高能量利用率爆炸复合技术的实验研究
发布时间：2022-01-01 14:34
爆炸复合技术是利用炸药爆炸所释放的强大能量驱动复层金属与基层金属高速斜碰撞,在待焊接界面处产生射流、小尺度熔化,从而形成彼此间冶金结合的一种技术。相比于其他连接技术,爆炸复合显著的优势在于结合强度高、热影响区小、以及异种金属焊接能力强。基于上述核心优势,爆炸复合己成为石油化工、海洋工程、航空航天等众多工业领域不可或缺的连接技术。然而,在焊接过程中炸药能量利用率低、环境污染严重等问题一直存在。近年来,随着城市化进程的推进以及人们对生态环境的重视,爆炸焊接作业与周围生态环境的矛盾日益突出,这严重限制了该产业的发展。而造成这种问题的主要原因在于传统爆炸焊接装药方式的落后,由于炸药上表面裸露在空气中,大部分爆炸能量以冲击波的形式耗散在空中,其不仅浪费能源,还会引发严重的噪声粉尘污染。为解决上述问题,本文从炸药约束角度出发,提出了胶体水约束爆炸复合技术。以钛/钢爆炸复合为例,通过理论分析与实验相结合的方法研究了胶体水厚度对复板碰撞速度、爆炸噪声、粉尘以及结合界面微观结构的影响。结果表明,胶体水约束爆炸复合技术在提升炸药驱动能力的同时,能显著地降低爆炸粉尘和噪音污染。与传统裸露装药结构相比,在相同...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：130 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２工业爆炸焊接周围环境，（ａ）爆炸焊接基地植被状况，（ｂ）爆炸后粉尘弥漫现象，（ｃ）和??（ｄ）爆炸前后周边小溪水质状况??近年来，随着城市化进程的推进以及人们对环保和能源问题的重视，爆炸复??合作业对周围生态环境的破坏被进一步放大
?第２章爆炸复合原理简介???Ｃ－Ｊ面???■—?？?Ｄ???Ｐｊ?Ｐ〇??Ｐｊ?Ｐｏ??爆轰产物?炸药??Ｃｊ??Ｄ?Ｄ??图２．１爆轰波Ｃ－Ｊ模型示意图??如图２．１所示，将坐标系建立在波阵面（Ｃ－Ｊ面）上，炸药将以Ｄ－Ｕｇ的速度??流入Ｃ－Ｊ面，并以Ｄ－Ｕｊ的速度流出Ｃ－Ｊ面。显然，炸药在Ｃ－Ｊ面前后应满足质量??守十旦、动量守丨旦以及能量守丨旦三大守恒关系式：??Ｐｏ（Ｄ－ｕｏ）＝Ｐｉ｛Ｄ－ｕｉ）?（２．１）??＾ｒｐ〇＝Ｐ〇（Ｄ￣ｕ〇）｛ｕｒｕ〇）?（２．２）??ｅ〇＋?—＋＾（ＪＤ－ｕ〇）２＋Ｑ＝ｅｊ＋＾－＋－ｉ（￡）－ｕｊ）２?（２．３）??Ｐ〇?＾?Ｐｊ?＾??式中，Ｐ、ｐ、ｕ、ｅ、Ｄ分别为压力、密度、粒子速度、内能、爆速，角标０和ｊ??分别代表Ｃ－Ｊ面前和Ｃ－Ｊ面后，Ｑ为爆热。??通常，可根据实验或理论计算得出爆轰产物状态方程为：??ｅ＝ｅ?Ｐ，—?（２．４）??Ｉ?Ｐｊ）??由于爆轰参数有包含Ｐｊ、Ｐｉ、ｕｊ、ｅｊ、Ｄ的五个未知量，上述４各方程还不足??以给出爆轰参数的理论解。为此，Ｃｈａｐｍａｎ和Ｊｏｕｇｕｅｔ根据爆轰波的传播规律，??给出了稳定爆轰应遵守的第五个方程：??Ｄ＝Ｕｊ＋ｃ?（２．５）??式中，ｃ为爆轰产物在Ｃ－Ｊ面的声速。??根据上述２．１－２．５五个方程可以给出各个爆轰参数的理论解。但需要指出，??Ｃ－Ｊ理论是一个十分理想化的模型，只在高能凝聚态炸药的爆轰计算中具有较为??满意的结果。对于爆炸焊接中常用的低能乳化炸药，爆轰过程中存在着明显的化??学反应过程和较长的化学反应区，这与Ｃ－Ｊ理论中强间断假设相矛盾，因此很难??通过这
