水下爆炸作用下箱形梁模型響應(yīng)試驗(yàn)研究

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(海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，武漢 430033)

水下爆炸氣泡對(duì)船體結(jié)構(gòu)的破壞作用大致分可為2種情況：第1種是炸藥在離艦船較遠(yuǎn)處爆炸(遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸)，爆炸氣泡的脈動(dòng)壓力周期性較強(qiáng)，其基頻與船體梁結(jié)構(gòu)的低階固有頻率十分接近，因而容易對(duì)船體造成嚴(yán)重的總體結(jié)構(gòu)破損[1-3]；第2種是當(dāng)炸藥在離艦船較近處爆炸(近場(chǎng)爆炸)，氣泡受艦船結(jié)構(gòu)邊界的影響容易失穩(wěn)而產(chǎn)生射流作用，并強(qiáng)化主沖擊波的破壞或進(jìn)一步引起艦船結(jié)構(gòu)的局部破裂。

由于水下爆炸氣泡問題研究涉及到氣體、流體、固體及其相互的耦合作用，難度較大，理論研究往往存在諸多不足。為了研究水面艦船結(jié)構(gòu)在水下爆炸氣泡作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的過程及規(guī)律等，采用箱形梁結(jié)構(gòu)模型模擬水面艦船結(jié)構(gòu)進(jìn)行水下爆炸試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及試驗(yàn)工況

1.1 模型設(shè)計(jì)

以某型艦為母型，按照1∶50的縮比尺度設(shè)計(jì)模型，母型艦的主尺度為：船長(zhǎng)125.0 m、船寬16 m、型深11.32 m，船外板厚6～12 mm，肋骨間距500 mm，艙壁板厚4～6 mm。鑒于試驗(yàn)條件的限制，不能完全按實(shí)船幾何縮比建造模型進(jìn)行水下爆炸氣泡作用下的鞭狀運(yùn)動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)，采用能表征典型水面結(jié)構(gòu)整體形式的細(xì)長(zhǎng)體箱形梁模型，其濕模態(tài)一階設(shè)計(jì)頻率為16～24 Hz，材料采用Q235A鋼。由于一般船中位置是大多數(shù)艦艇主機(jī)艙，艙室較大，故在模型中部設(shè)有較大艙室用以模擬主機(jī)艙。設(shè)計(jì)模型見圖1。

箱形梁模型總長(zhǎng)2 500 mm，寬260 mm，高60 mm，吃水30 mm，艙壁數(shù)量13，艙壁間距200 mm或 250 mm，船底板厚度2 mm，舷側(cè)板厚度1 mm，艙壁厚度1 mm，模型重量14.0 kg，模型排水量19.5 kg。

采用力錘法測(cè)定模型的低階固有頻率，干模態(tài)一階、二階為40.9、95.2 Hz，濕模態(tài)一階、二階為20、57 Hz。

a)俯視圖

b)橫剖面圖圖1 船體箱形梁模型示意

1.2 試驗(yàn)實(shí)施

試驗(yàn)設(shè)施、試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诒ㄍ矁?nèi)的懸掛方式、炸藥在水中的位置見圖2。

圖2 水下爆炸試驗(yàn)裝置示意

1.3 測(cè)點(diǎn)及試驗(yàn)工況

水下爆炸氣泡作用下模型的鞭狀響應(yīng)試驗(yàn)共設(shè)置13個(gè)加速度傳感器和2個(gè)應(yīng)變片，皆位于模型底板的內(nèi)表面。布置見圖3。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图铀俣燃皯?yīng)變片測(cè)點(diǎn)示意圖

試驗(yàn)中變化的參數(shù)包括藥量、爆距和爆炸位置。爆炸位置有2種，一是位于模型中部正下方，二是位于模型端部正下方，距左端水平距離0.4 m；爆點(diǎn)離模型底部的垂直距離為爆距，離水平面的距離為爆深。試驗(yàn)共進(jìn)行了5次，工況見表1，采用文獻(xiàn)[4]的經(jīng)驗(yàn)公式估算氣泡的第一次脈動(dòng)頻率。

