拉伸型爆破片成形与试爆的数值试验研究 傅建 ，林勇 ，杨佳斌 （１．西华大学材料科学与工程学院，四川成都６１００３９；２．成航工业安全系统有限责任公司，四Ｊ 成都６１００９１） 摘要：以ＬＰＪ９．５焊接拉伸型爆破片的数值成形与试爆为例，探讨利用ＣＡＥ技术部分代替物理成 形和试爆试验的可行性。结果表明：数值试验获得的ＬＰＪ９．５爆破片拱高小于物理试验，而拱顶减 薄率大于物理试验；随排放口径的增加，数值试验和物理试验的临界起爆压力均呈下降趋势，但前 者的临界起爆压力值高于后者；对于ＩＪＰｊ９．５产品的成形与试爆而言，完全可以用数值试验部分代 替物理试验。 关键词：拉伸型爆破片；成形；试爆；数值模拟 中图分类号：ＴＱ０５０．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—４８３７（２０１０）０４—０００５—０４ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４８３７．２０１０．０４．００２ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｆｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ Ｂｕｒｓｔｉｎｇ ｏｆ Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｒｕｐｔｕｒｅ Ｄｉｓｃ ＦＵ Ｊｉａｎ ，ＬＩＮ Ｙｏｎｇ。，ＹＡＮＧ Ｊｉａ—ｂｉｎｇ。 （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３９，Ｃｈｉｎａ；２．ＣＨＥＮＧ Ａｖｉａｔｉｏｎ Ｓａｆｏｔｙ Ｓｙｓｔｅｍ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００９１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅ ｐａｒｔｉａｌｌｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｒｕｐｔｕｒｅ ｄｉｓｃ，ｊｏｉｎｔｉｎｇ＆ ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ ｔｙｐｅ ｄｉｓｃ ＬＰＪ９．５，ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｆｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ ｂｕｒｓｔｉｎｇ ｉｎ ｐｈｙｓｉｃｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗａｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｈｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｕｐｔｕｒｅ ｄｉｓｃ ａｒｃｈ—ｒｉｓｅ ｆｒｏｍ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｉｓ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈａｎ ｒｆｏｍ ｐｈｙｓｉｃｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｕｌｔ ｔｈｉｎｎｉｎｇ——ｒａｔｉｏ ｆｒｏｍ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ｆｒｏｍ ｐｈｙｓｉｃｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ；ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ—ｏｕｔｌｅｔ ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｂｕｒｓｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ ｉｎ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｈｙｓｉｃｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｐｒｅｓｅｎｔ ａ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｅｎｄｅｎｃｙ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｂｕｒｓｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ｉｓ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｔｔｅｒ；ａｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ＬＰＪ９．