?第２章爆炸复合原理简介???２．２．２?ＺＮＤ?模型??为弥补?Ｃ－Ｊ?理论的不足，Ｚｅｌｄｏｖｉｃｈ【１１］、Ｖｏｎ?Ｎｅｕｍａｎ［１２］、Ｄｏｒｉｎｇ［１３】相继在?Ｃ－??Ｊ理论的基础上考虑了化学反应过程，并提出了著名的ＺＮＤ模型。如图２．２所??示，ＺＮＤ模型中波阵面由前导冲击波和化学反应区组成，而化学反应区末端则??为Ｃ－Ｊ面。初始炸药在前导冲击波作用下温度和压力急剧升高，从而诱导其进行??激烈的化学反应。随着反应进程的进行，爆轰所释放的热量不断增加，该热量一??爺分对外输出，另一部分则用于维持前导冲击波的向前传播。与此同时，由于后??端稀疏波的作用，反应区内压力逐渐衰减。当炸药的反应热全部释放时，反应过??程到达终态Ｃ－Ｊ点，此时爆轰产物所对应的压力即为Ｃ－Ｊ压力。由于ＺＮＤ模型??爆轰参数的推导过程与Ｃ－Ｊ模型类似，这里不再赘述。??Ｐｎ??稀疏＾???Ｐｏ??Ｉ??Ｉ??爆轰产物?反应区?炸药??Ｃ－Ｊ面?前导冲击波??图２．２爆轰波ＺＮＤ模型示意图??２．３炸药爆轰过程中的尺寸效应??事实上，无论是Ｃ－Ｊ模型还是ＺＮＤ模型都是基于理想爆轰情形，即假定装??药直径无限大，不受侧向膨胀和爆轰产物飞散的影响。而在实际中，炸药的装药??直径均为有限值，爆轰波在传播过程中不仅会在轴向产生稀疏波，还会受到从炸??药侧面传来的稀疏波的影响，如图２．３所示。这些侧向稀疏波不仅会削弱爆轰冲??击波的强度，还会使得处于表面的未反应炸药粒子飞散，造成爆轰能量的损失。??在这种情况下，爆轰速度不再是定值，而是与装药直径相关的函数。在２０世纪??４０年代末，ＥｒｙｉｎｇＭ首次给出了炸药爆速与装药直
【参考文献】：
期刊论文
[1]服役温度和时间对TA2/Q235爆炸复合板接头组织及硬度的影响[J]. 杨洪波,康佳,郭龙创,姚沛文. 兵器材料科学与工程. 2020(03)
[2]Ti-Cu层状复合材料静态载荷下变形与失效机制[J]. 孙伟,张炜,郭剑,贾丽芳,李晓杰. 复合材料学报. 2020(05)
[3]热处理工艺对爆炸焊接后哈氏合金C276耐蚀性能的影响[J]. 孙绍恒,杨宇军,夏金民,孙朝军,王玉龙,刘旭瑞,赵爱民,尹飞. 金属热处理. 2019(05)
[4]金属复合材料真空爆炸焊接实践与研究[J]. 牛爱红. 工程爆破. 2018(04)
[5]不锈钢-普碳钢的双面爆炸复合[J]. 缪广红,马宏昊,沈兆武,余勇. 爆炸与冲击. 2015(04)
[6]蜂窝结构炸药及其应用[J]. 缪广红,马宏昊,沈兆武,余勇. 含能材料. 2014(05)
[7]爆炸焊接界面成波机理[J]. 侯国亭,冯健,袁安富,王超. 爆破. 2013(04)
[8]低爆速爆炸焊接乳化炸药的制备与性能[J]. 黄文尧,张凯,吴红波,胡鑫,王道阳,申夏夏,余燕. 含能材料. 2013(03)
