基于相似理论的舰船结构模型爆炸试验.pdf

第2 9 卷第2 期 2 ．0 1 2 年6 月 爆破 B L A S T I N G V o I ．2 9N o ．2 J u n ．2 0 1 2 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 2 ．0 2 ．0 2 4 基于相似理论的舰船结构模型爆炸试验 孙大鹏，程素秋，王雪松 海军9 1 4 3 9 部队，大连1 1 6 0 4 1 摘要舰船抗爆炸冲击性能是船体设计的重要依裾，由于试验难度大、周期长，涉及到巨额经费开支，在 我国对每型首舰进行实船抗爆炸冲击试验考核是不现实的。利用相似理论分析船体结构对水下爆炸冲击的 响应，是较为现实和有效的手段。介绍了水下爆炸试验中的相似理论。详细讨论了相似理论在船体抗水下爆 炸冲击模型试验中的应用方法及局限性．并应用已有的试验结果加以验证。 关键词舰船结构模型；水下爆炸；舰船抗冲击；量纲分析 中图分类号0 3 8 2 ．4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 2 0 2 0 0 9 1 0 4 A p p l i c a b i l i t yo fS c a l i n gL a w si nS h i pS t r u c t u r eM o d e lE x p l o s i o nT e s t s S U ND a - p e n g ，C H E N GS u - q i u ，W A N GX u e - s o n g 9 1 4 3 9U n i t ，P e o p l e ’6L i b e r a t i o nA r r a yo fC h i n a ，D a l i a n1 1 6 0 4 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h ea n t i e x p l o s i o na b i l i t yo fs h i p b u i l d i n gi smi m p o r t a n tg i s ti ns h i p b u i l d i n gp r o j e c t ．I ti su n p r a c t i c a l t on l a k eu n d e r w a t e re x p l o s i o n 证a l sf o rt h er e a ls h i p b u i l d i n gf o rt h eh u g eC O S ta n de n v i r o n m e n t a lc o n s t r a i n t s ．T h e s c a l i n gl a w si nt h eu n d e r w a t e re x p l o s i o nt o s t sw a gb r i e f l yi n t l - o d ㈣．M a i n l yd i s c u s s e st h ea p p l i c a b i l i t yo fs c a l i n g l a w st Ou n d e r w a t e re x p l o s i o n sa n dl i m i t a t i o n so fc l a s s i c a ls c a l i n gr e l a t i o n s h i p sA n dv a l i d a t e st h ea p p l i c a b i l i t ya n d l i m i t a t i o n so fc l a s s i c a ls c a l i n gr e l a f i o e s h i l Ⅺw i t ho l dt e s tr e s u l t s ． K e yw o r d s s h i p t m e t o r em o d e l ；u n d e r w a t e re x p l o s i o n ；s h i p b u i l d i n gs h o c kr e s i s t a n c e ；d i m e n s i o na n a l y s i s 舰船抗爆炸冲击性能是船体设计的重要依据， 由于实施试验难度大、周期长，需要巨额经费以及受 到环保约束等原因，不可能像西方国家那样对每型 首舰都进行实船爆炸试验来考核其性能，往往采用 模型试验等有效手段，利用相似理论研究船体结构 对水下爆炸冲击的响应。