舰船缩比模型水下非接触爆炸载荷测量与分析.pdf

第2 9 卷第3 期 2 0 1 2 年9 月 爆破 B L A S T D 4 G V 0 1 ．2 9N o ．3 S e p ．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 3 ．0 0 2 舰船缩比模型水下非接触爆炸载荷测量与分析 李琛，张永坤，周学滨 海军9 1 4 3 9 部队，大连1 1 6 0 4 1 摘要合理设置舰船缩比模型海上毁伤试验工况，有效考核舰船抗冲击性能和兵器毁伤效能的同时，减 小舰船模型的毁伤程度。通过测量和分析模型在不同装药量和不同爆炸初始深度的爆炸栽荷试验数据，确 定爆源布放深度与表面反射及海底边界条件等对冲击波压力和气泡脉动影响的关系，为分析舰船冲击环境 及水下非接触爆炸数值仿真数据输入提供思路。 关键词气泡脉动；冲击波压力；爆炸载荷 中图分类号’‘0 3 8 3 ．1文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 2 0 3 0 0 0 7 0 4 M e a s u r e m e n ta n dA n a l y s i so nN o n - c o n t a c tU n d e r w a t e r E x p l o s i o nL o a d so fS h i pS c a l eM o d e l L ／C h e n ，Z H A N Gy o 愕一k u n ，Z H O UX u e - b i n N a v yF o r c e s9 1 4 3 9 ，D a l i a n11 6 0 4 1 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt os e ts e ac o n d i t i o n so ft h es h i ps c a l em o d e ld a m a g et e s tp r o p e r l y ，t h ed a m a g ed e g r e eo ft h e s h i p sm o d e ls h o u l db er e d u c e dw h e nt h es h i ps h o c kr e s i s t a n c ea n dw e a p o nd a m a g ep o t e n c ya r ea s s e s s e de f f e c t i v e l y ． E x p e r i m e n td a t as h o w st h a tt h ee x p l o s i o n sd e p t h ，s u r f a c er e f l e c t i o na n du n d e r s e ab o u n d a r yc o n d i t i o n sp l a yr o l ei nt h e s h o c kw a v ep r e s s u r ea n db u b b l e o s c i l l a t i o nb yl o a d i n gu n d e rt h ed i f f e r e n tc h a r g ea n de x p l o s i o nd e p t h ．T h i sm e t h o d C a nb ea p p l i e dt oa n a l y z es h o c ke n v i r o n m e n to nt h es h i pa n dp r o v i d ed a t ai n p u tt ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fn o n c o n t a c tu n d e r w a t e re x p l o s i o n ． K e yw o r d s b u b b l e ．