爆炸位置对钛合金定向泄爆容器冲击响应的影响

郭德龙 任云燕 徐豫新 李永鹏 李旭东 杨祥

郭德龙, 任云燕, 徐豫新, 李永鹏, 李旭东, 杨祥. 爆炸位置对钛合金定向泄爆容器冲击响应的影响[J]. 爆炸与冲击, 2024, 44(2): 025102. doi: 10.11883/bzycj-2023-0126
引用本文: 郭德龙, 任云燕, 徐豫新, 李永鹏, 李旭东, 杨祥. 爆炸位置对钛合金定向泄爆容器冲击响应的影响[J]. 爆炸与冲击, 2024, 44(2): 025102. doi: 10.11883/bzycj-2023-0126
GUO Delong, REN Yunyan, XU Yuxin, LI Yongpeng, LI Xudong, YANG Xiang. Effect of explosion location on impact response of titanium alloy directional detonation container[J]. Explosion And Shock Waves, 2024, 44(2): 025102. doi: 10.11883/bzycj-2023-0126
Citation: GUO Delong, REN Yunyan, XU Yuxin, LI Yongpeng, LI Xudong, YANG Xiang. Effect of explosion location on impact response of titanium alloy directional detonation container[J]. Explosion And Shock Waves, 2024, 44(2): 025102. doi: 10.11883/bzycj-2023-0126

爆炸位置对钛合金定向泄爆容器冲击响应的影响

doi: 10.11883/bzycj-2023-0126
基金项目: 工信部科技三项之民机项目(KJKT 19-057)
详细信息
    作者简介:

    郭德龙(1999- ),男,硕士研究生,guo-delong@qq.com

    通讯作者:

    徐豫新(1982- ),男,博士,准聘教授,xuyuxin@bit.edu.cn

  • 中图分类号: O383; V223.2

Effect of explosion location on impact response of titanium alloy directional detonation container

  • 摘要: 研究了不同位置炸药爆炸作用下钛合金定向泄爆容器的冲击响应。通过试验与数值模拟,分析了100 g TNT炸药放置不同位置时容器的抗爆性能和冲击端头的飞行角度,并以限制罐体运动为目的,对罐体轴向受力进行了分析。研究表明:爆炸物位于轴线时,罐体产生弹性形变;紧贴内壁中间位置时,罐体外壁鼓包并贯穿开裂;紧贴内壁近端头处时,罐体外壁凸起。100 g TNT炸药作用下,冲击端头出口速度均值为124.45 m/s、最大偏角为2.3°,且爆炸物位置对端头出口速度影响较小。爆炸物位于轴线前、后端时,轴向力较爆炸物位于轴线中心时分别增大173%和116%。该研究可为民机定向泄爆容器及连接结构设计提供参考。
  • 图  1  定向泄爆容器结构

    Figure  1.  Structure of the directional blowout container

    图  2  测试装置

    Figure  2.  Test equipment

    图  3  速度测试示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of speed test

    图  4  TNT位于不同位置时罐体的损伤情况

    Figure  4.  Damage conditions of the tank when TNT was located at different positions

