一种容器增压爆炸模拟系统的制作方法

本实用新型涉及公共安全技术领域，具体涉及一种容器增压爆炸模拟系统。

背景技术：

压力容器爆炸会使贮存在容器内的有压气体或液化气体解除壳体的约束，迅速膨胀，瞬间释放出内在能量。一方面使容器进一步开裂，或将容器及其所裂成的碎块以较高的速度向四周飞散，造成人身伤亡或击坏周围的设施；另一方面，其更大的一部分能量对周围的空气做功，产生冲击波。

日常生活中易接触到许多压力容器，例如，干冰钢瓶、婚庆使用的压缩气体钢瓶等。此类小型压力容器使用过程中，多集中于人员密集场所，此类场所一旦发生爆炸，易造成群死群伤的恶性事故发生。而承压容器爆炸由于其爆炸方向不确定，破片生成难以控制，进行实验研究具有一定的难度，爆炸对密集状态人员伤害难以评估的特点，为此，需要一种实验系统来模拟密集障碍物条件下承压容器物理爆炸，进而获取实验数据，从而为危害评估和安全措施制定提供数据支持。

然而，现有的物理增压爆炸装置多采用爆破片爆破，通过增压装置对承压容器内的气体或液体或超临界流体进行加压，使其达到爆破片或压力释放阀的控制压力，爆破片破裂，高压气体或液体或超临界流体迅速冲出，从而实现高压气体爆炸，其为一种定向爆破，爆破方向确定，无破片飞出，无法实现承压容器物理爆炸的破片飞散模拟，从而无法获知承压容器在实际生活中物理爆炸时破片产生的危害和杀伤力。

技术实现要素：

因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中无法检测承压容器物理爆炸时产生的破片杀伤力，从而提供一种容器增压爆炸模拟系统。

为此，本实用新型的技术方案如下：

一种容器增压爆炸模拟系统，其包括：

承压容器，包括注气口和排气口；

增压装置，通过所述注气口对所述承压容器输入增压介质；

飞散组件，设于所述承压容器的外壁上在所述承压容器爆炸受冲击时飞散；

以及监测装置，包括若干设于所述承压容器周边的检测单元以及与其电连接的数据处理单元，所述检测单元至少包括检测所述飞散组件速度的速度检测单元和检测其威力的威力检测单元。

进一步地，所述承压容器上设有爆破导向单元以限定所述承压容器的爆破区域和爆破方向。

进一步地，所述爆破导向单元包括若干设于所述承压容器外壁上的凹槽，所述凹槽不处于所述承压容器的任意径向截面内。

进一步地，所述凹槽均匀分布于所述爆破区域内。

进一步地，所述承压容器为圆柱容器，所述爆破区域包括所述圆柱容器的局部外周面。

进一步地，所述凹槽包括若干沿所述承压容器轴向均匀分布于所述局部外周面上的首尾相接的v型槽。

进一步地，所述飞散组件均匀布置于所述v型槽槽边两侧的容器外表面。

进一步地，所述检测单元对应设于所述爆破区域的周边。

进一步地，所述威力检测单元包括设于所述爆破区域周边的收集组件，所述收集组件接受受爆破冲击飞散的飞散组件。

进一步地，所述飞散组件为球形不锈钢破片，所述收集组件包括若干竖直设立于所述爆破区域周边的木质靶板。

进一步地，所述速度检测单元包括若干测速靶网。

进一步地，所述检测单元还包括冲击波超压检测单元，所述冲击波超压检测单元包括若干设于所述爆破区域周边的采集容器爆炸后不同时刻冲击波压力的压力传感器。

进一步地，所述增压装置还包括检测并控制所述输入管的增压介质压力的压力监测单元。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

1.本实用新型提供的容器增压爆炸模拟系统，一种容器增压爆炸模拟系统，其包括：承压容器，包括注气口和排气口；增压装置，通过注气口对承压容器输入增压介质；飞散组件，设于承压容器的外壁上在承压容器爆炸受冲击时飞散；以及监测装置，包括若干设于承压容器周边的检测单元以及与其电连接的数据处理单元，检测单元至少包括检测飞散组件速度的速度检测单元和检测其威力的威力检测单元。本实用新型通过增压装置对承压容器输入高压介质，使容器自身达到承受的最大压力时容器局部失效发生物理爆炸，即不采用定点或者定向爆破的方式执行容器爆破，同时通过设置飞散组件和监测装置可对承压容器爆炸后的飞散组件的速度和威力进行检测，由此评估承压容器爆炸后的破片的杀伤力，方法简单，可靠性和准确性高。

