用于检验水下爆破器材性能的压力容器参数设计方法与流程

本发明属于爆炸容器设计领域，涉及一种用于模拟离心机水下爆炸试验的抗爆压力容器的设计方法。

背景技术：

战时大型水坝一旦受到爆炸破坏，进而导致多个水利工程发生连溃，将造成巨大的人员损伤和经济损失。因此，研究大坝工程的抗爆安全问题对最大限度降低损失以及进行大坝安全性评估具有十分重要的理论指导意义。由于经费和场地受限，难以通过原型爆炸试验研究得到爆炸荷载作用下大型坝体毁伤的机理；传统的结构模型试验也难以真实揭示爆炸原型的力学行为和破坏过程。土工离心机通过高速旋转增加模型重力，使模型介质体产生与原型相近的自重应力，模型的变形及破坏机制与原型相似，从而可模拟复杂的岩土工程及动力学问题，目前成为研究爆炸工程力学的常用手段之一，但是其昂贵的成本和试验费用成为其大面积推广使用的限制。

此外在进行离心模型水下爆炸试验中，爆炸装置处于水下超重的环境中，超重环境和高静水压力的外界条件，会影响雷管等爆炸装置的爆炸性能，甚至出现拒爆现象，急需要研制安全可靠、与离心机模型高度等效的爆炸装置，并研究设施工程的破坏机理，以替代离心机实现高静水压力环境下水下爆破的精确模拟。

技术实现要素：

本发明公开了一种用于检验水下爆破器材性能的压力容器参数设计方法，根据参数研制的抗爆压力容器，可以替代离心机进行高静水压力环境下水下爆破的精确模拟，并确保试验安全。

本发明的具体技术方案如下：

一种用于检验水下爆破器材性能的压力容器参数设计方法，包括以下步骤：

【1】建立爆炸试验装置，在不同装药量wi及装药沉深hi和气压等效水柱高度h0i的条件下，进行系列爆炸试验，测量得到第i次试验水下爆炸的冲击波峰值pmi和气泡脉动周期ti；

【2】对经典水下载荷经验公式进行处理，得到冲击波峰值理论值的计算公式(2.1)和气泡脉动周期理论值的计算公式(2.2)：

其中kp、ap为与炸药特性相关的冲击波参数，kt为与炸药特性相关的气泡参数，对于tnt炸药，kp＝52.4，ap＝1.13，kt＝2.11；ti^*、ri分别为第i组装药量wi时的冲击波峰值理论值、气泡脉动周期理论值和等效爆距，n为等效药量系数；

【3】依据最小二乘法原则，基于公式(2.1)和(2.2)拟合试验数据得到等效系数n，使得公式(2.1)和(2.2)计算得到的数据点和各实测得到的数据点偏差的平方和rp和rt均为最小值；即确定n值，使得rp和rt的取值为最小，其中

【4】设分别求rp和rt为最小值时的np和nt，得公式(4.1)：

进而解得：

其中np和nt分别为对应冲击波和气泡脉动的等效药量；

【5】作为试验所用装药的tnt等效系数，由计算得到峰值压力理论值其中r为等效爆距，w为装药量；

【6】计算得到压力容器内壁所受的压力载荷p

其中p0是容器内的充气压力；

【7】由计算得到侧壁厚δ，其中a为压力容器半径，[σs]为容器金属材料的抗拉强度；

【8】由计算得到压力容器罐底厚度δb，其中[σg]为容器金属材料的抗拉剪强度。

进一步的，所述的炸药为rdx。

进一步的，所述的爆炸试验装置包括爆炸密封容器、爆炸组件和传感器，容器包括上盖板、底座和外壁，上盖板设置有中心通孔、传感器通孔和气压阀，爆炸组件和传感器分别穿过中心通孔和传感器通孔后设置在容器腔内；所述的爆炸组件和传感器通过密封接头密封固联在容器的上盖板上；所述的容器下半部盛有水，上半部分充有高压气体。

进一步的，所述的爆炸组件包括电雷管、起爆连接件、导爆索和炸药，所述的电雷管和导爆索之间通过起爆连接件固联；

所述的起爆连接件包括导爆索接头、雷管套和螺套；导爆索接头的前端设置有外螺纹，中心设置有通孔，导爆索设置在导爆索接头的中心通孔内；雷管套包括大直径的前端和小直径的尾端；雷管套的前端中部设置有容纳雷管的空腔，雷管套的尾端设置有中心通孔，用于穿接雷管起爆线；螺套穿过雷管套的尾端，通过内螺纹和导爆索接头前端的外螺纹配合联接，将雷管压贴在导爆索的端面上。

