互锁式双立爆炸焊接防护装置
阅读：383发布：2020-05-14
专利汇可以提供互锁式双立爆炸焊接防护装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 是双立式爆炸 焊接 永久性防护装置。双立式 爆炸焊接 装置，节约了2/3装药量，大大降低了加工成本；削减了大部分冲击波对周围环境的不利影响，圆满解决了爆炸焊接爆炸场地问题；并易于形成标准的工艺流程。通过防护装置的总体设计和计算机模拟，得到了双立爆炸装置的防护结构和尺寸。此防护装置不仅可保证两 块 复合板焊接后不会产生大的 变形 ，而且可重复多次使用。，下面是互锁式双立爆炸焊接防护装置专利的具体信息内容。
互锁式双立爆炸焊接防护装置
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种互锁式双立爆炸焊接防护装置，在双立爆炸焊接过程中，该防护装置不仅可使两复合板瞬时趋于静止和可控状态，从而不会产生大的变形破坏，而且进一步削减了爆炸冲击波对周围环境的影响，属于爆炸焊接和金属材料综合技术领域。
背景技术
[0003] 如附图2所示，炸药4由雷管引爆后爆轰产生的冲击波使左右两侧竖立的两块复板(3和5)均发生弯曲和塑性变形并分别与两侧同样平行竖立的两块基板(1和7)产生碰撞并焊接，焊接后的两块复合板不是向下运动与地基发生碰撞，而是向两侧运动。
[0004] 与先行平行爆炸焊接方法相比，双立爆炸焊接方法有以下三个重要优势：
[0005] (1)节能减排、降低成本(可节省2/3装药量)、提高效率。
[0006] 双立式爆炸焊接方法变平行法的开放式爆炸焊接结构为封闭式焊接结构，炸药能量得到充分利用，同样的装药量，平行法焊接成功一块复合板，而双立法则成功焊接两块同样大小的复合板。此外在双立爆炸方法中，由于爆轰波是在两复板刚性壁之间传播和作用，其爆轰荷载的叠加效应使得其比现行平行爆炸方法又节省了一部分装药量，多次的实验也证明：双立式爆炸焊接方法可至少节约2/3的装药量。这样大大减少了炸药能源的消耗和气体的排放，不仅节能环保，而且大大降低了加工成本，提高了爆炸焊接的作业效率。
[0007] (2)削减爆炸焊接冲击波、提高了爆炸焊接可行性生产。
[0008] 在双立爆炸焊接方法中，焊接后的两块复合板不是向下运动与地基发生碰撞，而是向两侧运动。如果在两侧设计永久性的防护结构(如图3所示)，则两侧复合板以及防护结构等大大削减了爆炸焊接冲击波对周围环境的破坏作用，基本解决了爆炸焊接环境保护问题，大大提高了爆炸焊接可行性生产问题。此外，药量的减少也减少了对周围环境的消极影响。
[0009] (3)参数易于控制，易形成标准化机械化生产模式，产品质量易于控制。
[0010] 双立爆炸后的复合板是向两侧运动，而两侧的防护结构是事先通过理论模拟计算和多次试验形成的固定装置，因此使得焊接成功的复合板不会产生较大的塑性变形和裂纹等缺陷，不仅减少了复合板材的后续加工，而且也提高了爆炸复合板的焊接质量。
[0011] 在双立爆炸方法中，其基复板间隙、两复板之间的距离(即装药厚度)等安装参数事先均在生产车间中安装完毕，保证了装药参数和安装参数的稳定性，也不仅有利于提高爆炸焊接质量，而且变现行爆炸焊接方法的手工作业模式为机械作业模式。
[0012] 此外现行平行爆炸法由于是完全裸露装药，而且是现场作业，因此如遇阴雨天气，则爆炸焊接生产将不能进行。而双立爆炸法，其装药几乎是全封闭的，而且大部分作业过程均在生产车间中完成，因此即使遇到阴雨天气，仍然可进行作业。所以双立爆炸法便于形成一整套工艺流程，形成规范的作业模式，易于形成标准的工艺流程。
[0013] 虽然双立爆炸方法具有明显的优越性，申请人也已解决了双立爆炸焊接的装药参数和安装工艺问题，但此方法要取代现有的方法进入工业化和规模化应用，还有一个关键问题——复合板两侧的防护问题需须要解决。