相似理论有其适用范围， 对不同的问题要应用不同的相似律。如几何相似律 不适用于高应变率敏感材料的结构冲击响应问题， 但对低冲击级别的线弹性结构响应、应变率不敏感 的结构响应可部分适用- ．“J 。 收稿日期2 0 1 1 1 2 0 6 作者简介孙大鹏 1 9 6 2 一 ．男，辽宁风城人．海军9 1 4 3 9 部队高级 工程师、本科，主要从事水中兵器试验测量， E - m a i l s u n d a p e n 9 0 1 0 3 y a h o o ．c m ．e l l 。 1 水下爆炸相似理论 炸药在水下爆轰时，固体炸药会变成高温高压 的气体产物。这种气体产物在周围的水中形成冲击 波并迅速向外传播，对大多数炸药来说，在几倍装药 半径处就能形成球面波。初始冲击波以几倍声速传 播，随着压力迅速衰减，其传播速度很快下降并接近 声速。 当冲击波的传播速度接近声速时，它的物理特 性可用相似方程来预测。冲击波物理参数诸如峰值 压力、脉冲宽度、冲击波能量和压力脉冲持续时间 等，用距离相似因子很容易确定。除冲击波外，紧随 之后产生的气泡脉动是周期性的，并逐渐减弱，其压 力脉冲在初始的压力脉冲之后也会产生多次，这将 视爆源与目标的距离而定。 在研究结构对水下爆炸的响应特性时，通常方 万方数据 爆破 2 0 1 2 年6 月 法是讨论冲击因子的特性。冲击因子是描述冲击严 酷程度最常用的参数。它是炸药重量和爆距的函 数。通常用壳板冲击因子 H S F 或龙骨冲击因子 K S F 来表示。相似冲击因子的定义就是相似结构 产生相似损伤时的冲击因子。但由于高能炸药在水 中爆轰时产生的是球形冲击波，此时需要考虑炸药 和结构的几何位置，这一空间关系是决定结构的最 终响应和总损伤的影响因素。 我们可以用量纲分析推导出水下爆炸的相似 律‘5 引。 假定水下冲击波的压力P 及时间衰减常数p ，它 们受炸药装药和水介质特性的影响，即装药密度P 、 装药半径r 、炸药爆热Q 、爆心距R 、未经扰动水介质 的压力P 。、密度风及水的状态方程指数孔的影响。 苁P ，P ，r ，R ，P o ，P o ，n D 1 首先选取P o 、p 0 、r 作为基本量， 根据订定理，可得“盖，p P 。，孚，凡 0 。 如果炸药和水介质确定，则p ，P 。，P 。，，l 均为常 数，于是有 P 爿旦，旦1 2 同理，可推出时间衰减常数p 的函数表达式，其中 p 可用基本量p 0 、p a 、r 表示为0 r p ；1 W ，因此有 p 卅旦，旦1 3 对冲击试验，往往使用装药重量埘来代替装药 半径r ，则有 p 警 加“ 1 q 警 4 通过以上讨论可知，对给定炸药重量埘和炸药 距离R ，峰值压力、和时间衰减常数等参数。运用相 似律方程很容易测定。美国库尔等人在大量的水下 爆炸试验基础上，提出在使用以上这些公式时。可以 用幂函数的形式展开，并经过多次试验结果来确定 幂函数的指数和公式的系数舯j 。 2 相似理论在结构响应上的应用 2 ．1 结构相似理论 如果模型和实船所用的材料相同，并且满足几 何相似，则 1 二者工程应变和应力是一样的。 2 作用于二者的表面压力是一样的，而作用 在表面的任何压力大小是相等的。 3 在结构中传播的拉伸波或压缩波是一样的。 4 结构速度是一样的，因为速度是距离与时 间的比率，二者都是用A 来缩比。 结构变形可由应力和应变的关系表征，当外力 加载小于屈服强度时，应力应变呈线性关系。如 图l 中的l ，点即为屈服强度点，斜率为材料的弹性 模量E 。当外力加载超过y 点，材料即发生永久变 形，此时结构变形不再可逆，也称为塑性变形。 同时，这2 种变形下的材料本构方程是不同的，要 区别对待。尤其在弹塑性变形时，更为复杂。对多轴 应力状态，B a u s c h i n g e r 效应会使屈服强度减小 如图2 所示 ，这样对弹性变形区的测定更加困难。 应 力 ／、。 Z 1 仃。 ’Z y ／ 一 。 应变 图1 材料本构关系 F i g ．1 T h er e l a t i o nd s t | e s sa n ds t r a i no fm a t e r i a l 咝 力 叮⋯刃 ．～ ／‰ 畦 ∥ 图2B a u s c h i n g e r 效应 F i g ．2B a u s c h i n g e re f f e c t 对于材料的弹性变形，又可分为弹性小变形和 弹性大变形2 种情况。弹性小变形时应力是应变的 唯一函数，这种变形是可逆的。如果假定所有冲击 波加载和结构响应都垂直于结构壳体面；结构上应 力没有超过弹性极限的；最大屈服应力发生在壳体 的外表面；材料的应变率和重力场效应可忽略。