进一步的，所述的密封接头由压缩接头、密封件和密封底座组成；所述的压缩接头设置有外螺纹；所述的密封件采用可压缩的弹性材料制成；密封底座具有内螺纹和外螺纹，内螺纹与压缩接头的外螺纹配合联接，外螺纹与压力罐上盖板联接；测试线或起爆线穿过压缩接头和密封件的中心通孔。

进一步的，所述的上盖板外部设置有压力表。

进一步的，所述的底座设置有十字交叉加强筋板。

进一步的，所述的容器的外部联接有检验装置，所述的检验装置包括信号调理器、动态采集器、电脑终端和起爆器，所述的起爆器与爆炸组件中的电雷管电联接；所述的传感器输出端经过信号调理器对传感器信号进行放大调理后，由动态采集器进行信号采集，并将采集的数据存储在电脑终端。

进一步的，所述的起爆器包含有同步触发端口，通过同步信号线与动态采集器相联，触发动态采集器进行爆炸信号采集。

进一步的，传感器与炸药布设在同一水平高度。

本发明的有益技术效果如下：

1、本发明采用压力爆炸容器替代了离心机进行高静水压力环境下水下爆破的精确模拟试验，可通过压力参数的精确设计准确模拟离心机的水下试验，检验爆炸装置在高水压环境下的爆炸性能和起爆可靠性，真实模拟了离心机水下爆炸试验，并具有方便稳定可靠、成本低的特点。

2、本发明采用实测的冲击波峰值和气泡脉动周期数据和经验公式数据比对，并对最小二乘拟合结果进行处理，得到了装药等效系数及等效药量，实现了对炸药起爆状态和起爆可靠性进行检验评判，并依据理论得到的峰值冲击压力值或实测峰值压力值，计算得到了爆炸压力容器的参数，为爆炸容器的研制提供了依据。

3、本发明在密封容器中加入足够的水并通入不同气压的空气，实现不同静水压力参数的爆炸模拟，并在容器中设置压力传感器，测量水下爆炸冲击波和气泡脉动的影响，研究爆炸性能，对炸药爆炸的可靠性进行检验。

4、传统的电雷管起爆方式采用将胶带将雷管和导爆索缠绕粘接的方式，在水下试验中被证明无法进行正常的起爆，常出现拒爆的现象发生；本发明采用起爆连接件将雷管和导爆索端面密封条件下压贴，使之与水隔离且紧密贴合固定，降低水浸及水压对雷管起爆性能的影响，克服了拒爆问题，确保了高静压水下爆破雷管起爆的可靠性。

5、本发明在爆炸容器的上盖设置了密封件，用于将测试线和起爆线的密封，密封件采用可压缩的弹性材料制成，压接在测试线或起爆线上，确保了整个容器不漏气。

附图说明

图1为爆炸密封容器结构示意图

图2为测试线/起爆线密封接头结构示意图

图3为起爆连接件结构示意图

图4为爆炸装置结构示意图

图5水下爆炸压力时间曲线

图6冲击波作用下侧壁微元受力分析

图中，1—容器；2—起爆线密封接头；3—测试线密封接头；4—传感器；5—炸药；6—水；7—气压阀；8—上盖板；9—底座；10—压力表；11—压缩接头；12—密封件；13—密封底座；14—密封线；21—电雷管；22—雷管套；23—螺套；24—导爆索接头；25—导爆索；30—信号调理器；31—动态采集器；32—电脑终端；33—起爆器。

具体实施方式

一、爆炸装置及相关测量设备

如图1所示，本发明的水下压力爆炸试验装置包括爆炸密封容器1、爆炸组件和传感器4，容器1包括上盖板8、底座9和外壁7，上盖板8设置有中心通孔、传感器通孔和气压阀，爆炸组件和传感器4分别穿过中心通孔和传感器通孔后设置在容器腔内；传感器与装药布设在同一水平高度，爆炸组件和传感器4通过密封接头2密封固联在容器1的上盖板8上；容器下半部盛有水，上半部分充有高压气体。

装药和传感器从压力容器上盖板处预留的两个通孔布置入容器内部，通孔加工有内螺纹，通过两个接头分别将起爆线和测试线从通孔引出，然后旋紧密封，压力容器上盖板处安装数字压力表与气压阀，用以加压以及读取容器内部气体压力。底座9设置有十字交叉加强筋板，以提高容器爆炸的承受能力。