[0014] 由于爆炸焊接后复合板尚具有相当大的飞行速度，如对两侧的防护结构不进行精确的计算模拟设计，则不仅将破坏已经成功复合的复合板，而且很可能使爆炸焊接生产具有很大的危险性和不确定性。因此通过研究双立式爆炸焊接方法焊后复合板的运动规律、研究复合板与防护结构之间的作用机理和变形规律，从而最终设计一种可多次使用的两侧永久防护结构。
发明内容
[0015] 本发明的目的旨在通过理论计算、数值模拟和现场试验，优化设计一种可重复使用互锁式双立爆炸焊接防护装置，从而使双立爆炸焊接方法进入工业化生产，最终使其实现节省2/3炸药并进一步削减冲击波对周围环境不利影响的目的。
[0016] 本发明的技术解决方案：
[0017] 1、互锁防护装置总体方案设计
[0018] 在双立爆炸焊接装置中，由于复合板焊接后向外侧仍具有相当大的运动速度，因此在两对基板的外侧必须设置两块防护板，以阻止复合板的飞行运动。
[0019] 在复合板与防护板撞击的过程中，为了保证二者均不会产生大的变形和破坏，防护板在材料选择和厚度设计方面要保证其必须具有足够的刚度和强度。
[0020] 同时防护板要在撞击后立即使复合板保持静止状态，则防护板必须在受到复合板撞击后仍处于固定状态，本发明在两块防护板的外围上下两个位置分别设计两块方形箍环，两箍环与两防护板通过电焊连接或螺钉连接。一旦复合板自上而下与防护板撞击时，两防护板自上而下有向外运动的趋势，其载荷分别作用在箍环与防护板连接的两条边上，由于两边的载荷是对称的，则箍环起到锁紧两块防护板的作用，这样两块防护板连同与其连接的上下两块箍环都保持固定和静止状态，从而阻止了两复合板的飞行运动。由于最终载荷是作用在两箍环上，箍环的材料选择和截面设计必须保证其有足够的强度克服复合板的飞行能量。
[0021] 2、互锁防护装置计算机模拟
[0022] 2.1模型建立
[0023] 利用ANSYS/LS-DYNA软件进行有限元分析的第1步就是建立实体模型。现采用实体建模法建立炸药、覆板、基板、防护板和箍环的三维立体模型。从排气角度考虑，覆板越厚以及面积越大，炸药的爆速就应当越低，并需要采用中轴对称起爆法。由于炸药、覆板、基板、防护板和箍环的模型为轴对称，因此为简化计算，仅对其1/2进行建模分析。在进行有限元分析时，ANSYS软件应对分析的对象尽可能地简化，以期减少计算机时，节省计算机资源，故在不影响计算结果的情况下，将炸药、覆板、基板、防护板和箍环进行简化，故实体模型可简化成4部分长方体结构。如图1所示，第1部分为炸药(硝酸铵乳化炸药)，第2部分为覆板(304不锈钢)，第3部分为基板和防护板(Q235B钢)，第4部分为箍环(Q235B钢)。
[0024] 2.2单元划分
[0025] 炸药、覆板、基板、防护板和箍环均采用8节点solid164实体单元。在有限元模型中，将炸药和空气定义成流体，采用8节点的Euler单元描述，覆板、基板、防护板和箍环采用8结点的Lagrang单元描述。模型的总结点数量为500000，总单元数量为400000。
[0026] 爆炸焊接，一个重要的问题就是要处理好流体与固体之间的相互作用。ALE网格既保持了Euler网格的特点又保持Lagrang网格的特点。ALE算法先执行一个或几个Lagrang时步计算，此时单元网格随材料流动而产生变形，然后执行ALE时步计算：首先保持变形后的物体边界条件，对内部单元进行重新划分网格，网格的拓扑关系不变；然后将变形中的单元变量(密度、能量、应力张量等)和节点速度矢量输运到重分后的新网格中。用该方法可以将流体网格与固体网格方便地耦合，以处理结构在各种复杂载荷条件下的相互作用问题。
[0027] 2.3材料模型
[0028] (1)炸药
[0029] 炸药爆轰过程是一个十分复杂的化学物理过程。应用LS-DYNA程序中HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型模拟高级炸药的爆轰，爆轰产的等熵膨胀过程用JWL状态方程进行描述，其压力P为