p u l s a t i o n ；s h o c kw a v e ；e x p l o s i o nl o a d 在水下爆炸技术领域，舰艇水下爆炸试验和舰船 设备抗冲击试验是验证舰艇及其系统在战斗冲击环 境下抗冲击能力的最佳途径uJ 。由于舰船结构实船 毁伤试验研究的代价太高，财力上无法承受，因此，基 于水下爆炸相似原理的舰船缩比模型毁伤试验成为 检验舰船抗冲击性能及水中兵器毁伤效能的重要手 段。针对不同的毁伤源和毁伤目标，通过合理的试验 设计，以实现对实船毁伤现象的模拟。尽管舰船缩比 模型采用一定的缩比比例，但材质和结构和实际舰船 相同，在建模时需要花费一定的资金。因此，进行模 收稿日期2 0 1 2 0 6 2 0 作者简介李琛 1 9 7 2 一 ，女，工程师、工学硕士，研究方向为水下 爆炸测量与数据处理， E m a i l l c h 0 2 1 2 1 c n ，c o m 。 型试验时，在完成试验目的前提下，应尽量减少舰船 模型损伤。同时，测量分析水下爆炸载荷与爆源布放 深度、装药量及边界条件之间的关系，对于合理设置 海上试验工况，有效考核舰船抗冲击性能和兵器威 力、分析舰船冲击环境和为水下非接触爆炸数值仿真 提供数据输入有一定的指导意义。 通过舰船缩比模型海上实爆试验，测量不同装 药量和爆炸初始深度水下非接触爆炸条件下舰船缩 比模型受到的爆炸载荷数据，分析爆源布放深度与 海面反射及海底边界条件对冲击波压力和气泡脉动 影响的关系。 1 水下爆炸载荷 水下爆炸是一个非常复杂的能量转换的物理过 万方数据 8爆破2 0 1 2 年9 月 程，其载荷可分为冲击波与气泡2 大部分旧。。通常， 冲击波具有高频特征，波头具有跃阶形式，压力幅值 迅速达到最大，跃阶后紧接着以近似指数规律衰 减阳] ，作用时间短，一般为几十毫秒以内，对舰船结 构造成严重的局部破坏；气泡脉动引起的滞后流及 脉动压力，呈现低频特征，作用时间晚，但持续时间 相对较长、峰值压力小但冲量大，对舰船造成总体破 坏，危及舰船的总纵强度，且气泡坍塌形成的高速射 流还将引起舰船结构的局部毁伤。 1 ．1 水下爆炸冲击波 装药在水下爆炸时首先产生冲击波。对于铸装 T N T 球形药包，其爆炸冲击波的峰值随时间变化 P ￡ 、冲击波峰值P 。和冲量k 分别为∞’4 1 『p 。e i ，} ≤仔 烈D 2 i o ．3 6 峨詈【z 一 ∥】肌⋯，Q ’ r 4 ．4 1x l O T ／警 1 一风惫叱 以b 舢， 科3m ≤墓 0 以后， 冲击波的衰减变慢；瓦为冲量，N s ／m 2 。 1 ．2 水下爆炸气泡脉动 水中爆炸气泡形成初期是一个高温、高压、高密 度气团，在水介质界面稀疏波的作用下，爆炸气泡不 断膨胀和收缩，气泡由最小直径膨胀到最大直径，又 从最大直径压缩到最小直径，从而形成气泡的脉动 作用。对于T N T 炸药，估算第1 次气泡脉动周期r 公式及最大气泡半径R 。公式和二次脉动压力的冲 量厶公式分别为口- 7 ] 卜n 3 0 8 面丽1 青0 丽1 Z 1 ．0 3 ． 。 I 洲。 耻3 ．3 8 南 3 4 厶_ 3 ．4 2 4 1 0 4 等 式中，Z 。为药包爆炸时的初始深度。 2 试验实施与测量 以海上爆炸试验方式进行。在模型上下2 层平 台上安装速度、加速度、压力、应变传感器，模型外侧 吃水线附近固定一圈浮球，增加浮力，以防模型横 翻。码头上安装电测系统测量设备及视频监控设 备，通过远程控制系统控制电缆起爆及传感器信号 传输等。 2 ．1 舰船缩比模型 舰船缩比模型相对实船采用1 2 0 比例。舰船 缩比模型共设7 道横舱壁，2 层平台，有中纵舱壁， 平台2 与船底外底板组成双层底，双层底内还有 2 道纵旁舱壁加强。甲板、平台板厚4m m ，其余结 构板厚3m m ，结构总质量约4 2 9 ．4k g 。 