2.本实用新型提供的容器增压爆炸模拟系统，承压容器上设有爆破导向单元以限定承压容器的爆破区域和爆破方向；爆破导向单元包括若干设于承压容器外壁上的凹槽，通过承压容器局部刻凹槽的方式，将压力容器爆破方向控制在局部范围内，避免产生较大范围的爆炸，节省测试成本。

3.本实用新型提供的容器增压爆炸模拟系统，凹槽均匀分布于爆破区域内；凹槽不处于承压容器的任意径向截面内。凹槽包括若干沿承压容器轴向均匀分布于局部外周面上的首尾相接的v型槽。通过将凹槽不沿容器径向布置，且均匀分布于爆破区域内，由此确保承压容器爆炸时会在爆破区域范围内产生破裂，同时使其符合压力容器爆炸方向无法准确控制的要求。

4.本实用新型提供的容器增压爆炸模拟系统，威力检测单元包括设于爆破区域周边的收集组件，收集组件接受受爆破冲击飞散的飞散组件；飞散组件为球形不锈钢破片，收集组件包括若干竖直设立于爆破区域周边的木质靶板。使用木质靶板模拟密集障碍物，用于采集破片，并通过破片对木质靶板的侵彻深度模拟破片对人员的杀伤威力，同时可通过靶板采集到的破片数据计算破片飞散轨迹。

本实用新型的研究得到了国家重点研发计划课题的资助(2016yfc0802502－3)。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的容器增压爆炸模拟系统的结构示意图；

图2为图1中a部分所示的俯视图；

图3为图1中的承压容器的剖视图；

图4为图1中的承压容器的圆柱外周面的展开示意图。

附图标记说明：

1－增压装置；11－输入管；12－输出管；13－阀门；2－承压容器；21－注气口；22－排气口；23－爆破区域；24－凹槽；25－支架；3－飞散组件；4－同步触发器；5－计算机；6－信号转换模块；61－电荷放大器；62－数据采集板卡；71－测速靶网；72－脉冲形成网络；73－压力传感器；8－木质靶板。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例

如图1所示，本实用新型实施例记载了一种容器增压爆炸模拟系统，尤其指一种密集障碍物条件下的容器增压爆炸模拟系统，其包括承压容器2、增压装置1、飞散组件3和监测装置。其中如图1－3所示，承压容器2包括注气口21和排气口22，注气口21通过输入管11连接至增压装置1，排气口22通过输出管12连接至外部，其中输出管12上设有控制其通断的阀门13。增压装置1通过注气口21对承压容器2输入增压介质，其中本实施例中的增压介质为二氧化碳气体；飞散组件3设于承压容器2的外壁上并在承压容器2爆炸受冲击时飞散；监测装置包括若干设于承压容器2周边的检测单元以及与其电连接的数据处理单元。

本实用新型通过增压装置对承压容器输入高压介质，使容器自身达到承受的最大压力时容器局部失效发生物理爆炸，即不采用定点或者定向爆破的方式执行容器爆破，同时通过设置飞散组件和监测装置可对承压容器爆炸后的飞散组件的速度和威力进行检测，由此评估承压容器爆炸后的破片的杀伤力，方法简单，可靠性和准确性高。

承压容器2顶部的注气口21与增压装置1密封连接，承压容器2底部的排气口22用于防止承压容器2未发生爆破后的泄压以实现安全放空，排气口22通过输出管12连接到室外，输出管12的工作压力设定为小于等于100mpa，当承压容器2内的气体压力超过20mpa仍然未爆炸时则控制增压装置2停止注气，打开输出管12末端的阀门13进行泄压操作排出气体以保证试验安全性。其中本实施例中的承压容器2采用45号钢加工而成，承压容器2为圆柱体，内径φ80mm，外径φ90mm，承压容器2净高度(即轴向尺寸)为300mm，最大承受压力为20mpa，承压容器2用于为气体提供高压试验环境。如图1和3所示，本实施例中的承压容器2竖直设置，承压容器2的底部有支架25，支架25通过螺栓将承压容器2固定到不同装置，例如固定到地面等。