表1 試驗(yàn)工況表

2 箱形梁模型的鞭狀響應(yīng)試驗(yàn)

2.1 氣泡脈動(dòng)的測(cè)量及計(jì)算比較

采用高速攝像機(jī)記錄了水下爆炸產(chǎn)生的氣泡脈動(dòng)過程，測(cè)定了氣泡的最大半徑、脈動(dòng)周期和頻率等。

為了與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，采用文獻(xiàn)[4]中的經(jīng)驗(yàn)公式(估算值)和文獻(xiàn)[5]中的數(shù)值計(jì)算方法(計(jì)算值)，對(duì)爆炸氣泡的脈動(dòng)頻率等特征參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，與試驗(yàn)結(jié)果比較見表2。

進(jìn)一步將試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與數(shù)值計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)公式估算結(jié)果進(jìn)行比較，見圖4。

表2 第一次爆炸氣泡的主要參數(shù)

a) 氣泡第一次脈動(dòng)的最大半徑

b) 氣泡第一次脈動(dòng)的周期圖4 氣泡脈動(dòng)參數(shù)的比

氣泡第一次脈動(dòng)的最大半徑隨著藥量的增大逐漸增大，增幅很明顯。除第三次爆炸外，氣泡第一次脈動(dòng)的最大半徑計(jì)算值和經(jīng)驗(yàn)值比試驗(yàn)值略大一些，但誤差最大不大于12%。氣泡第一次脈動(dòng)周期的結(jié)果，計(jì)算值和經(jīng)驗(yàn)值與試驗(yàn)值也吻合較好。這說(shuō)明文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]提供的方法能夠較準(zhǔn)確地確定水下爆炸氣泡的參數(shù)。

2.2 振型分析

當(dāng)爆點(diǎn)都位于模型中部正下方位置時(shí)，如第一次爆炸，根據(jù)高速攝影觀察，伴隨爆炸氣泡第一次膨脹過程模型中部向上突起，呈現(xiàn)中拱狀態(tài)，同時(shí)伴有剛體位移。模型的振動(dòng)類似于自由梁的一階振型，見圖5。模型的第一次振動(dòng)頻率與氣泡第一次脈動(dòng)頻率基本一致。在氣泡的后續(xù)膨脹過程中，模型繼續(xù)振動(dòng)，但幅度明顯降低。

圖5 爆點(diǎn)在模型中部時(shí)觀測(cè)到的模型振

第二次爆炸的爆點(diǎn)位置移至模型左端部，爆炸激起的模型振型發(fā)生了變化。從試驗(yàn)觀測(cè)到的模型振動(dòng)形式看，左端爆炸激起的模型振型較為復(fù)雜，與自由梁三階振動(dòng)形式類似。

圖6 爆點(diǎn)位于左端部時(shí)的模型振型

2.3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)的測(cè)量及結(jié)果分析

2.3.1 不同爆點(diǎn)位置的比較

1) 第一次爆炸試驗(yàn)結(jié)果。選取模型端部的1#、中部的7#加速度測(cè)點(diǎn)和1#、2#應(yīng)變測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，測(cè)點(diǎn)的時(shí)程曲線見圖7。各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變信號(hào)呈現(xiàn)不同的正峰值和負(fù)峰值，為便于分析取三個(gè)特征峰值：一是初始峰值，測(cè)點(diǎn)響應(yīng)曲線中出現(xiàn)的第一個(gè)峰值，二是除初始峰值以外的最大正峰值，稱為正峰值，三是除初始峰值以外的最大負(fù)峰值，稱為負(fù)峰值。由于水下爆炸首先產(chǎn)生沖擊波，然后才產(chǎn)生氣泡脈動(dòng)，因此初始峰值應(yīng)由沖擊波引起，而正峰值和負(fù)峰值則由氣泡脈動(dòng)引起。

a) 加速度1#測(cè)點(diǎn)

b) 加速度7#測(cè)點(diǎn)

c) 應(yīng)變1#測(cè)點(diǎn)

d) 應(yīng)變2#測(cè)點(diǎn)圖7 第一次爆炸各測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲

