內(nèi)部爆炸作用下鋼箱結(jié)構(gòu)變形規(guī)律性實(shí)驗(yàn)*

姚術(shù)健，張 舵，鄭 監(jiān)，盧芳云，于大鵬

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

內(nèi)部爆炸作用下鋼箱結(jié)構(gòu)變形規(guī)律性實(shí)驗(yàn)*

姚術(shù)健，張 舵，鄭 監(jiān)，盧芳云，于大鵬

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

箱型結(jié)構(gòu)內(nèi)部爆炸能夠造成比空爆更嚴(yán)重的破壞效果。本文中設(shè)計(jì)了3個(gè)邊長(zhǎng)600 mm、板厚4 mm的實(shí)驗(yàn)試件，并分別用98.4、194.7和355.8 g的TNT炸藥進(jìn)行了內(nèi)部爆炸實(shí)驗(yàn)，得到了所有試件的變形特征。箱體壁板的變形都呈現(xiàn)向外凸出(鼓起)的特點(diǎn)，壁板中心的最終撓度隨著爆炸TNT當(dāng)量的增大而近似成線性增長(zhǎng)，擬合了箱體壁板撓厚比與爆炸當(dāng)量之間的經(jīng)驗(yàn)公式。通過(guò)三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，得到了箱體壁板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程：爆炸發(fā)生后，壁板中心最先產(chǎn)生向外鼓起；壁板中心隨后變形增長(zhǎng)，同時(shí)變形向四周傳播；壁板中心變形達(dá)到最大值后，板的變形會(huì)產(chǎn)生一定量的振蕩回縮。

變形規(guī)律；數(shù)字圖像相關(guān)；鋼箱結(jié)構(gòu)；內(nèi)部爆炸

鋼箱結(jié)構(gòu)廣泛存在于大型鋼箱梁橋及船體艙室結(jié)構(gòu)中。由于箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面對(duì)爆炸沖擊波的反射與約束作用，結(jié)構(gòu)內(nèi)部爆炸能夠造成比空爆更嚴(yán)重的破壞[1]，不同爆炸載荷會(huì)造成不同的破壞程度，因此有必要研究鋼箱結(jié)構(gòu)內(nèi)部爆炸的破壞規(guī)律。

目前，有關(guān)鋼板等構(gòu)件的研究較多，而關(guān)于箱形結(jié)構(gòu)內(nèi)部爆炸的研究還很少。R.G.Teeling-Smith 等[2]對(duì)固支圓板在爆炸作用下的破壞模式進(jìn)行了研究，指出在爆炸載荷下圓板存在塑性大變形、固支端拉伸撕裂及固支端的剪切失效等3種模式。M.D.Olson等[3]、G.N.Nurick等[4-7]對(duì)方形鋼板在爆炸載荷下的失效模式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，指出還存在局部花瓣形破壞及沖碟破壞等破壞模式。蔣志剛等[8]對(duì)金屬簿板及加筋板在沖擊載荷作用下的破壞模式進(jìn)行了較系統(tǒng)的總結(jié)。侯海量等[9]對(duì)典型艙室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了艙內(nèi)爆炸實(shí)驗(yàn)，研究了艙內(nèi)爆炸下的沖擊載荷及其作用過(guò)程，指出相同比例距離下內(nèi)爆炸的荷載強(qiáng)度遠(yuǎn)高于空中爆炸。M.Kurki[10]通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)艦船結(jié)構(gòu)在內(nèi)爆作用下的破壞特征進(jìn)行了研究。L.Ma等[11]對(duì)內(nèi)爆載荷下的壓力容器進(jìn)行了研究，并分析了它的延性和脆性破壞。C.Geretto等[12]別對(duì)邊長(zhǎng)200 mm的方形固支板在無(wú)約束、部分約束及完全約束(箱體結(jié)構(gòu))內(nèi)爆加載作用下的變形進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究，研究了各自的變形規(guī)律，并分析了約束對(duì)板變形的影響。姚術(shù)健等[13-14]對(duì)箱內(nèi)爆炸的沖擊波傳播規(guī)律及箱體的破壞模式，進(jìn)行了數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究。