线路密封措施参考图2所示的抗爆压力容器的起爆线2和测试线的线路密封接头3。密封接头包括起爆线密封接头2和测试线密封接头3，密封接头由压缩接头11、密封件12和密封底座13组成；压缩接头11设置有外螺纹；密封件12采用尼龙等可压缩的弹性材料制成；密封底座13具有内螺纹和外螺纹，内螺纹与压缩接头11的外螺纹配合联接，外螺纹与压力罐上盖板8联接；密封线14也就是测试线或起爆线，穿过压缩接头11和密封件12的中心通孔。

如图3所示，爆炸组件包括电雷管21、起爆连接件、导爆索25和炸药，电雷管21和导爆索25之间通过起爆连接件固联；起爆连接件包括导爆索接头24、雷管套22和螺套23；导爆索接头24的前端设置有外螺纹，中心设置有通孔，导爆索25设置在导爆索接头24的中心通孔内；雷管套22包括大直径的前端和小直径的尾端；雷管套22的前端中部设置有容纳雷管21的空腔，雷管套22的尾端设置有中心通孔，用于穿接雷管起爆线；螺套23穿过雷管套22的尾端，通过内螺纹和导爆索接头24前端的外螺纹配合联接，将雷管21压贴在导爆索25的端面上。

试验所用的爆炸装置有三种：雷管、柱形装药、球形装药。根据以往的离心试验结果，以电雷管21、导爆索25、球形装药为传爆序列的球形装药爆炸装置，在30cm水深60g重力加速度下，即277kpa水压(相当于18m水深)，爆炸装置不能正常作用。其主要原因可能是，采用传统的雷管起爆方式，是用胶带将雷管和导爆索缠绕粘接的方式，在高水压环境下，电雷管21与导爆索25之间的水层会对电雷管21的起爆能力起到降低的作用，常出现拒爆的现象发生。而采用图3的连接方式，采用特制铝合金金属连接件的螺纹固定，保证雷管与导爆索端面紧密结合，并内置了容纳雷管的空腔，使之与水隔绝密封，起爆单元并不受水压的影响，也就是水的压力无法传递至雷管21和导爆索25的端面影响其正常起爆，从而降低了水及水压对雷管起爆性能的影响，雷管和主装药通过导爆索实现稳定可靠的爆炸。

主装药按形状分为球形或柱形。球形主装药为聚黑-2(8701炸药)，装药密度为1.65g/cm3，炸药规格为0.5g、0.75g、1.0g、2.0g、3.0g；外接10～32cm导爆索25，导爆索25用微型电雷管21起爆。柱形主装药为聚黑-14，装药密度约1.65g/cm3，直接电雷管起爆，药量规格(计雷管药量)为0.125g，0.250g，0.500g，0.750g，1.000g。主装药性能参数，爆速为8160m/s，爆热1210kj/mol，爆容663l/kg，jwl方程参数a＝6.3，b＝0.175，r1＝4.45，r2＝1.35，w＝0.31，e＝0.112。传爆方式为铝壳导爆索，外壳直径φ2.56mm，外壳壁厚0.5mm；导爆索药剂为钝黑-5，装药线密度约3.15g/m，爆速约为8041m/s。起爆方式为微型电雷管起爆，雷管内部药量为45mg炸药，45mg起爆药(炸药为黑索金，起爆药为羧甲基纤维素氮化铅)，等效药量50mg，外壳尺寸φ3.78mm×7.36mm，导线长度40mm，延长至1m。安全电流75ma±5ma，发火直流电压12v±0.5v(电容20μf±2μf)。

如图4所示，爆炸密封容器的外部联接有检验装置。检验装置包括信号调理器30、动态采集器31、电脑终端32和起爆器33，所述的起爆器33与爆炸组件中的电雷管21电联接；所述的传感器4输出端经过信号调理器30对传感器4信号进行放大调理后，由动态采集器31进行信号采集，并将采集的数据存储在电脑终端32。

起爆器33包含有同步触发端口，通过同步信号线与动态采集器31相联，触发动态采集器31进行爆炸信号采集。起爆器33采用gbp414型起爆器，其具有测量、显示网络直流电阻，以及起爆电雷管21的功能，并且无需电池供电。主要技术指标包括，输出电压：≥1600v(充电后瞬间)；起爆能力：导线电阻不大于50ω时，充电后立即起爆串联军用8#电雷管200发；重量：≤1kg；体积：长×宽×高≤160mm×105mm×60mm。