以基平面、中纵铺面和尾封板所在平面的交点 为原点，戈方向沿船右舷，y 方向沿船长方向，z 方向 为垂直向上，重心坐标 0 ，2 ．0 8 ，0 ．1 5 ，浮心坐标 0 ，2 ．0 4 ，0 ．1 5 ，基本平衡。 2 ．2 试验工况 试验共进行6 个工况，具体试验工况设置如 表1 所示。试验通过电测系统采集设备进行爆炸载 荷参数录取，零时法计算爆源坐标，视频监控系统对 试验场景进行监控。 表1 试验工况设置 T a b l e1 S e to ft e s tc o n d i t i o n 2 ．3 测点布设 将自由场压力传感器固定在试验舰船缩比模型 的支架上，前后各一个，位置对称，如图1 。自由场 压力测点布设在传感器支架上，共4 个。 赵 滋 世 瞪 爆源 图1 自由场压力传感器布置图 F i g ．1A r r a n g e m e n tp l a no ff r e e f i e l dp r e s s u r es e n s o r s 3 试验结果与分析 3 ．1 冲击波和气泡脉动 取2 个测点在6 种工况下的冲击波压力和气泡 万方数据 第2 9 卷第3 期李琛，张永坤，周学滨舰船缩比模型水下非接触爆炸载荷测量与分析 9 脉动周期数据进行统计，其中压力峰值理论值和第 一次气泡脉动周期理论值依据经验式 2 和式 4 计算，结果如表2 所示。 表2 试验压力数据结果统计 T a b l e2S t a t i s t i c so fp r e s s u r ei na l lt e s t s 盖掣嚣 m 实测实测 爆距／深度／ mm 分析表2 试验数据发现，气泡第1 次脉动压力 峰值约为冲击波压力峰值的1 0 ％～2 0 ％，但压力持 续时间要比冲击波长很多，两者的冲量值基本相当。 表2 给出了试验爆炸工况条件下，水下爆炸载荷 的试验值与估算值比较，其中估算值根据式 1 一 式 4 计算得到。可以看出，在给定的工况条件下，冲 击波压力峰值及第1 次脉动周期与经验公式所给的 估算值吻合较好。 冲击波压力峰值测量值与理论值存在的偏差， 主要由海水流速、流向的影响导致实际爆炸初始深 度与预设爆炸深度存在一定误差造成的，同时炸药 爆轰是否完全也是造成偏差的原因之一。对于气泡 脉动，在小药量情况下 工况1 3 ，装药量相同而 爆源初始深度不同，越靠近海底 泥沙底 ，气泡受 边界影响小，两者误差很小‘，如工况1 ；在药量较大 条件下 工况4 6 ，结构边界对气泡运动产生了一 定影响，两者误差增大，但能达到工程预报精度要 求。因此，利用式 1 一式 4 对试验工况的水下爆 炸参数进行估算是合理的。 图2 a 为工况2 中测点l 压力时程曲线，可以 看出曲线存在3 个明显的压力峰值，其中第2 、3 个 峰值为气泡两次脉动的辐射压力，3 个压力峰值分 别为4 ．4 5P a 、0 ．7 1P a 和0 ．2 9P a ，间隔时间为 2 0 4m S 和1 5 8m s ，可见气泡多次脉动的辐射压力逐 渐减小，脉动频率加快。 曲线上出现较明显的反射波，其峰值为1 ．3 4P a ， 说明在该工况下，表面反射较大，因此，在冲击波峰 值过后出现反射波。 图2 b 所示为自由面截断效应和反射波。爆 源为球形装药，在冲击波上有多个“驼峰”出现。同 时，在试验海域的海水表面反射、海底反射及模型反 射影响下，出现表面截断效应。反射稀疏波到达测 点时与入射波阵面叠加，就会引起测点处冲击波压 力的突然下降，乃至消失，从而出现明显的自由面截 断效应。 在工况1 、4 中，仅出现1 次气泡脉动。爆源深度 大约是7 ．3 8m 和8 ．8 2m ，而试验海域水深随着潮汐变 化，深度大约在8 - 9m 左右，爆源距离海底很近，气泡 脉动受边界影响较大，压力曲线仅存在1 个脉动压力 峰值，气泡在第1 个脉动过程后即发生溃灭。而在其 它工况，爆炸气泡能够完成多个脉动过程。 t l a a 工况2 测点1 压力时程曲线 j 甲面硬盥刀辟但 ＼反射渡 凰1 ．