的厚度δe为16～36mm时，许用应力σt为132MPa；

[0055] 容器筒体的厚度δe为36～60mm时，许用应力σt为126MPa。

[0056] 2)容器筒体材料为Q345R

[0057] 容器筒体的厚度δe为6～16mm时，许用应力σt为170MPa；

[0058] 容器筒体的厚度δe为16～36mm时，许用应力σt为163MPa；

[0059] 容器筒体的厚度δe为36～60mm时，许用应力σt为157MPa。

[0060] 实施例1

[0061] 一种模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定方法。其具体步骤是：

[0062] 步骤1、确定模拟深水环境爆炸试验用容器（或简称容器）的技术参数[0063] ①容器结构：容器为轴对称结构，即为由中部圆柱直段和两端标准椭圆封头组成的圆柱形结构；

[0064] ②容器尺寸：容器筒体内的有效试验空间，具体尺寸为Ф2000mm×3000mm（含椭圆封头部分）；

[0065] ③模拟水深：物体在水下所承受的压强与容器充满水后加载的静压相等时的水的深度，本实施例的模拟水深为200m，即为容器充满水后的加载静水压为2MPa；

[0066] ④允许装药量：在容器不发生塑性变形的前提下，容器内部中心位置处能承受的最大爆炸载荷为0.01kgTNT当量；

[0067] ⑤容器材料：容器主体材料为Q345R钢；

[0068] ⑥约束条件：容器筒体为薄壁筒体，薄壁筒体是指模拟深水环境爆炸试验用容器的筒体厚度与所述筒体内壁的曲率半径之比≤0.2。

[0069] 步骤2、建立模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定模型

[0070]

[0071] 式（1）中：R为容器筒体的内径，R=1m；

[0072] W为允许装药量，W=0.01kg；

[0073] m和γ为水下爆炸参数，m=0.083，γ=2.05；

[0074] pc为允许加载静水压，pc=2×106Pa；

[0075] E为容器筒体材料的弹性模量，E=2×1011Pa；

[0076] σt为容器筒体材料的许用应力，σt=163×106Pa；

[0077] δe为容器筒体的厚度δe，即容器的壁厚，m。

[0078] 步骤3、由式(1)，即得模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚δe

[0079] δe≈0.028m。

[0080] 本实施例所确定的容器壁厚为28mm。与现有技术中的容器壁厚的确定方法相比，容器壁厚显著减小。如按照本实施例确定的模拟深水环境爆炸试验用容器的技术参数，以水中冲击波反射超压峰值作为工作压力，选择动力系数为2，所确定的容器壁厚为61mm。可见，采用本实施例所述壁厚的确定方法所确定的壁厚仅为现有技术所确定的壁厚的46%。

[0081] 按照本实施例中确定的容器壁厚δe≈0.028m加工成模拟深水环境爆炸试验用容器，再对其进行了安全性测试试验，试验结果显示：该模拟深水环境爆炸试验用容器在充满水后的加载静压为2MPa和容器内部中心位置处的炸药为0.01kgTNT当量时，爆炸后没有发生塑性变形和漏水，说明该容器的壁厚δe≈0.028m满足实际需要。

[0082] 实施例2

[0083] 一种模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定方法。其具体步骤是：

[0084] 步骤1、确定模拟深水环境爆炸试验用容器（或简称容器）的技术参数[0085] ①容器结构：容器为轴对称结构，容器主体为球形结构；

[0086] ②容器尺寸：容器筒体内的有效试验空间，直径为3000mm；

[0087] ③模拟水深：物体在水下所承受的压强与容器充满水后加载的静压相等时的水的深度，本实施例的模拟水深为300m，即为容器充满水后的加载静水压为3MPa；

[0088] ④允许装药量：在容器不发生塑性变形的前提下，容器内部中心位置处能承受的最大爆炸载荷为0.05kgTNT当量；

[0089] ⑤容器材料：容器主体材料为Q245R钢；

[0090] ⑥约束条件：容器筒体为薄壁筒体，薄壁筒体是指模拟深水环境爆炸试验用容器的筒体厚度与所述筒体内壁的曲率半径之比≤0.2。

[0091] 步骤2、建立模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定模型

[0092]

[0093] 式（1）中：R为容器筒体的内径，R=1.5m；

[0094] W为允许装药量，W=0.05kg；

[0095] m和γ为水下爆炸参数，m=0.083，γ=2.05；

[0096] pc为允许加载静水压，pc=3×106Pa；

[0097] E为容器筒体材料的弹性模量，E=2.1×1011Pa；

[0098] σt为容器筒体材料的许用应力，σt=157×106Pa；

[0099] δe为容器筒体的厚度δe，即容器的壁厚，m。

[0100] 步骤3、由式(1)，即得模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚δe

[0101] δe≈0.076m。

[0102] 本实施例所确定的容器壁厚为76mm。而与现有技术中的容器壁厚的确定方法相比，容器壁厚显著减小，如按照本实施例确定的模拟深水环境爆炸试验用容器的技术参数，以水中冲击波反射超压峰值作为工作压力，选择动力系数为2，所确定的容器壁厚达112mm。可见，采用本实施例所述壁厚的确定方法所确定的壁厚仅为采用现有技术所确定的壁厚的
68%。

[0103] 按照本实施例中确定的容器壁厚δe≈0.076m加工成模拟深水环境爆炸试验用容器，对其进行了安全性测试试验，试验结果显示：该模拟深水环境爆炸试验用容器在充满水后的加载静水压为3MPa和容器内部中心位置处的炸药为0.05kgTNT当量时，在爆炸后没有发生塑性变形和漏水，说明该容器的壁厚δe≈0.076m满足实际需要。

[0104] 本具体实施方式与现有技术相比具有如下优点：

[0105] 第一、现有模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定方法是直接以水下爆炸冲击波反射超压峰值作为工作压力，采用动力系数法进行壁厚确定，其中动力系数的选择是根据试验和经验确定，并留有充足的冗余，这样会导致容器的壁厚值过大，增加加工成本。本具体实施方式建立的模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定模型，通过该模型所确定的模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚能明显减小。统计数据显示，采用本具体实施方式所述壁厚的确定方法所确定的壁厚仅为现有技术所确定的壁厚的40～70%，不仅能显著降低模拟深水环境爆炸试验用容器的加工成本，且由于重量轻而使用方便。

[0106] 第二、本具体实施方式中建立的模拟深水环境爆炸试验用容器的壁厚确定模型，不需要人为确定动力系数，减少了设计过程中的主观因素，使所述壁厚的确定方法更简单、