[0030]
[0031] 式中，P为爆轰压力；V为炸药的相对体积，V＝v/v0；E为单位体积材料的初始内能；A、B、R1、R2、为无量纲参数。利用炸药爆轰γ方程拟合得出：JWL状态方程是用来描述爆炸产物的经验物态方程，适用于各种凝聚态炸药。硝铵乳化炸药参数：炸药密度ρ＝750kg.m-3，爆炸速度C＝3000m.s-1，A＝20.275×1010，B＝4.39×109，R1＝5.3，R2＝1.2，E＝2.5331×107。
[0032] (2)空气
[0033] 空气爆轰压力采用空材料(Null)模型和线性多项式(Linear_Polinominal)状态方程描述。在EOS_LINEAR_POLYNOMIAL中，关键字用来定义线性多项式状态方程的系数，通过定义E0和V0，可对材料的初始热动力状态进行初始化。
[0034] 线性多项式状态方程表示单位初始体积内能的线性关系，压力值由下式给定[0035] P＝C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E (2)
[0036] 式中，C0，…，C6为常数，如果式中μ＜0，则C2μ2和C6μ2两项为零。其中[0037]
[0038] 式中，V为相对体积；γ为单位热值率。则压力由下式确定
[0039]
[0040] 标准大气压下，空气密度为1.2929kg.m-3。
[0041] (3)复板
[0042] Johnson-Cook模型可较好地反映出材料爆炸焊接高应变率条件下力学性能的变化，即屈服应力是塑性应变、应变率及温度的函数。在爆炸焊接中，金属的变形速率可达6 7 -1
10 ～10s ，并且产生瞬时高压、高温，一般材料模型很难反映材料在如此高应变率下的力学性能。Johnson-Cook模型方程为
10 ～10s ，并且产生瞬时高压、高温，一般材料模型很难反映材料在如此高应变率下的力学性能。Johnson-Cook模型方程为
[0043]
[0044] 式中， εp为实际塑性应变；为实际应变率；为参考应变率；T为温度；Tm为材料熔点；Tr为室温；A、B、n、C、m为材料常熟。
[0046]
[0047] 其中，取S1＝1.33，S2＝0.00，S2＝1.5，γ0＝2.15，C＝4500，aa＝0.46。
[0048] (4)基板、防护板和箍环
[0049] 基板、防护板和箍环采用随动强化模型(PLASTIC-KINEMATIC)。材料的动态力学性能均采用带应变率影响的Cowper-Symonds方式来描述，流动应力σy通过下面的公式来计算
[0050]
[0051] 本文基板、防护板和箍环采用的是Q235B，其密度ρ＝782kg.m-3，弹性模量E＝210GPa，σ0、Ep分别为235Mpa和2.0Gpa，CC、PP分别取0.0001和20；β＝1.0。
[0052] 3、模拟计算结果
[0053] 根据模拟计算和试验结果，最终确定防护板的材料为普通钢材，其防护板的厚度大于50mm，其高度要比复板高10mm。
[0054] 最终确定箍环的材料为普通钢材，其截面大于50mm×50mm，两箍环之间的距离为200mm。
附图说明
[0055] 附图1是双立式爆炸焊接装置示意图。
[0056] 图中的1是炸药、2是A复板、3是B复板、4是A间隙、5是B间隙、6是A基板、7是B基板、8是A防护板、9是B防护板、10是基础。
[0057] 附图2是互锁式双立爆炸焊接防护装置示意图。
[0058] 图中的11是A防护板、12是B防护板、13是上箍环、14是下箍环。
具体实施方式
[0059] 实施例1
[0060] 对照附图1，爆炸两对不锈钢-钢复合板，其规格1500×2000×(6+20)，装炸药38公斤，爆炸焊接后，两复合板在互锁式防护装置中，复合率100％，防护装置未变形和损坏，仍可重复使用。
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