组合式爆炸容器振动特性与破坏模式分析

　　1　引言

　　爆炸容器是一种可将爆炸能量封闭在某一特定区域内的专用压力容器,有关爆炸容器的各类研究已有较多的文献报道[1~4]。但对于由螺栓联接组合而成的爆炸容器结构振动特性的研究报道尚不多见。爆炸容器在爆炸冲击载荷下的强度问题的实质是瞬态冲击激励下的结构动力响应问题。因此探索爆炸容器壳体的固有振动特性,对于提高爆炸容器设计与制造的安全水平,具有重要的现实意义。

　　对于重复使用的爆炸容器而言,其破坏模式均与容器结构的固有振动特性有着直接关系。从大量的实验经验可以得出组合式爆炸容器结构的主要破坏模式为壳体结构薄弱模态引起的局部应力集中破坏。结构的固有振动特性包括结构的固有振动频率及其振型。通过模态分析不仅可以确定结构主振模态的振型,而且可以得到不同位置的应力相对量,进而估计出可能的破坏区域和薄弱环节,为爆炸容器的设计提供参考依据。该组合式容器是由两个椭球封头和一段圆柱形筒体用螺栓联接组合而成,其设计内径为2·182m,壁厚65mm,圆柱段高为2m,封头由1:2的标准椭球封头壳和高度为0·5m的圆柱筒裙边焊制。其结构见图1。

　　2　爆炸载荷的频谱特性

　　由于受已建成的爆炸容器结构限制,在实验中只能对容器的中环面和封头顶部位置进行反射超压即容器的爆炸载荷测量。典型的实测中环面和封头顶部反射压力波形与频谱见图2和图3。由爆炸载荷的频谱图中可以明显看出,虽然其频谱分布具有超带宽特征,但是其低频分量远大于高频分量,特别是在1kHz以下部分。由以后的有限元分析可知,这一频率正好与容器壳体结构的主要振动固有振动频率范围相一致,从而对爆炸容器的结构振动响应产生重要影响。在壳体的实测应变响应频率范围内(数百Hz至数千Hz),其爆炸载荷的频谱中分布的一些突出峰值,在应变响应频谱中也出现有相应的峰值,这表明爆炸载荷激起了爆炸容器的薄弱模态。另一方面,封头极点处的爆炸载荷后续的脉动冲击周期将对封头的受迫振动产生重要影响。从大量的系列冲击载荷实测波形中可以看到,在封头极点处的后续脉冲波形中存在一个近似的非简谐周期脉冲载荷激励,其周期的变化有两个特征:(1)随时间的延续,其周期略有缩短,幅值逐渐趋零;(2)随爆炸当量的增加,幅值呈线性增加,周期略有缩短。在实验当量范围内,这种周期脉冲的频率约在320~380Hz间变化。而这一频率范围正位于容器椭球封头的振动基频附近区域,这就极有可能与壳体的固有振动发生谐振,从而对壳体的响应产生重要的影响。分析表明,由中心点爆炸在容器壳体上产生的冲击波载荷是具有超带宽特征,其在相当带宽范围内均有分布,实测的载荷频谱范围仅受传感器的频率范围限制。