传感器4采用水压力传感器，使用的是icp公司生产的型号为pcb138a10压力传感器，其量程为68.95mpa，灵敏度系数为73mv/mpa，谐振频率≥1000khz，低响应频率2.5hz。该型号压力传感器可将水中压力信号转换为电信号，但是需要型号为482c的调理器进行处理。信号调理器30具有四个独立通道，均可为传感器提供合适的电流源以维持传感器工作，每个通道的输入和输出均在后面板使用bnc接口。

动态采集器31采用高速数据采集系统，使用的是东华泰测公司的型号为dh5960的超动态信号测试分析系统，其应用范围广泛，可完成应力应变、振动(加速度、速度、位移)、冲击、声学、温度(各种类型热电偶、铂电阻)、压力、流量、力、扭矩、电压、电流等各种物理量的测试和分析。20mhz高速瞬态采样速率，广泛应用于冲击、爆破试验，准确捕捉瞬态信号。具有16个独立通道，试验时采样频率设置为1m。

将爆炸装置和测试传感器与起爆线和测试线连接好布置于压力容器内，并连接设置数据采集系统。按照试验方案选取药量，设置装药沉深和测试距离，然后密封加压至方案所设计的压力时，起爆爆炸装置，测试水下爆炸产生的水压力变化。

二、爆炸试验及理论计算

采用上述爆炸装置开展了爆炸试验，爆炸试验内容主要分为四个部分：雷管性能测试，加压模型相似率验证，柱形装药试验，球形装药起爆性能测试。起爆性能测试主要需要检验在30m水深环境下(相当于离心模型试验中，100g离心加速度，30cm水深)，即在4个大气压下，爆炸装置是否能够可靠完全起爆。

水下爆炸荷载包括水下冲击波和气泡脉动，cole针对水下爆炸做了大量的研究工作，提出水下爆炸冲击波压力计算的经验公式，水下爆炸冲击波和气泡脉动公式可由下式(1)、式(2)确定：

式中：w为折算成tnt的装药质量(kg)；r为爆距(m)；h是装药沉深(m)；h0是大气压的等效水柱高度(m)，标准大气压的等效水柱高度为10.34m；kp、ap为与炸药特性相关的冲击波参数，kt为与炸药特性相关的气泡参数，对于tnt炸药，kp＝52.4，ap＝1.13，kt＝2.11。试验所用爆炸装置主装药成分为rdx，rdx药剂在完全爆轰的情况下威力是tnt炸药的1.58倍。

结合式(1)和式(2)，将试验所用rdx装药量依据等效系数n换算成tnt当量，采用等效系数n的目的是克服不同的炸药种类及爆炸结果的影响。各组装药量为wi的试验根据经验公式计算得到的冲击波峰值压力为见式(3)、气泡脉动周期为ti^*见式(4)：

同时采用试验方法通过传感器测得的压力-时间曲线如5所示，各组试验工况中，第i组试验的装药量wi在装药沉深为hi和气压的等效水柱高度为h0i的条件下，爆炸后测得的冲击波峰值pmi和气泡脉动周期ti(等于二次峰值压力时刻和冲击波峰值压力时刻之差)进行整理，对比试验结果进行分析。

依据最小二乘法原则，基于公式(3)和(4)拟合试验数据计算等效系数n，使得公式(3)和(4)计算得到的数据点和各实测得到的数据点偏差的平方和rp和rt均为最小值；即确定n值，使得rp和rt的取值为最小，其中

由于rp和rt是关于n的函数，分别求rp和rt为最小值时的np和nt，设则见式(6)：

通过式(5)、式(6)可求得：

np和nt分别为对应冲击波和气泡脉动的等效药量，在炸药完全爆轰的情况下应当满足np≈nt，取作为试验所用装药的tnt等效系数。

依据该系数值的大小，并结合现场试验现象，可做出初步判定：当n≥1.00时，即爆炸装置的威力相当于或大于等量的tnt威力，即认为主装药可靠起爆；当n≈1.58时，接近rdx药剂的等效系数，即表明主装药达到高爆速完全爆轰；当n＜＜1时，即判定爆炸并未可靠起爆。另外，由于雷管的等效药量经过测试校核为50mg，若爆炸装置的等效药量nw≈50mg时，则可判断雷管爆炸，但未起爆主装药；若并未测到任何冲击波压力峰值，即n＝0时，则可判定雷管未发生作用。

