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水下爆炸实验平台是实验室根据爆炸相似原理,利用少量炸药对水下爆炸作用规律进行实验研究的主要设备,它主要包括水下爆炸实验安全塔和测试记录仪器。水下爆炸实验安全塔同时也是金属爆炸加工成型的主要设备。安全塔的主要作用是屏蔽水下爆炸能量的破坏作用,减小水下爆炸对周围环境的影响。因此,安全塔的正确设计和合理使用,直接关系到实验的安全和塔体的使用寿命。
本文首先运用无限长平面应变壳的简化力学模型,在弹性变形范围内,研究了水下爆炸实验安全塔壁部的应变与内部爆炸冲击波强度之间的关系,建立了数学模型,利用MATLAB编写了计算程序,得到了数学解析解。然后利用应变片电测法,通过物理实验测量了在不同药量炸药爆炸作用下,小型水下爆炸实验水罐壁部应变曲线,并与理论解析解得到的应变曲线进行了对比,证实了理论解析解的正确性。接着利用有限元动力分析软件LS-DYNA,对水下爆炸实验水罐内部冲击波压力的动态分布和壁部的动态响应,进行了三维数值模拟。通过对数值模拟结果的分析,得出了水下爆炸实验水罐内部爆炸冲击波随时间变化的动态分布规律,确定了在内部爆炸冲击波作用下,壁部最大应变发生的区域,并给出了其形成的原因。最后本文提出了利用空气隔层阻隔水中冲击波的设想,并分析了其对冲击波衰减的原理。通过实验研究证明,水中空气隔层对水下爆炸冲击波有较好的阻隔作用。在以上工作的基础上,结合985工程建设的需要,设计并组织建造了一个直径5m,高5m能够承受0.5kg TNT当量炸药内爆的水下爆炸实验安全塔,现已通过验收投入使用。