Page 119 - 《爆炸与冲击》2026年第11期
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第 46 卷 王一鸣，等： 电流互感器泄压装置在燃爆载荷下的动态响应与失效机理 第 11 期
表 2 爆破片技术参数
Table 2 Technical specifications of rupture discs
爆破压力/MPa 成型口径/mm 厚度/mm 成型压力/MPa 拱高/mm
0.2 254 0.2 0.18 8
1.2 仿真模型
为了深入揭示泄压装置在燃爆载荷下的动态力学行为，采用显式动力学分析软件 ANSYS/LS-
DYNA 建立泄压装置的有限元模型。仿真目的包括：（1）复现试验中观测到的爆破片开启形貌、裂纹扩
展顺序及膨胀器变形分布，验证模型的可靠性；（2）获取试验难以测量的瞬态应力场、应变率场及应力波
传播过程，揭示应变率硬化与结构惯性的耦合作用机理；（3）作为虚拟试验平台，为后续泄压装置的结构
优化设计提供力学依据。
在模型参数方面，爆破片与膨胀器均采用 316L 不锈钢，材料本构选用 Johnson-Cook 动态本构模型，
材料密度为 7 980 kg/m ，弹性模量为 193 GPa，泊松比为 0.3。边界条件设置如下：下法兰的端面施加固定
3
约束，约束其所有自由度；泄压装置内表面施加试验实测的压力时程曲线，以模拟燃爆载荷的瞬态冲击
作用；接触定义方面，爆破片与膨胀器之间、爆破片与法兰之间采用自动面面接触，爆破片自身定义单面
接触以模拟裂纹扩展后瓣叶的自接触行为。基于上述建模与设置，开展泄压装置在燃爆载荷下的动态
响应数值模拟。对互感器泄压装置进行简化建模，简化模型及网格模型如图 3 所示，网格单元属性设置
及网格数量见表 3。爆破片模型在十字刻槽区域进行了精细化建模。正拱形面的几何尺寸严格依据表 2
中成型口径 (254 mm)、拱高 (8 mm) 及厚度 (0.2 mm) 进行建模。沿预设十字线方向，刻槽宽度为 0.4 mm，
槽底剩余厚度为 0.08 mm。该区域采用网格加密处理，最小网格尺寸控制在 0.02 mm 量级，以保证裂纹
起始与扩展模拟的准确性。通过在刻槽区域定义失效应变阈值，模拟材料在冲击载荷下的强度失效与
单元删除行为。
为了准确分析膨胀器结构在燃爆载荷作用下的变形特征，对金属膨胀器各膨胀节进行数字编号，如
图 3(d) 所示。膨胀器各膨胀节的初始尺寸 l =9.8mm。此外，定义无量纲量 η 为膨胀器的相对变形系数，
i
0
用以衡量膨胀器在 y 方向上的变形程度，其计算公式为：
δ i
η i = (1)
l 0
δ i 为第 i 节在 y 方向的变形量。
式中：
(a) Pressure relief device model
(b) Expander mesh model (c) Bursting disc mesh model
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