[9]双立爆炸焊接及防护装置数值模拟和试验[J]. 史长根,汪育,徐宏. 焊接学报. 2012(03)
[10]爆炸焊接界面波的数值模拟[J]. 李晓杰,莫非,闫鸿浩,王海涛. 爆炸与冲击. 2011(06)
博士论文
[1]稀贵金属材料爆炸焊接及热处理工艺研究[D]. 王小绪.南京理工大学 2014
硕士论文
[1]大型爆炸焊接场环境影响评价指标体系研究[D]. 徐文洁.西南交通大学 2013
本文编号：3562322
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：130 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２工业爆炸焊接周围环境，（ａ）爆炸焊接基地植被状况，（ｂ）爆炸后粉尘弥漫现象，（ｃ）和??（ｄ）爆炸前后周边小溪水质状况??近年来，随着城市化进程的推进以及人们对环保和能源问题的重视，爆炸复??合作业对周围生态环境的破坏被进一步放大
?第２章爆炸复合原理简介???Ｃ－Ｊ面???■—?？?Ｄ???Ｐｊ?Ｐ〇??Ｐｊ?Ｐｏ??爆轰产物?炸药??Ｃｊ??Ｄ?Ｄ??图２．１爆轰波Ｃ－Ｊ模型示意图??如图２．１所示，将坐标系建立在波阵面（Ｃ－Ｊ面）上，炸药将以Ｄ－Ｕｇ的速度??流入Ｃ－Ｊ面，并以Ｄ－Ｕｊ的速度流出Ｃ－Ｊ面。显然，炸药在Ｃ－Ｊ面前后应满足质量??守十旦、动量守丨旦以及能量守丨旦三大守恒关系式：??Ｐｏ（Ｄ－ｕｏ）＝Ｐｉ｛Ｄ－ｕｉ）?（２．１）??＾ｒｐ〇＝Ｐ〇（Ｄ￣ｕ〇）｛ｕｒｕ〇）?（２．２）??ｅ〇＋?—＋＾（ＪＤ－ｕ〇）２＋Ｑ＝ｅｊ＋＾－＋－ｉ（￡）－ｕｊ）２?（２．３）??Ｐ〇?＾?Ｐｊ?＾??式中，Ｐ、ｐ、ｕ、ｅ、Ｄ分别为压力、密度、粒子速度、内能、爆速，角标０和ｊ??分别代表Ｃ－Ｊ面前和Ｃ－Ｊ面后，Ｑ为爆热。??通常，可根据实验或理论计算得出爆轰产物状态方程为：??ｅ＝ｅ?Ｐ，—?（２．４）??Ｉ?Ｐｊ）??由于爆轰参数有包含Ｐｊ、Ｐｉ、ｕｊ、ｅｊ、Ｄ的五个未知量，上述４各方程还不足??以给出爆轰参数的理论解。为此，Ｃｈａｐｍａｎ和Ｊｏｕｇｕｅｔ根据爆轰波的传播规律，??给出了稳定爆轰应遵守的第五个方程：??Ｄ＝Ｕｊ＋ｃ?（２．５）??式中，ｃ为爆轰产物在Ｃ－Ｊ面的声速。??根据上述２．１－２．５五个方程可以给出各个爆轰参数的理论解。但需要指出，??Ｃ－Ｊ理论是一个十分理想化的模型，只在高能凝聚态炸药的爆轰计算中具有较为??满意的结果。对于爆炸焊接中常用的低能乳化炸药，爆轰过程中存在着明显的化??学反应过程和较长的化学反应区，这与Ｃ－Ｊ理论中强间断假设相矛盾，因此很难??通过这