增压装置1将二氧化碳气体以高压状态注入承压容器2内并实时监测输入管11内的气体压力，该增压装置包括气瓶、制冷机、冷箱、循环泵、高压泵、输入管以及压力监测单元等(未在图中示出)；其中压力监测单元用于检测并控制输入的增压介质的压力；压力监测单元包括静压传感器和压电转换模块，静压传感器通过压电转换模块将压力信号转换成电信号，再通过转接通讯口传送到计算机，计算机上通过labview编程的软件可显示压力的变化曲线，实现输入管11内压力的测量和记录。

本实施例中承压容器2上还设有爆破导向单元以限定承压容器2的爆破区域23和爆破方向。如图3－4所示，爆破导向单元包括若干设于承压容器2外壁上的凹槽24，凹槽24均匀分布于爆破区域23内，且凹槽24不处于承压容器2的任意径向截面内，即凹槽24不与承压容器2的两端壁所在平面平行设置。

为缩小容器爆破的范围、提高爆破方向的可控性，本实施例中只使承压容器2的部分区域产生爆破，其中部分区域即上述的爆破区域23。爆破区域23和爆破方向的控制则是通过设置于承压容器2上的凹槽24实现的，本实施例中的凹槽24的深度(即沿承压容器径向内陷的尺寸)为4mm，通过在承压容器2的外周壁上刻有凹槽24，使凹槽24存在位置的壁厚小于其他未设置有凹槽的承压容器2的壁厚，从而使得存在有凹槽24区域的容器壁更易破裂，从而构成爆破区域23；由于承压容器2安装后位置固定因而具体选择将凹槽24设置于承压容器2外周面的哪些部位则决定了承压容器2的爆破方向。

具体地，本实施例中的承压容器2为圆柱容器，且圆柱容器竖向固定于平台，即圆柱容器的轴线垂直于地面设置；本实施例中的爆破区域23沿平行于承压容器2的轴线方向延伸，参见附图4凹槽24沿轴向覆盖承压容器2的一半外周壁，即爆破区域23设置为从圆柱容器的顶部延伸至底部，爆破区域23展开为一个矩形平面。其中方向的可控性主要指选择控制承压容器23径向的哪个部位产生爆炸破裂；本实施例中的爆破方向主要指垂直于容器轴线的水平面内的0°￣180°的任意一个区间。通过承压容器局部刻凹槽的方式，将压力容器爆破方向控制在局部范围内，避免产生较大范围的爆炸，节省测试成本。

本实施例中旋转的爆破区域23为承压容器2的水平面内偏转180°的范围，即如图2中所示从左侧至右侧经过180°的上半部外圆周面为爆破区域23，如图4所示，图4为承压容器2外圆柱面的展开示意图，其中本实施例中承压容器2外圆柱面的一半设有爆破区域23(为图4中右侧一半)，另一半设为非爆破区域(为图4中左侧一半)。在该爆破区域23内从承压容器2顶部至底部均匀布置有凹槽24，本实施例中的凹槽23包括若干沿承压容器2轴线方向均匀分布于爆破区域23内的首尾相连的v型槽，因此参见附图4爆破区域23内的凹槽23整体呈波浪型凹槽设置。通过将凹槽不沿容器径向布置，且均匀分布于爆破区域内，由此确保承压容器爆炸时会在爆破区域范围内产生破裂，以使其符合压力容器爆炸方向无法准确控制的要求。

其中本实施例中的飞散组件为球形不锈钢破片，每个球形不锈钢破片的质量设为1g；如图3所示(图3中仅局部示意出该飞散组件)，不锈钢破片均匀粘贴于波浪型凹槽的槽边两侧的容器外表面，即沿凹槽23槽边的内侧和外侧分别布置有两组沿其边呈波浪型布置的破片；其中破片采用常规的胶粘贴于容器外壁以达到既能固定破片也避免破片在爆破后不能够从容器表面飞出。

如图1所示，本实施例中的数据处理单元包括计算机5和信号转换模块6，信号转换模块6与计算机5和检测单元连接，信号转换模块6将检测单元采集到的信号处理转换后通过通讯接口传送至计算机5。其中信号转换模块6包括电连接的电荷放大器61和数据采集板卡62，数据采集卡板62采用精度为16位的总线数据采集板。