此 时相似律完全适用。 而结构发生弹性大变形时，其材料的本构方程 已经改变了，当结构的内应力不能忽略时，外力加载 变形和应力加载都是非线性的。因此在弹性大变形 情况下，只有忽略重力效应、粘性效应和应变率效应 以及在介质中的能量损失，才可以利用相似理论来 研究结构响应。国外学者B a k e r 早在二十世纪六十 万方数据 第2 9 卷第2 期孙大鹏，程素秋，王雪松基于相似理论的舰船结构模型爆炸试验 年代就已做过相关研究”J 。 另外，结构发生弹塑性变形时，应力随应变增长 的关系和随应变减小的关系是不同的，此时材料的 本构方程不是唯一的，变形不是可逆的。国外有资 料表明，当应变单调递增时，对冲击加载响应的几何 相似是有效的。然而，当应变开始减小时，原来的本 构方程不再有效，虽然材料并没有改变。对弹塑性 变形，原来弹性状态的本构方程要重新建立，建立在 新本构方程下的几何相似律也要经过验证。对于原 始的实船结构材料，由于其最大应变和物理特性系 数是经过验证的，因此在理论上，遭受水下冲击的弹 塑性结构响应是几何相似，但是这一结论要经过试 验的检验。 2 ．2 相似理论在舰船抗冲击试验中的局限性 模型试验和舰船抗冲击试验应用相似理论的最 大矛盾是对模型和实船用理想介质。因为模型和实 船大小不一样，几何相似条件满足了，但对塑性变形 的结构响应相似条件无法满足。正是由于这种理想 相似在舰船抗爆炸冲击试验中永远不能满足，也就 严重阻碍了相似理论在试验中的应用。如果在舰船 抗冲击试验时，使所有起冲突的物理作用只有一种 发生作用，就可以应用相似律。试验时通过相应增 加试验次数，分别完成不同类型的试验，其中每次试 验只有一种效应起作用。 这样就能扬长避短，更好地利用模型试验，为实 船试验打下基础。 3 相似理论在模型试验中的应用分析 3 ．1 试验模型的设计 根据相似理论，对于特征长度￡约为4 0m 、宽 约为8m 的实船，取入为0 ．0 5 ，则设计圆柱体模型 的长为2m 、直径为0 ．4m ，材料选用船用钢，考虑到 工程上可实施性因素，对模型的重心、浮力等要有合 适的考虑。为考察结构对水下爆炸的响应，模型前 方做一长为0 ．5m 、厚度为5 岫的相同大小的盖子， l ＼ j - } k ．』 ”Ⅵk ，，、沁肌n4 、i 一 ’V t ／m 8 a 局部 a L o e a l 其下有密封垫。每次试验前更换密封垫和盖子。 3 ．2 试验方法 根据需要选定壳体冲击因子大约为0 ．4 ～ 0 ．6k g ”3 ／m 。冲击因子不能过大，过大则相似理论 不适用，过小则信号较弱，增加测量的难度与误差。 选定爆炸距离、药包大小和方位。试验时，炸点距离 可能有些偏差，以实际测量为准，具体参数见表l 。 表1 试验参数的设计 T a b l e1 D e s i g no ft e s tp a r a m e t e r 幽呈丝垫重墅坠堑垫皇旦i 堕塞 竺查型堕 l22 ．5OO ．5 0 222 ．5OO ．5 0 爆源用2 个单位球形铸装1 N T 炸药，分别在模 型的正前方。模型置于海水深处，由于海水较深，可 以忽略自由面反射效应，但不能忽略海底反射效应。 近岸试验工况见图3 。 图3 近岸试验工况示意图 F i g ．3 T e s ts i t u a t i o ni ns h o r es k e t c hm a p 试验海域为泥沙贝砾混合海底，近海区水深约 为1 0I n 左右、深海区水深5 0m 左右。 3 ．3 测量参数 试验时要测量自由场压力、冲击加速度等参数。 加速度传感器布放在模型盖内，分别沿模型的径向、 轴向、切向各放一传感器。 3 ．4 试验结果与分析 海上试验测得的自由场压力曲线见图4 。 1 4 1 2 1 0 8 皇6 4 2 0 2 LL 图4 海上测量的自由场压力 F i g ．4 F r e ef i e l dp r e s u r eo fs e a t ／m s b 全程 b F u l l M H 挖m 8 6 4 2 0 之 日山芸 万方数据 爆破2 0 1 2 年6 月 由图4 可见，离爆源大约4m 处的峰值压力为果符合得相当好。 1 4 ．0 9M P a 。而某实船试验时的测量结果为 试验测量的加速度曲线见图5 。 1 3 6 ．5k g ／c m 2 ，换算成统一单位则为1 3 ．3 8M P a ，结 图5 加速度曲线图 F i g ．5 A c c e l e r a t i o ng r a p h 图5 中 a 为近岸垂向加速度测量结果， b 为 海上垂向加速度测量结果。