以n＝1为标准设置判定区间，区间范围取±20％，则可得到如下判定准则：

当n>1.20时，主装药达到高爆速完全爆轰；

当0.80≤n<1.20时，主装药处于低爆速起爆；

当0<n<0.80时，主装药处于半爆或非正常起爆状态；

当n＝0时，雷管未发生作用。

主装药处于起爆状态下，即n≥0.80时，该爆炸装置爆炸性能即趋于稳定，可用来作为其tnt等效药量系数来计算。

三、爆炸容器设计计算

根据以上爆炸试验的结果，对爆炸容器的参数进行了设计，设计计算步骤如下：

(1)基本原理及爆炸冲击参数确定

根据爆炸试验的特点，忽略了水压缩变形消耗的能量。这是因为水是难以压缩的液体，当外界压力增大到100mpa时，水的密度仅增加5％左右。因此炸药在水中爆炸时，水本身所消耗的变形能量很小，爆炸能量的传递效率高。

其次，根据模拟爆炸试验的特点，以及容器的加工要求，确定了下面的初步参数：容器内充空气压力p0为0.4mpa，承受水下爆炸药量3g，尺寸大小φ80cm×100cm，材料优选强度大于q235的钢材。

对于集中爆破方式，水中冲击波波阵面的峰值压力理论值为式(9)所示

式中:为理论计算得到波阵面上的峰值压力，pa；kp与炸药性质有关的常数，对tnt炸药kp＝52.4；w为药量，kg；r为物体距药包中心的距离，m；ap为衰减指数，对tnt炸药，ap＝1.13。

水中冲击波压力p与时间t的函数关系为式(10)

式中θ为积分常数，

在对爆破罐的参数设计计算时，考虑冲击波在罐壁反射叠加，以冲击波到达罐壁时的峰值压力pm的2倍作为爆炸荷载，分别对爆破罐的侧壁及底面进行强度校核。

(2)爆破罐侧壁厚度计算

首先根据公式(10)和(11)，计算得到水中爆破冲击波到达侧壁的峰值压力罐内初始压力为p0，则侧壁受到的压力载荷p为式(12)：

其中p0是容器内冲压力，也就是爆炸前容器内初始压力。

罐壁微元受力情况如图6，可以得到平衡方程式(13)：

式中p为侧壁所受的压力载荷，a为爆破罐半径，σθ为侧壁拉应力。

由式(13)得到：

在确定了爆破罐所用钢材型号后，以及爆破罐半径a，材料的最大便已经确定，只要使得σθ≤[σs]即可保证爆破罐的安全，从而计算得到壁厚δ。

(3)爆破罐底面强度校核

对于爆破罐底面的强度校核主要针对罐底抗剪强度进行校核，为保证强度满足要求，在计算罐底收到的冲击载荷时，将球面冲击波近似看作平面波，认为冲击波波峰同时到达底面并发生反射，底面受到的最大冲击压力载荷参考式(12)。

罐底受冲击时平衡方程式(15)

pπa²＝2πaδbσg(15)

式中δb为罐底壁厚，σg为底面罐壁剪切应力。

由(15)式可得式(16)：

在确定了爆破罐所用钢材型号后，材料的抗剪强度[σg]便已经确定，根据爆破罐半径a、只要使得材料内剪应力σg小于材料的抗剪强度[σg]，即可保证爆破罐的安全，从而计算得到罐底壁厚δb。

需要说明的是，以上参数设计方法是依据前述理论计算和实验数据相结合的方式，计算得到炸药等效系数n后，根据公式(9)，得到峰值压力理论值并分别根据公式(12)得到压力载荷p后最终计算得到的爆炸罐参数。

在实际应用中也可以根据试验得到的峰值压力实测值pm来取代理论值对爆炸容器的参数进行设计计算。

(4)最终爆炸罐设计参数

爆炸罐容器全高1200mm，内部高度960mm，侧壁厚20mm，上下盖板厚35mm，底部盖板加装井字支架。上盖板中心和距中心250mm处预留直径50mm的通孔，用以布设炸药和压力传感器，装药沉深300mm，水深700mm，传感器与装药布设在同一水平高度，距离300mm，可满足所需炸药种类及当量的模拟试验要求，并确保了模拟爆炸试验的安全。