?第２章爆炸复合原理简介???２．２．２?ＺＮＤ?模型??为弥补?Ｃ－Ｊ?理论的不足，Ｚｅｌｄｏｖｉｃｈ【１１］、Ｖｏｎ?Ｎｅｕｍａｎ［１２］、Ｄｏｒｉｎｇ［１３】相继在?Ｃ－??Ｊ理论的基础上考虑了化学反应过程，并提出了著名的ＺＮＤ模型。如图２．２所??示，ＺＮＤ模型中波阵面由前导冲击波和化学反应区组成，而化学反应区末端则??为Ｃ－Ｊ面。初始炸药在前导冲击波作用下温度和压力急剧升高，从而诱导其进行??激烈的化学反应。随着反应进程的进行，爆轰所释放的热量不断增加，该热量一??爺分对外输出，另一部分则用于维持前导冲击波的向前传播。与此同时，由于后??端稀疏波的作用，反应区内压力逐渐衰减。当炸药的反应热全部释放时，反应过??程到达终态Ｃ－Ｊ点，此时爆轰产物所对应的压力即为Ｃ－Ｊ压力。由于ＺＮＤ模型??爆轰参数的推导过程与Ｃ－Ｊ模型类似，这里不再赘述。??Ｐｎ??稀疏＾???Ｐｏ??Ｉ??Ｉ??爆轰产物?反应区?炸药??Ｃ－Ｊ面?前导冲击波??图２．２爆轰波ＺＮＤ模型示意图??２．３炸药爆轰过程中的尺寸效应??事实上，无论是Ｃ－Ｊ模型还是ＺＮＤ模型都是基于理想爆轰情形，即假定装??药直径无限大，不受侧向膨胀和爆轰产物飞散的影响。而在实际中，炸药的装药??直径均为有限值，爆轰波在传播过程中不仅会在轴向产生稀疏波，还会受到从炸??药侧面传来的稀疏波的影响，如图２．３所示。这些侧向稀疏波不仅会削弱爆轰冲??击波的强度，还会使得处于表面的未反应炸药粒子飞散，造成爆轰能量的损失。??在这种情况下，爆轰速度不再是定值，而是与装药直径相关的函数。在２０世纪??４０年代末，ＥｒｙｉｎｇＭ首次给出了炸药爆速与装药直
【参考文献】：
期刊论文
[1]服役温度和时间对TA2/Q235爆炸复合板接头组织及硬度的影响[J]. 杨洪波,康佳,郭龙创,姚沛文. 兵器材料科学与工程. 2020(03)
[2]Ti-Cu层状复合材料静态载荷下变形与失效机制[J]. 孙伟,张炜,郭剑,贾丽芳,李晓杰. 复合材料学报. 2020(05)
[3]热处理工艺对爆炸焊接后哈氏合金C276耐蚀性能的影响[J]. 孙绍恒,杨宇军,夏金民,孙朝军,王玉龙,刘旭瑞,赵爱民,尹飞. 金属热处理. 2019(05)
[4]金属复合材料真空爆炸焊接实践与研究[J]. 牛爱红. 工程爆破. 2018(04)
[5]不锈钢-普碳钢的双面爆炸复合[J]. 缪广红,马宏昊,沈兆武,余勇. 爆炸与冲击. 2015(04)
[6]蜂窝结构炸药及其应用[J]. 缪广红,马宏昊,沈兆武,余勇. 含能材料. 2014(05)
[7]爆炸焊接界面成波机理[J]. 侯国亭,冯健,袁安富,王超. 爆破. 2013(04)
[8]低爆速爆炸焊接乳化炸药的制备与性能[J]. 黄文尧,张凯,吴红波,胡鑫,王道阳,申夏夏,余燕. 含能材料. 2013(03)
[9]双立爆炸焊接及防护装置数值模拟和试验[J]. 史长根,汪育,徐宏. 焊接学报. 2012(03)
[10]爆炸焊接界面波的数值模拟[J]. 李晓杰,莫非,闫鸿浩,王海涛. 爆炸与冲击. 2011(06)
博士论文
[1]稀贵金属材料爆炸焊接及热处理工艺研究[D]. 王小绪.南京理工大学 2014
硕士论文
[1]大型爆炸焊接场环境影响评价指标体系研究[D]. 徐文洁.西南交通大学 2013
本文编号：3562322
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