    图  5  高速摄影图像

    Figure  5.  High-speed photographic images

    图  6  定向泄爆容器网格模型

    Figure  6.  Tank grid model

    图  7  有限元模型

    Figure  7.  Finite element model

    图  8  工况5中试验与数值模拟破坏形貌对比

    Figure  8.  Comparison of failure morphologies by test and simulation in case 5

    图  9  工况5和工况6罐体的破坏形貌损伤云图

    Figure  9.  Damage nephograms of the tanks in case 5 and case 6

    图  10  工况5和工况6罐体内空气域的压力云图

    Figure  10.  Air domain pressure nephograms in the tanks in case 5 and case 6

    图  11  工况2和工况6端头的损伤云图

    Figure  11.  Damage nephograms of the head in case 2 and case 6

    图  12  工况2和工况6端头的偏转角度

    Figure  12.  Deflection angles of the impact plugs in case 2 and case 6

    图  13  炸药位于不同位置时端头的速度

    Figure  13.  Terminal velocity when the explosives at different locations

    图  14  第1阶段的罐体轴向力

    Figure  14.  Axial force of the tank in stage 1

    图  15  第2阶段罐体轴向力

    Figure  15.  Axial force of the tank in stage 2

    图  16  各阶段的轴向力峰值

    Figure  16.  Peak value of axial force in each stage

    表  1  测试工况

    Table  1.   Test condition

    工况 炸药位置 炸药示意图 工况 炸药位置 炸药示意图
    1 罐体轴线靠近后端盖处 4 罐体内壁靠近后端盖处
    2 罐体轴线中心 5 罐体内壁中心
    3 罐体轴线靠近端头处 6 罐体内壁靠近端头处
    下载: 导出CSV

    表  2  测试工况

    Table  2.   Test conditions

    工况 炸药位置 端头速度/(m·s−1) 罐体损伤情况
    1 罐体轴线靠近后端盖处 无变形、无开裂
    2 罐体轴线中心位置 117.9 无变形、无开裂
    3 罐体轴线靠近端头处 无变形、无开裂
    4 罐体内壁靠近后端盖处 无变形、无开裂
    5 罐体内壁中心位置 贯穿性裂纹,裂纹长度116.1 mm
    6 罐体内壁靠近端头处 罐体凸起
    下载: 导出CSV

    表  3  TC4钛合金和15-5PH材料参数[15-16]

    Table  3.   Material parameters of TC4 titanium alloy and 15-5PH[15-16]

    材料 ρ/(g·cm−3) G/GPa A/GPa B/GPa C M n cp/(J·kg−1·K−1) Tm/K Tr/K
    TC4钛合金 4.428 109.778 1 098 1 092 0.014 1.1 0.930 560 1 878 293
    15-5PH 7.800 196.507 1 077 499 0 0 0.568 502 1 713 293
    下载: 导出CSV

    表  4  TNT材料参数[18]

    Table  4.   TNT material parameters[18]

    ρ/(g·cm−3)爆速/(m·s−1)爆压/GPaa/GPab/GPaR1R2ωEV
    1.636 93021373.773.74714.150.90.356.01
    下载: 导出CSV

    表  5  数值模拟结果与试验结果的对比

    Table  5.   Comparison between simulation results and test results

    工况 爆炸物质量/g 爆炸物位置 破坏模式 端头飞行速度 贯穿裂纹长度
    试验/(m·s−1) 模拟/(m·s−1) 误差/% 试验/mm 模拟/mm 误差/%
    2 100 罐体轴线中心 无变形、无开裂 117.9 125.5 6.45
    5 100 罐体内壁中心 贯穿性裂纹 120.1 116.1 109.6 5.60
    下载: 导出CSV
  • [1] Flight Safety Foundation. ASN Aviation safety database [EB/OL]. 2022. http://aviation-safety.net/database/year/2022/1.
    [2] FAR Part 25 Amendment No: 25-127. Security considerations requirements for transport gategory airplanes [S]. United States: Federal Aviation Administration, 2008.
    [3] 14 CFR Parts 25 Airworthiness standards: transport category airplane [S]. Washington: Federal Aviation Administration, 2013.
    [4] CCAR-121-R5 大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则 [Z]. 中国民用航空局, 2017.
    [5] MASI F, MARIANO P M, VANNUCCI P. Blast actions in aircrafts: an integrated methodology for designing protection devices [J]. Engineering Structures, 2018, 175: 895–911. DOI: 10.1016/j.engstruct.2018.08.082.
    [6] DANG X L, CHAN P C. Design and test of a blast shield for Boeing 737 overhead compartment [J]. Shock and Vibration, 2006, 13(6): 547063. DOI: 10.1155/2006/547063.
    [7] LANGDON G S, KRIEK S, NURICK G N. Influence of venting on the response of scaled aircraft luggage containers subjected to internal blast loading [J]. International Journal of Impact Engineering, 2020, 141: 103567. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2020.103567.
    [8] Civil Aviation Authority. Aircraft hardening research programme-final overview report: CAA paper 2001/9 [R]. London: CAA, 2001.
    [9] 陆鹏, 郭忠宝, 杨超. 民用飞机最小风险炸弹位置适航符合性验证方法研究 [J]. 民用飞机设计与研究, 2016(4): 6–12. DOI: 10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.04.002.