本文中，對(duì)內(nèi)爆作用下鋼箱結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并利用三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，擬為箱形結(jié)構(gòu)內(nèi)部爆炸的損傷評(píng)估及結(jié)構(gòu)內(nèi)爆的深入研究提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1試件模型

為了研究鋼箱結(jié)構(gòu)在不同爆炸強(qiáng)度作用下結(jié)構(gòu)的變形破壞程度，設(shè)計(jì)了3個(gè)鋼箱結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀ｄ撓淠Ｐ瓦呴L(zhǎng)為600 mm，為了約束箱體邊緣的變形，設(shè)計(jì)了120 mm的延伸結(jié)構(gòu)，模型設(shè)計(jì)如圖1所示。為方便炸藥的安放，在頂板的中心開(kāi)100 mm直徑孔。試件采用4 mm厚Q235B鋼板焊接而成，焊縫為雙面線焊以保證強(qiáng)度。

通過(guò)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，測(cè)得4 mm厚Q235B鋼板的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別為360和480 MPa，伸長(zhǎng)率為28%。為了保證試件在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不因振動(dòng)而傾倒，將試件綁定在混凝土質(zhì)量塊上。加工完成后的試件及試件固定，如圖2所示。

1.2實(shí)驗(yàn)工況

為了考察鋼箱在不同爆炸載荷下的變形情況，本文設(shè)計(jì)了3種爆炸工況。TNT為立方體形狀，密度為1.5 g/cm3，邊長(zhǎng)分別為40、50和60 mm，如圖3所示。TNT采用電雷管起爆，雷管垂直插在TNT頂面中心圓孔中，懸掛于鋼箱內(nèi)部正中心，TNT各邊與箱體各邊平行，以保證爆炸載荷對(duì)箱體各邊的沖擊作用相等。實(shí)驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

工況a/mmm/gZ/(m·kg-1/3)δe/mmδc/mm14098.4431.29932.9333.44250194.6891.03553.3352.56360355.8000.84778.0478.32

1.3測(cè)試方案

為了研究箱體壁面的動(dòng)態(tài)變形過(guò)程，利用三維數(shù)字圖像相關(guān)(digital image correlation,DIC)技術(shù)[15-16]對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了測(cè)量。DIC技術(shù)能夠?qū)⑽矬w表面隨機(jī)分布的斑點(diǎn)或人工制作的隨機(jī)分布的散斑作為變形信息載體。由于鋼板表面比較光滑且顏色單一，因此測(cè)量前對(duì)試件噴涂散斑，散斑效果如圖4(a)所示。三維DIC技術(shù)后期處理需要不同角度的數(shù)字圖片，因此利用兩臺(tái)高速相機(jī)成一定角度，同時(shí)對(duì)試件目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行拍攝。

2 結(jié)果及分析

2.1結(jié)果

各工況下鋼箱壁面的變形結(jié)果如圖4所示。從圖中可以明顯看出，壁面均呈現(xiàn)向外凸的變形特征，在壁面對(duì)角線位置產(chǎn)生了明顯的塑性鉸線，且變形程度從工況1到工況3逐漸嚴(yán)重。

對(duì)試件進(jìn)行壁板最終變形測(cè)量，分別測(cè)量四面?zhèn)劝逯行牡膿隙龋骄涤洖閭?cè)板撓度δe。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2分析

撓度厚度比δ/H能夠體現(xiàn)梁板構(gòu)件變形特征的物理量[17-18]，圖5給出了箱體壁面撓度厚度比δ/H與爆炸比例距離Z的關(guān)系。

由圖5可看出，撓厚比隨著爆炸比例距離的增大而減小，對(duì)該變化趨勢(shì)進(jìn)行擬合，得：

(1)

根據(jù)式(1)，可以對(duì)與本文研究工況相似的鋼箱變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。計(jì)算得到的撓度δc見(jiàn)表1，它與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值最大誤差僅為1.55%，擬合精度較好。