由加速度和應(yīng)變時(shí)程曲線可見，各測(cè)點(diǎn)的初始峰值很大，說(shuō)明沖擊波使模型產(chǎn)生了很大的初始加速度和應(yīng)變，比氣泡脈動(dòng)引起的加速度和應(yīng)變都要大。

2) 爆炸試驗(yàn)結(jié)果的比較。比較第一次和第二次爆炸各主要測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)值見表3。

由表3可見，沖擊波引起的加速度初始峰值明顯大于氣泡脈動(dòng)引起的峰值，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的結(jié)果亦如此。模型上最大加速度出現(xiàn)的位置與爆點(diǎn)位置基本對(duì)應(yīng)。

表3 各測(cè)點(diǎn)加速度峰值的比較 m/s2

由前兩次爆炸試驗(yàn)的結(jié)果，可以將水下爆炸作用下模型響應(yīng)分為3個(gè)階段：第一階段為沖擊波作用階段，沖擊波使模型產(chǎn)生了初始振動(dòng)響應(yīng)，此階段常伴有模型的剛體位移；第二階段為氣泡脈動(dòng)作用階段，模型在氣泡脈動(dòng)作用下產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生疊加，使模型振動(dòng)的振幅增大；第三階段為爆炸作用結(jié)束后結(jié)構(gòu)響應(yīng)的阻尼衰減階段，結(jié)構(gòu)振動(dòng)在水的阻尼作用下逐漸衰減。

2.3.2 不同藥量的比較

1) 第三次爆炸試驗(yàn)結(jié)果。第三次爆炸觀察到很清晰的氣泡脈動(dòng)過程，高速攝影記錄的第三次爆炸見圖8。

a) 32 ms氣泡最大半徑

b) 52 ms收縮至最小

d) 104 ms第二次收縮

由圖8可見，藥量增加以后，氣泡脈動(dòng)過程發(fā)生了一定的變化。氣泡的正常上浮過程由于受到剛性水底的影響發(fā)生變化，氣泡不再上浮，而是相反地向下運(yùn)動(dòng)，就像被水底吸引過去一樣。

2) 藥量的影響。藥量增大以后，各加速度測(cè)點(diǎn)的加速度基本上都已過載，那么比較應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值也能反映結(jié)構(gòu)響應(yīng)的大小。不同藥量時(shí)，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值的變化見表4。

表4 不同藥量及爆距應(yīng)變測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值的比較

隨著藥量的增大，結(jié)構(gòu)響應(yīng)的增大很明顯，而且氣泡脈動(dòng)引起的正峰值隨藥量增大的增幅明顯大于沖擊波，這說(shuō)明，隨著藥量的增大氣泡脈動(dòng)在激發(fā)結(jié)構(gòu)響應(yīng)中的作用將越來(lái)越明顯。

2.3.3 破壞模式的分析

在第四次爆炸過程，由于藥量較大，發(fā)現(xiàn)模型的響應(yīng)發(fā)生新的變化。為進(jìn)一步研究新出現(xiàn)的破壞模式，設(shè)計(jì)了第五次爆炸試驗(yàn)。由于藥量的增大，加速度傳感器已不能滿足測(cè)量的要求，故在第五次爆炸試驗(yàn)時(shí)布置了7個(gè)應(yīng)變片，皆位于模型底板的內(nèi)表面。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置見圖9。