５ ｐｒｏｄｕｃｔｓ’ｆｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ ｂｕｒｓｔｉｎｇ，ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍａｙ ｒｅｐｌａｃｅ ｐａｒｔｉａｌｌｙ ｐｈｙｓｉｃｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｅｎｓｉｌｅ ｒｕｐｔｕｒｅ ｄｉｓｃ；ｆｏｒｍｉｎｇ；ｂｕｒｓｔｉｎｇ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 有一定拱高的球冠壳产品的过程。爆破片成形的 １ 引言 主要目的是：（１）通过成形起拱发现坯片材料内 部或表面缺陷（例如气泡、微裂纹等）；（２）利用一 爆破片是保证压力容器安全使用的重要超压 定程度的塑性变形，提高爆破片的抗疲劳性和稳 泄放元件之一。爆破片成形是指通过施加液压或 定性 ］。影响坯片胀形质量的主要因素有材料 气压力使爆破片坯片以胀形方式变形从而获得具 属性、成形力大小、成形力加载速度、上工装进料 ・５・ 拉伸型爆破片成形与试爆的数值试验研究 口圆角半径、上下工装压料间隙、压料力、界面摩 擦系数等。图１示出拉伸型爆破片成形原理（图 中，Ｆ为压料力，Ｐ为成形液压或气压力）。爆破 片试爆主要是检验在现场工况条件下，爆破片能 否按照设计要求的压力值可靠爆破泄压。爆破片 在试爆破裂前有一个稳态或非稳态的胀形过程， 因此，也可以将试爆看成是破坏性的坯片胀形。 影响拉伸型爆破片试爆破裂的主要因素是上夹持 器的排放口径和排放口圆角半径以及试爆温度 等。拉伸型爆破片试爆试验装置见图２。 图１爆破片成形原理 图２爆破片试爆装置 目前，国内的爆破片生产仍以迭代试验（试 错）法为主，即首先模仿现场工况对已成形爆破 片进行物理试爆试验，然后根据试验数据调整成 形工艺参数，再进行新一轮的物理成形与试爆试 验，如此反复，直至获得满足设计爆破压力要求的 合格产品。利用这种迭代试验法生产的爆破片不 仅质量上得不到可靠保障，成本也较高，并且因生 产周期长而成为阻碍爆破片产品推向市场的 瓶颈。 对此，文中以ＬＰＪ９．５焊接拉伸型爆破片的数 ．６． 值成形与数值试爆试验为例，通过对成形压力与 爆破片拱高和拱顶厚、爆破压力与排放口径等试 验数据的分析比较，探讨利用ＣＡＥ技术部分代替 拉伸型爆破片物理成形和试爆试验的可行性。 ２试验条件 ２．１试验平台 爆破片成形与试爆数值模拟的试验平台为 Ｅｔａ／Ｄｙｎａｆｏｒｍ。图３示出坯片和成形工装的有限 元模型，因结构对称，故取１／２进行分析计算。焊 接拉伸型爆破片的试爆与成形通常采用同一夹持 装置，因此在试验中直接将成形用上、下工装作为 试爆夹持器。图４示出用于测量ＬＰＪ９．５爆破片 成形后拱高和拱顶厚的物理装置。 图３坯片和成形工装的有限元模型 百分表ＬＰＪ９．５组件 表座 图４测量拱高和拱顶厚的装置 ２．２试验参数 （１）成形 坯片材料ＳＳ３０４，厚０．２５ ｍｍ；油压成形（起 拱）；上工装口径０１１ ｍｍ，圆角半径肋．５ ｍｍ；压 料力２００ ｋＮ，成形压力分别取设计爆破压力（５５ ＭＰａ）的４０％，５０％，７０％和８０％；其中，数值试验 加载速度由图５第１段曲线决定（横坐标表示时 间，纵坐标表示加载压力）。 （２）试爆 第２７卷第４期 压 力 容 器 总第２０９期 图５ ＬＰＪ９．５爆破片成形与试爆加载曲线举例 试爆产品的材料同成形试验，起拱压力为设 计爆破压力的７０％，排放口径（也就是成形时的 上工装口径）分别取原始口径 １１ ｍｍ的０．７， １．０，１．２，１．５倍，圆角半径Ｒ０．５ ｍｍ。室温油压， 其中数值试验的加载轨迹见图５中第２段曲线。 ２．３数值试验过程简介 在ＣＡＤ系统中建立坯片和上、下工装的几何 面模型一利用ＳＴＥＰ，ＩＧＥＳ或其他文件格式将上 述模型导入Ｄｙｎａｆｏｒｍ一划分网格一分别为坯 片和工装定义材料属性，其中工装被定义成刚性 体一设置液压力（均布载荷）作用区（排放口在 坯片上投影线所封闭的区域）和施压方向（同坯 片单元法矢相反）一建立上下工装闭合和液压力 加载顺序及加载曲线一将处理好的有限元模型 及其边界条件等数据提交给Ｄｙｎａｆｏｒｍ的Ｌｓ— ＤＹＮＡ求解器求解。 数值试验中的坯片采用Ｂｅｌｙｔｓｃｈｋｏ—Ｔｓａｙ （ＢＴ）壳单元离散，坯片与工装之间的界面接触为 ＦＯＲＭＩＮＧ—ＯＮＥ—ＷＡＹ—Ｓ—Ｓ（单向面一面接 触）。为解决因坯片大变形导致网格严重畸变而 带来的计算精度下降问题，提交给ＬＳ—ＤＹＮＡ求 解前需激活自适应网格选项。 ３试验结果分析 ３．