3 動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用兩臺(tái)高速相機(jī)對(duì)工況1的實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了拍攝。實(shí)驗(yàn)后，利用三維DIC技術(shù)對(duì)拍攝的照片進(jìn)行分析處理，得到箱體壁面中心的撓度曲線(見(jiàn)圖6)及壁面的動(dòng)態(tài)變形響應(yīng)過(guò)程(見(jiàn)圖7)。由圖6 可得，工況1噴有散斑的壁面變形最大值為46.3 mm，最終變形值約為42.8 mm。圖7中，云圖顏色從紫到藍(lán)到黃到紅，顯示壁面變形值越來(lái)越大。

結(jié)合圖6～7，可得壁面的變形響應(yīng)過(guò)程為：爆炸發(fā)生后，很快壁面中心就有變形產(chǎn)生，到t=0.3 ms時(shí)，壁面中心已經(jīng)有較明顯的凸起；且隨著時(shí)間的推移，壁面中心撓度增大的同時(shí)變形也逐漸向四周拓展，到t=0.6 ms左右時(shí)，變形傳播到壁板邊緣；在t=2.4 ms左右時(shí)，壁面中心撓度達(dá)到最大值；隨后，壁面中心變形發(fā)生回縮，最大撓度值減小，如t=3.6 ms時(shí)；到t=7.9 ms時(shí)，記錄結(jié)束，板的變形最終會(huì)在振蕩中趨于一個(gè)定值。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了邊長(zhǎng)600 mm、板厚4 mm的實(shí)驗(yàn)試件，并且分別用98.4、194.7和355.8 g的TNT炸藥進(jìn)行了內(nèi)部爆炸實(shí)驗(yàn)，得到了所有試件的變形特征。箱體壁板的變形都呈現(xiàn)向外凸出(鼓起)的特點(diǎn)，壁板中心的最終撓度值隨著爆炸TNT當(dāng)量的增大而增大，且近似成線性增長(zhǎng)。擬合了箱體壁板變形與爆炸當(dāng)量的經(jīng)驗(yàn)公式，可以對(duì)類似工況下箱體的變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過(guò)三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，對(duì)箱體壁板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了研究，得到了其響應(yīng)過(guò)程：爆炸發(fā)生后，壁板中心最先產(chǎn)生向外鼓起；隨后，壁板中心變形增長(zhǎng)的同時(shí)變形向著四周傳播；壁板中心變形達(dá)到最大值后，板的變形會(huì)產(chǎn)生一定量的振蕩回縮。

本文研究?jī)?nèi)容可為箱形結(jié)構(gòu)內(nèi)部爆炸的損傷評(píng)估以及結(jié)構(gòu)內(nèi)爆的深入研究提供參考與依據(jù)。后續(xù)將利用本文實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)值模擬技術(shù)，并對(duì)鋼箱結(jié)構(gòu)內(nèi)爆問(wèn)題進(jìn)行深入分析。

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Abstract: Damage could occur to a more severe degree in an internal blast than in an air blast with respect to box-shaped structures. In the present study, a blast experiment was performed using 98.4, 194.7 and 355.8 g TNT explosives, respectively on three box-shaped specimens 600 mm in length and 4 mm in plate-thickness, to obtain their deformation features and observe the outward bulges at the center of their plate wall. It was found that the central deflection of the wall increases with the increase of the TNT mass. An empirical equation is proposed by fitting the linear relationship of the deflection thickness ratio and the TNT mass. The dynamic response of the wall was analyzed using the 3D digital image correlation (DIC) technique. The outward bulge was produced in the wall center after the explosion and at the same time the deflection increased with time passing by and the deformation propagated towards the wall edge all around. After the deflection reached the maximum value, the deformation of the wall experienced several oscillations.

Keywords: plastic deformation feature; digital image correlation; steel box; internal blast

(責(zé)任編輯 丁 峰)

Experimentalstudyofdeformationofsteelboxsubjectedtointernalblastloading

Yao Shujian, Zhang Duo, Zheng Jian, Lu Fangyun, Yu Dapeng

(CollegeofScience,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,Hunan,China)

O383;TU511國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼1303520

A

10.11883/1001-1455(2017)05-0964-05

2016-01-11；

2016-06-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11132012)

姚術(shù)健(1988— )，男，博士研究生;

盧芳云,fangyunlu@126.com。