二者比较可见，前者响 应时间明显快于后者，近岸第1 个蜂值后的响应幅 度明显大于海上试验结果，这是由于近岸试验时，爆 源离海岸、海底较近，海面及海底冲击波反射比在深 海试验时要快，因而结构的响应时间也不同。 从图6 可见，冲击加速度持续时间在6 0 鹏以 内。对比图4 b 和图6 可以看出，冲击加速度与爆 炸冲击渡压力、气泡脉动压力有明显的对应关系。但 冲击波是加速度形成的主要因素，气泡脉动压力波对 加速度的影响很小，可以忽略。每次爆炸测试的冲击 加速度波形都不一样，3 个方向上的波形也不相同， 这应与每次加速度计的安装情况、爆源相对模型的位 置、姿态及起爆时海区环境都有一定的关系。 图6 海上测量的加速度时程图 F i g ．6 A c c d e r a f i o ng r a p ho f 啪 从以上讨论可知，在冲击因子近似相等的条件 下，爆源在结构的正前方，测量结果相近，只是加速 度响应数值不同。可以认为爆源和结构的几何位 置，是决定结构的最终响应的影响因素。至于测量 的加速度响应数值不同，应该和每次安装加速度计 的姿态、起爆时的海区环境有直接的关系。 4 结论 讨论了相似理论在舰船抗冲击模型试验中的应 用，并简要介绍了应用于结构响应中的相似理论，提 出了相似理论用于舰船抗冲击试验的局限性以及在 试验中的解决办法。研究表明相似理论对冲击渡压 力随时闻的特性可很好地应用，但对应变率效应、重 力效应起作用时则不能适应。所做的模型试验对潜 艇抗冲击试验有一定的参考价值。 注正文中部分图表因涉密，故隐藏具体参 数，仅做定性说明。 参考文献 R e f e r e n c e s 【1 ] 库尔．水下爆炸[ M ] ．北京国防工业出版社，1 9 6 0 ． [ 2 ] 北京工业学院八系．爆炸及其作用[ M ] ．北京国防工 业出版社，1 9 7 9 ． [ 3 】_ 7 IM 谢多夫．力学中的相似方法与量纲理论[ M j ．北 京科学出版社，1 9 8 2 ． [ 4 ]程素秋，樊宝顺，水下非接触爆炸作用下舱段模型的 动态响应[ J 】．北京爆炸与冲击。2 0 0 8 4 3 6 0 - 3 6 6 ． [ 4 ] C H E N GS u 一咖．F A NB a o - s h u n ．M e a s u r eo f d y n a m i cr c s p o n - ∞o fac a b i nm o d e ls u b j e c t e dt on o n e o n t a e tu n d e r w a t e re x - p h s i o n s [ J ] ．E x p l o s i o na n dS h o c kW a v e s ，2 0 0 5 4 3 6 0 - 3 6 6 ． i nC h i n e s e [ 5 ] 谈庆明．量纲分析[ M ] ．合肥中国科学技术大学出版 社，2 0 0 5 ． [ 6 ] G O E R T l N E RJ o h nF 。S c a l i n gu n d e r w a t e re x p l o s l o ns h o c k w s ．v e gf o rd i g e r e n e e si na m b i e n ts o u n ds p e e da n dd e n s i t y [ R ] ．A D A l 0 2 3 6 6 ． [ 7 ] B A K E R ．M o d e l l i n go fl a r g et r a n s i e n te l a s t i ca n dp l a s t i c d e f o r m a t i o n so fg t m c t u u r ns u b j e c t e dt Ob l a s tl o a d i n g [ Z ] ． [ s ．L ] [ 8 ，n ．] 1 9 6 0 ． [ 8 ] 0 ’H A R AG e o r g eJ ．S c a l i n gf o rs h o c kr e s p o n s eo fs u b m a r i O ne q u i p m e n t [ R ] ．A D A 2 5 0 4 0 5 ． [ 9 ] R E I DW a r r e nD ．T h er e s p o n s eo fs h i p st ou n d e r w a t e re x - p 1 0 6 i o n s [ R ] ．A D A 3 2 6 7 3 8 ，1 9 9 7 ． 万方数据