一种新型水下爆炸实验设备的研究设计与实测分析

胡宗元

(首都经济贸易大学安全与环境工程学院，北京100070)

0 引言

关于水下爆炸实验研究多数采用数值模拟实验的方式进行［1-6］，真正的实验研究相对较少［7-8］;究其原因，主要是实验研究的危险程度高、周期长、成本高、可操作性差、成功率低等。本文旨在设计研究一种新型安全高效可靠的水下爆炸实验设备，以促进相关水下爆炸实验的进行。

水下爆炸实验设备主要包括爆炸容器和测试系统。爆炸容器是在国防、科研领域及工业领域较为广泛应用的抗爆防护设备［9］，其设计一般把爆炸瞬态载荷转化为等效静载荷后按压力容器设计来进行［10-12］。球型容器中心对称，受力均匀，在同等内压下，球形容器所需要壁厚最薄，容器表面积最小。因此，爆炸容器采用球型容器。测试系统采用由示波器、电荷放大器、应变仪、超压传感器及应变传感器等组成的系统。

1 水下爆炸容器内部爆炸冲击波强度确定及材料选择

为了便于研究，实验采用球形药包。对于球形药包，距爆心距离为R处的水中冲击波峰值压力［13］:

式中:pm为测量点波阵面上的峰值压力，Pa;K是与炸药性质有关的常数;W表示药量，kg;R表示测量点距药包中心的距离，m;α为与炸药性质有关的常数。

查表可知［14］，TNT(梯恩梯)的爆热QvT为 4 573 kJ/kg，α 值为 1.13，系数K值为 52.2 MPa(1.57 ＜＜0.078)，RDX(黑索金)的爆热为 6 318 kJ/kg，现根据下式求解RDX的K值，用KR来表示:

代入数值，解得KR=59.0 MPa。

结合理论计算与设计要求，爆炸容器的材料采用16MnR钢。16MnR钢的材料化学成分和力学性能［15］见表1。

表1 16MnR钢的力学性能和化学成分表

2 球型壳体的设计及传感器安装设计

该球型爆炸容器设计可以进行最大药量为100 g的RDX或相同当量其他炸药在水中爆炸的相关实验。

2.1 壳体壁厚的理论计算

球壳是中心对称的，因此各处应力相等，并且径向应力和环向应力也相等。根据第三强度理论，按薄膜应力强度条件［16］，壳体一点处的应力

式中:［σ］τ为钢板在设计温度下的许用应力;δ为壳体的计算厚度，它的含义是为安全承受压强为p的介质壳体所需的最小理论计算壁厚，单位mm;D为中径，单位mm;为提高容器的可靠性，确保使用安全，计算厚度δ不能直接作为选用钢板厚度的依据，还要考虑钢板负偏差C1、腐蚀裕量C2和工艺减薄量容器的名义厚度:

式中:δd为壳体设计厚度，单位mm;δ为壳体计算厚度，单位mm;Δ为圆整值。

考虑到爆炸实验的危险性，要求爆炸设备必须具备很高的安全性能，因此，对此球形壳体要取较高的安全系数，最终确定此球型爆炸容器壳体的有效厚度为90 mm。

2.2 球形爆炸容器设计

球形爆炸容器设计图如图1所示。

2.3 传感器安装设计

为了测出不同位置的超压，同时又要保证试验的安全性、可靠性与可操作性，设计了多种传感器安装螺栓，图2和图3分别为测内壁处超压和测距爆心23 cm处超压的传感器安装螺栓设计图。

3 实验实测

为降低对周围环境的影响，将此水下爆炸实验设备置于建有隔爆墙的软土坑中，并要在起爆前盖上防护盖板。水下爆炸实验设备系统图如图4所示。

图1 球形爆炸容器设计图

图2 测内壁处超压的传感器安装设计图(mm)

图3 测距爆心23 cm处超压的传感器安装设计图(mm)

图4 水下爆炸实验设备系统图

3.1 超压测试

超压测试同时用到两个超压传感器，一个安装于容器顶部，另外一个安装于容器侧部(见图4)。

3.2 应变测试

应变测试选用120 Ω康铜应变传感器，应变传感器安置在爆炸容器的脖颈处，并使两个传感器相互垂直布置。1号、2号应变传感器分别布置在经线、纬线方向，并用胶带固定好信号线。应变传感器安装图如图5所示。

图5 应变传感器安装图

应变测试可以对爆炸容器的安全性能做出评估，在使用爆炸容器时不能超过其允许的应变极限，否则会发生事故，根据容器允许的应变极限可以测试或者理论计算出实验最大允许的炸药量。

4 实测结果与分析

4.1 超压实测结果与分析

通过测试得到的超压时间图线如图6、7所示。

图6 距爆心23 cm处超压图线(25 g炸药)

图7 距爆心23 cm处超压图线(35 g炸药)

图6和7显示实际测到的超压最大峰值和小差异的炸药量并无直接关系。超压最大峰值出现时间在30 ms左右，由于整个爆炸空间是密闭的，泄压比较缓慢，泄压时间在1 s左右，图7甚至超过了1 s。25 g左右的炸药球心处爆炸在距爆心23 cm处的超压最大峰值可以达到280 MPa左右，与理论计算值基本相符。

以上两幅图的差异可能与以下几个因素有关:①药包的位置。在测试系统设计中，药包要放在容器的中心，但在实际过程中，药包很可能会偏离中心，位置的偏差会对冲击波及其壁面的反射波产生重要的影响。②容器内水是否装满。容器内水装满与否将会对超压曲线产生影响，若容器内水未装满，极有可能造成超压的释放，从而对超压曲线产生重要影响。

总体来说，冲击波第1个峰值到来的时间基本小于30 ms，根据炸药反应时间加上冲击波波阵面传播所需时间得出的数值，可以得出测试所得到的30 ms是合理的。药量对峰值超压大小的影响不明显，这是因为超压与W为药量)成正比。

4.2 应变实测结果与分析

应变测试时用到两个应变片，分别是1号和2号，互相垂直布置。应变数据图线如图8、9所示。

图8 爆炸容器应变图线(25 g炸药)

图9 爆炸容器应变图线(35 g炸药)

从图中可以看出最大应变约为100×10－6，应变的第1个峰值时间基本与超压第1个峰值时间匹配，每幅图都显示出几次的应变峰值，这是爆炸冲击波在爆炸容器内反射及其气泡脉动的结果。35 g炸药爆炸使容器产生的最大应变峰值约为100×10－6，而25 g炸药爆炸使容器产生的最大应变峰值约为30×10－6，这与计算结果基本相符合。

根据σ=Eε(容器选用16MnR钢，E=208 GPa，σ=325 MPa)，可以得出许用应变 ε=1 563×10－6。再通过计算推导出100 g炸药爆炸时容器产生的最大应变约为300×10－6，仅为容器许用应变的1/5。因此，爆炸容器是安全可靠的。

5 结语

通过推导计算，设计出了一种新型的可以进行水下爆炸实验的设备;通过爆炸试验，对设备的性能进行了实测，得到了一手的实验数据;通过对实验数据的分析，探究了可能的成因，并对设备的可靠性做出了相应的评价。结果表明此设备可以满足相关中小型水下爆炸实验的需求。实践证明，该水下爆炸实验设备运行良好，达到了预期目的，可促进相关水下爆炸方面的实验教学和科学研究。