本实施例中的容器增压爆炸模拟系统还包括同步触发装置，同步触发装置包括安装在承压容器2上的触发线(未在图中示出)、安装在电荷放大器61上的触发接线端(未在图中示出)和同步触发器4，同步触发装置用于当接收到承压容器2发生爆破的信号后立刻触发各个检测单元和信号转换模块6启动工作。如图1所示，同步触发器4与安装在承压容器2附近的触发线连接，同步触发器4的另一端还与脉冲形成网络72、电荷放大器61的触发接线端连接，同时同步触发器4与数据采集板卡62的触发通道连接，数据采集板卡62与计算机5通过数据线连接。

参见附图2，检测单元对应设置于承压容器的爆破区域的周边，即图2中对应于爆破区域23的上侧。本实施例中的检测单元包括速度检测单元、威力检测单元以及冲击波超压检测单元。

其中速度检测单元包括若干设于爆破区域23周边的测速靶网组和与之电连接的脉冲形成网络72。其中每组测试靶网组均包括沿飞散方向设置的一对测速靶网71，每个测速靶网71均连接至脉冲形成网络72，受爆破冲击飞散的不锈钢破片先后经过依次设置的两个测速靶网71，破片先后击穿测速靶网71后分别产生两个电信号，脉冲形成网络72对两个电信号采集处理再依次通过电荷放大器61、数据采集板62卡传送至计算机5，计算机5上通过labview编程的软件可显示信号的变化曲线，获得飞散组件3先后通过两个测速靶网71的时间点，根据测速网靶之间的距离和时间差计算得到飞散组件3的速度数据。

冲击波超压检测单元包括若干设于爆破区域23周边的采集承压容器2爆炸后不同时刻冲击波压力的压力传感器73。承压容器2爆炸时，压力信号依次通过压力传感器73、电荷放大器61、数据采集板卡62最终传输到计算机5，计算机5将采集到的数据存于计算机的数据库内，并且数据通过软件进行处理并显示，可得到采集到的瞬时压力－时间曲线，由此获得超压及冲量参数。

威力检测单元包括若干设于爆破区域23周边的收集组件，用于接受因爆炸冲击飞散的不锈钢破片，其中收集组件包括若干竖直设立于爆破区域23周边的木质靶板8，木质靶板8为高度(图1中上下方向)1500mm、宽度(图1中左右方向)500mm、厚度(图1中前后方向)为25mm竖直放置的松木板。其中在本实施例的杀伤威力试验中通过设置25mm厚的松木板实现人体模拟靶的功能，即通过检测获取该飞散组件对25mm厚的松木板的侵彻威力以模拟该飞散组件对人体胸腔的杀伤力。设于爆破区域23周边的木质靶板8用于模拟密集障碍物，例如模拟密集人群，并通过飞散组件3对木质靶板8的侵彻深度模拟该飞散组件3对人员的杀伤威力。

其中杀伤力机理的研究结果表明，用破片比动能作为杀伤标准更为合理，其中破片的比动能指单位迎风面积上的破片的动能。因此本实施例中破片威力的计算原理如下：

根据监测装置获取的飞散组件的速度数据，再通过破片速度衰减公式计算破片初速，并计算破片运动到不同距离时的存速，最后计算破片比动能；其中不锈钢破片的比动能计算参照现有比动能计算方式，在此不做赘述。

同时根据木质靶板8可对爆炸后的破片在空间内的分布进行测量，即可获取爆炸过程中破片的飞散轨迹，其中通过将木质靶板8划分分布于不同的区域内，记录每次爆炸后每个木质靶板8上的破片数量，按照承压容器轴线飞散方位角将各个区域又可以划分为各个等角度区域，计算出各个等角度区域内的破片数量，通过数据拟合计算出破片的分布函数。

本实用新型的工作原理为：

当增压装置1将高压二氧化碳注入承压容器2，随着承压容器2内部压力不断升高，当压力达到承压容器2承受的最大压力时，容器局部失效发生物理爆炸，承压容器2从凹槽24部分发生开裂，设于容器外表面的飞散组件3向外飞散，同时爆炸能量对空气做功产生冲击波。

由于承压容器2爆炸时破坏威力大，为保证人员和系统安全，承压容器2、飞散组件3、监测装置7、输入管11的部分长度和输出管12的部分长度放置于爆炸洞内，其余系统位于爆炸洞外安全区域；当然，上述系统也不限于设置在爆炸洞内，也可设置在较为空旷的场所即可。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。