Page 184 - 《爆炸与冲击》2026年第11期

第 46 卷 李 展，等： 甲烷-空气爆燃驱动的爆炸荷载模拟装置研发Ⅰ：几何形式与结构设计 第 11 期

0.14 L 1 =2 m 0.5 L 1 =2 m

Overpressure peak discrepancy/% 0.10 L 1 =5 m Arriving time discrepancy/ms 0.3 L 1 =5 m
0.12
L 1 =3 m
L 1 =3 m
0.4
L 1 =4 m
L 1 =4 m
0.08
0.2
0.06
0.04
0.1
0.02
0 0
2 3 4 5 6 2 3 4 5 6
L 2/m L 2/m
(a) Overpressure peak discrepancy (b) Arriving time discrepancy
图 12 整形段长度 L 2 对加载面上荷载分布均匀性的影响
Fig. 12 Effect of L 2 on the overpressure load distribution

3 扩大段和整形段的结构设计及荷载平面性的验证

在爆炸荷载模拟装置使用过程中，其结构本身与待测试件一样承受爆炸荷载，须具备足够的抗爆性
能以满足重复使用的要求。任辉启等 [20] 以爆炸力学、气体动力学、相似理论、等效静载法等为基础，实
现了爆炸波模拟装置的结构设计，并提出了工程实用设计计算方法。值得注意的是，随着数值模拟技术
的发展，爆炸荷载模拟装置（多采用钢结构）抗爆的优化设计可通过数值计算实现。本节采用 ANSYS/
LY-DYNA 有限元软件，建立扩大段与整形段的结构抗爆数值模型，数值计算确定爆炸荷载模拟装置的
壁厚以及环向加劲肋的间距、高度等关键设计参数。
3.1 扩大段与整形段结构抗爆的数值计算模型
参考大型爆炸荷载模拟装置的工程实践经验，将扩大段与整形段壁厚设定为 30 mm，环向加劲肋的

间距和厚度分别设定为 150 和 30 mm，材料选用
Q355B 级钢。综合考虑计算效率与安全要求，在
加载段结构抗爆数值模型中采用壳单元（shell）
进行离散。在网格尺寸分析基础上，数值模拟中
采用 50 mm 网格，整体模型共包含 25 641 个单
元，如图 13 所示。将爆炸荷载模拟装置加载段
入口处节点设为固定约束，管壁与加劲肋之间通
过共节点方式连接。爆炸荷载简化为三角形荷
载形式，升压和降压时间均为 20 ms，通过调整峰 图 13 爆炸荷载模拟装置抗爆的数值模型
值实现不同荷载水平的变化。使用关键字*Load_ Fig. 13 Numerical model for explosion resistance
Segment_Set 将荷载施加于装置内壁。 of blast wave simulator
3.2 加劲肋高度的确定
为满足重复使用的要求，考虑 2 种加劲肋高度（100 和 150 mm），调节爆炸荷载共计算了 16 种工况，
主要结果如表 5 所示。结果表明，在相同荷载作用下，将加劲肋高度增大至 150 mm 可使结构最大应力
降 低 40% 以 上 。 考 虑 未 来 的 试 验 需 求 ， 确 定 加 劲 肋 高 度 为 150 mm， 壁 厚 为 30 mm， 加 劲 肋 间 距 为
150 mm。该设计方案可在峰值 0.4 MPa 的爆炸荷载作用下，将结构最大应力控制在材料屈服强度的
30% 以下，满足重复使用的要求。

115401-10