3 3 6 8 6 r ．1 ．7 2 7 3 7 ＼ k 竺应 ’k i ． 1 ．3 3 3 8 3 1 ．3 3 4 6 91 ．3 3 5 5 51 ．3 3 6 4 11 ．3 3 7 2 71 ．3 3 8 1 3 t l s b 水面截断效应和反射波 图2 冲击波压力时程曲线 F i g ．2 H i s t o r yo fs h o c kw a v ep r e s s u r e 3 ．2 结合应变数据分析 在水下爆炸冲击波和气泡脉动作用下，舰船缩 比模型会出现明显的应变响应峰值。表3 所示为不 同工况下，同一应变测点在冲击波及气泡脉动阶段 出现的应变峰值。 从表3 可以看出，虽然气泡脉动的辐射压力只 次脉期蠹s ●泡周螗眇撇钏一澹觚 次脉期曾o ●泡周蚴眇撇锄一毗猷 士隹望叩 压峰测氲 力值论俄 呦雌酚轨 O 5 0 5 O 5 O 5 O 5 4 3 3 2 2 l 1 O O d 山r 山 一 万方数据 1 0爆破 2 0 1 2 年9 月 占冲击波压力的1 0 ％一2 0 ％，其形成的结构应变响 应值却为冲击波应变响应值的2 0 ％一4 0 ％，可见气 泡脉动对于结构的整体冲击作用明显，其损伤效果 不容忽视。 表3 不同工况下同一应变点的冲击波及气泡脉动响应峰值 T a b l e3P e a kv a l u e so fs t r a i n sd u et 0s h o c kw a v e a n db u b b l ep u l s a t i o ni nt e s t 图3 为应变时程曲线，从图中可以看出，工况1 中，只有冲击波引起的结构应变响应，而气泡脉动几 乎没造成结构应变响应，和压力时程曲线分析的相 同，说明气泡只发生1 次脉动即溃灭，且气泡压力值 很小，对模型造成的结构应变影响很小；在工况3 中，冲击波和气泡脉动引起结构发生多次应变响应， 与冲击波压力时程曲线一致。 苣 i 、 L r 01 ．1 9 5 2 22 ．3 9 0 4 33 ．5 8 5 6 5 4 ．7 8 0 8 75 ．9 7 6 0 8 t l s a 工况1 测点1 应变 0 ．9 6 5 7 01 ．1 7 7 4 81 ．3 8 9 2 51 ．6 0 1 0 31 ．8 1 2 8 0 2 ．0 2 4 5 8 d s b 工况3 测点1 应变 图3 应变时程曲线 F i g ．3 T i m eh i s t o r yo fs t r a i n s 4 结语 通过舰船缩比模型海上实爆试验，可以得出如 下结论 1 通常情况下，水下爆炸冲击波压力时程曲 线为不光滑曲线，反射稀疏波到达测点时与人射波 阵面叠加，就会引起测点处冲击波压力的突然下降， 乃至消失，从而出现明显的自由面截断效应。 2 气泡脉动和反射波的产生与爆源爆炸初始 深度有关，当爆源爆炸深度距离海底很近时，气泡脉 动可能只发生一次脉动即溃灭；爆源深度位于海底 和海面中间附近位置时，气泡脉动能量和反射波强 度较大。 3 同一位置测点在距离爆源深度不同情况 下，距离越远，压力峰值越小；而距离爆源呈对称布 设的测点，其冲击波压力时程曲线几乎相同，压力峰 值基本一致，说明球形装药水下爆炸冲击波径向传 播；同时，压力时程曲线会有驼峰出现。 4 针对舰船抗冲击性能的要求不同，可以合理布 设爆源布放深度，以满足不同的爆炸载荷考核要求，在 距离海底很近时可忽略气泡脉动对舰船的影响。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 汪玉，华宏星．舰船现代冲击理论及应用[ M ] ．北 京科学出版社，2 0 0 5 ． [ 1 ] W A N GY ，H U AHX ．T h ei m p a c to ft h e o r ya n da p p l i c a - 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