１爆破片成形 爆破片成形的数值试验和对应的物理试验结 果见表１。 由表１可知，随着加载压力的增加，球冠面高 度（拱高）逐渐增加，顶部壳壁逐渐减薄。由于爆 破片成形以胀形为主，且液压胀形力分布均匀，所 以２组试验获得的制品均未出现破裂、起皱和未 表１ 成形压力、拱高和拱顶厚试验数据 加载压力（ＭＰａ） ２２．０ ２７．５ ３８．５ ４４．０ 数 球冠高（ｍｍ） １．４５３ １．７１４ ２．３８６ ２．５２５ 值 球冠壳顶部厚度 ０．２２７ ０．２２０ ０．１９９ ０．１９３ 试 （ｍｍ） 验 制件最大减薄率 ９．０６ １２．１２ ２０．５１ ２２．９２ （％） 物 球冠高（ｍｍ） １．６５０ １．８７０ ２．５４０ ２．６５０ 理 球冠壳顶部厚度 ０．２３１ ０．２２４ ０．２０７ ０．１９８ 试 （ｍｍ） 验 制件最大减薄率 （％） ７．６０ １０．４０ １７．２０ ２０．８０ 充分塑性变形等缺陷，成形结束后的球冠壳厚度 均沿球面由底向顶逐渐减薄，表明２组试验获得 的制品成形质量良好。不过物理试验得到的拱高 和拱顶厚均大于数值试验，而制件最大减薄率 （集中分布在拱顶区）却小于数值试验。分析发 现：用于物理试验的爆破片坯片事先通过焊接方 式固定在上下夹持器（即上下成形工装）之间，而 焊装仅约束了坯片的外边缘；并且在实际成形时， 上下夹持器仅通过螺纹件的紧固给压料面施加压 紧力（见图６），而压紧力大小由经验确定．力Ⅱ之内 外螺纹配合误差，于是导致压料面上的坯片材料 也参与流动变形，即坯片的胀形和拉深同时存在； 因坯片胀形可能减薄的制件壁得到了压料面材料 的部分补充，所以造成物理试验的坯片能够在同 等压力下产生更大的塑性变形。反观数值试验， 压料力大且恒定，压料面积也较大，致使压料面上 的坯片材料难以参与流动变形，即此时爆破片接 近纯胀形方式成形，制件减薄的壁厚得不到压料 面材料的补充，形变硬化增加，后续屈服困难，最 终导致２组试验在拱高、拱顶厚和最大减薄率上 的差异。 支座 压紧螺母 图６施加压料力的紧固件 拉伸型爆破片成形与试爆的数值试验研究 ３．２爆破片试爆 表２列出不同排放口径的ＬＰＪ９．５产品在２ 组试爆试验中破裂的最小压力值。 表２排放口径与破裂压力数据 排放口径（ｍｍ） ８．８ １１．０ １３．２ １６．５ 数值试验／破裂压力（ＭＰａ） ７３ ５７ ５１ ４１ 物理试验／破裂压力（ＭＰａ） ６８ ５５ ４９ ４１ 相对误差（％） ７．３５ ３．６４ ２．０４ ０ 表２中数据说明，在其他条件不变的前提下， 随着排放口直径尺寸的增大，２组试验的起爆（爆 （ａ）数值试验 破片破裂）压力值均呈下降趋势，且数值试验的 起爆压力值高于物理试验（０１６．５ ｍｍ例外）。这 可能与ＬＰＪ９．５产品的装配方式（坯片和夹持器采 用焊接装配）、潜在的焊接应力、夹持器排放口和 排放口圆角的加工误差，以及坯片材料的真实属 性等因素有关。２组试验的起爆压力误差范围０ ～７．３５％，且随排放口径的增加，误差值有减小趋 势，其具体原因有待进一步探讨。２组试验展示 （ｂ）物理试验 的起爆压力随排放口径增大而降低的现象与传统 图７爆破片的起爆部位 计算公式一致 。 表３ ０１６．５ ｍｍ产品起爆前一时刻的 此外，爆破片在２组试验中的起爆部位完全 应变与减薄率数据 相同，即２组产品的试爆破裂均产生在拱顶区 项目 拱顶区 拱底区 相对差（％） （见图７）。这是因为拱顶区的塑性应变最大，制 等效塑性应变 ０．５２０ Ｏ．１３１ ７４．８１ 件减薄最剧烈（如表３所示，由数值试验检测的 最大减薄率（％） ３８．３６ ９．５４ ７５．１３ 数据；其中，拱底区是指排放口圆角区），其承载 （３）爆破片成形以胀形为主，如果法兰面夹 能力在一定程度上被削弱，所以一旦试爆压力到 持力（压料力）不够，则有拉深成分参与成形。 达临界值，首先破裂的是爆破片拱顶区。 参考文献 ４结语 ［１］ 葛晓陵，邱清宇，吴泽炜．拱形有色金属爆破片疲 （１）对于ＬＰＪ９．５产品的成形与试爆，利用 劳寿命的探讨［Ｊ］．压力容器，１９９１，８（５）：２４—２７． ＣＡＥ技术部分代替物理成形和试爆试验是可行 ［２］吴泽炜，邱清宇，杨秀霞，等．爆破膜的爆破压力计 的，但是２组试验差异产生的原因及其规律需要 算［Ｊ］．化工设备设计，１９８０，（４）：１—９． 进一步研究与探讨。 （２）文中数值试验得到的ＬＰＪ９．５爆破片拱 收稿日期：２００９—１２—２８修稿日期：２０１０—０１—２０ 作者简介：傅建（１９５５一），男，教授，主要研究方向为材料 高小于物理试验，而拱顶减薄率大于物理试验；随 成形技术及模具ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ、工程数据库应用开发， 着排放口径的增加，２组试验的临界起爆压力均 通讯地址：６１００３９四川省成都市金牛区金周路９９９号西 有不同程度降低，且数值试验的临界起爆压力值 华大学材料科学与工程学院，Ｅ—ｍａｉｌ：ｆｕｊｉａｎ＠ｍａｉｌ．ｘｈｕ． 高于物理试验。 ｅｄｕ．ｃｎ０