    LU P, GUO Z B, YANG C. Verification method investigation of airworthiness compliance for civil aircraft least risk bomb location design [J]. Civil Aircraft Design & Research, 2016(4): 6–12. DOI: 10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.04.002.
    [10] 冯振宇, 傅博宇, 解江, 等. 爆炸冲击载荷下机身壁板的动态响应 [J]. 航空学报, 2022, 43(6): 525513. DOI: 10.7527/S1000-6893.2021.25513.

    FENG Z Y, FU B Y, XIE J, et al. Dynamic response of fuselage panel under explosive impact load [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2022, 43(6): 525513. DOI: 10.7527/S1000-6893.2021.25513.
    [11] 刘宗兴, 刘军, 李维娜. 爆炸冲击载荷下典型机身结构动响应及破坏 [J]. 航空学报, 2021, 42(2): 224252. DOI: 10.7527/S1000-6893.2020.24252.

    LIU Z X, LIU J, LI W N. Dynamic response and failure of typical fuselage structure under blast impact load [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2021, 42(2): 224252. DOI: 10.7527/S1000-6893.2020.24252.
    [12] 朱铮铮, 冯蕴雯, 薛小峰, 等. 一种民机客舱便携式定向防爆装置: CN106197184A [P]. 2016-12-07.
    [13] 韩璐, 苏健军, 张玉磊, 等. 一种聚能泄压民机客舱定向防爆装置: CN109780956A [P]. 2019-05-21.
    [14] 李永鹏, 徐豫新, 杨祥, 等. 冲击载荷作用下机身壁板破坏效应及结构优化 [J]. 振动与冲击, 2023, 42(14): 40–47. DOI: 10.13465/j.cnki.jvs.2023.14.005.

    LI Y P, XU Y X, YANG X, et al. Failure effect and structure optimization of a fuselage panel under impact load [J]. Journal of Vibration and Shock, 2023, 42(14): 40–47. DOI: 10.13465/j.cnki.jvs.2023.14.005.
    [15] WANG X M, SHI J. Validation of Johnson-Cook plasticity and damage model using impact experiment [J]. International Journal of Impact Engineering, 2013, 60: 67–75. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2013.04.010.
    [16] 戴志成. 飞机断离销剪切强度有限元与实验研究 [D]. 沈阳: 沈阳理工大学, 2017.

    DAI Z C. Finite element and experimental study on shear strength of aircraft fuse pin [D]. Shenyang: Shenyang Ligong University, 2017.
    [17] CASTEDO R, NATALE M, LÓPEZ L M, et al. Estimation of Jones-Wilkins-Lee parameters of emulsion explosives using cylinder tests and their numerical validation [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2018, 112: 290–301. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2018.10.027.
    [18] LEE E, FINGER M, COLLINS W. JWL equation of state coefficients for high explosives: UCID-16189 [R]. Livermore: Lawrence Livermore National Laboratory, 1973. DOI: 10.2172/4479737.
  • 加载中
图(16) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  147
  • HTML全文浏览量:  56
  • PDF下载量:  49
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-04-07
  • 修回日期:  2023-09-05
  • 网络出版日期:  2023-12-25
  • 刊出日期:  2024-02-06

目录

    /

    返回文章
    返回