圖9 第五次爆炸應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

伴隨爆炸氣泡的第一次膨脹，8 ms時(shí)模型受沖擊波作用中部向上突起，呈現(xiàn)中拱振型。16 m時(shí)模型仍呈現(xiàn)中拱振型，但模型中部與端部高度差變小。32 ms時(shí)模型中部達(dá)到最大位移，相對(duì)于爆炸的起始時(shí)刻其中部位移約為120 mm，模型端部位移為92 mm，模型中部相對(duì)于端部拱起約28 mm。隨后，模型向下回落，但由于受水面起伏以及反射的影響，40 ms后的模型中部位移及模型振動(dòng)的周期已無(wú)法通過高速攝影來(lái)判讀。爆炸結(jié)束后觀察到模型已發(fā)生永久變形，呈現(xiàn)出中垂變形形式沉沒于水中。高速攝影記錄的第五次爆炸過程見圖10。

a) 8 ms模型變形

b) 32 ms模型中部位移最大

c) 40 ms氣泡膨脹至最大

d) 72 ms氣泡收縮

爆炸結(jié)束后模型呈現(xiàn)出整體中垂形式的永久變形，模型舷側(cè)出現(xiàn)多處褶皺，可以推斷模型是在中垂?fàn)顟B(tài)下發(fā)生大變形，模型中部舷側(cè)頂部進(jìn)入塑性，進(jìn)而引起模型的總體失穩(wěn)，中部發(fā)生彎曲折斷破壞。這種破壞模式，不同于鞭狀響應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)變形破壞模式。從圖10d)可以看出，模型中部在氣泡強(qiáng)大的吸力作用下，隨著水流向氣泡中心運(yùn)動(dòng)，模型兩端在水的阻力作用下運(yùn)動(dòng)速度沒有中部快，這樣中部運(yùn)動(dòng)速度快而兩端運(yùn)動(dòng)速度慢，必然造成模型中部發(fā)生向下彎曲大變形，進(jìn)而出現(xiàn)破損。

整個(gè)破壞過程可以這樣描述：在爆炸響應(yīng)的第一階段，模型受到?jīng)_擊波初始激勵(lì)產(chǎn)生了初始振動(dòng)；在爆炸響應(yīng)第二階段，氣泡開始收縮并帶動(dòng)周圍流場(chǎng)向氣泡中心運(yùn)動(dòng)時(shí)，在模型中部產(chǎn)生了一個(gè)負(fù)壓區(qū)，由于模型距氣泡較近，在強(qiáng)大的負(fù)壓作用下模型呈現(xiàn)中垂變形。模型在第二階段的中垂變形超過了模型在沖擊波作用階段的中拱變形，并且使模型中部舷側(cè)頂部進(jìn)入塑性，進(jìn)而導(dǎo)致模型出現(xiàn)總體失穩(wěn)產(chǎn)生永久變形，模型發(fā)生中部折斷破壞。

3 結(jié)論

1) 水下爆炸氣泡脈動(dòng)的氣泡最大半徑、氣泡脈動(dòng)周期等參數(shù)，能夠采用經(jīng)驗(yàn)公式或數(shù)值計(jì)算較準(zhǔn)確地估算。氣泡第一次脈動(dòng)最大半徑隨著爆深的減小、藥量的增大會(huì)逐漸增大。

2) 模型在水下爆炸氣泡作用下的響應(yīng)可以分為三個(gè)階段：第一階段為沖擊波激勵(lì)響應(yīng)階段，沖擊波使模型產(chǎn)生了初始的振動(dòng)響應(yīng)，此階段常伴有模型的剛體位移；第二階段，為氣泡脈動(dòng)作用階段，模型在氣泡脈動(dòng)形成的壓縮波作用下產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，振動(dòng)產(chǎn)生疊加使得模型振動(dòng)的振幅增大；第三階段為爆炸作用結(jié)束后結(jié)構(gòu)響應(yīng)的衰減階段，結(jié)構(gòu)振動(dòng)在水的阻尼作用下逐漸衰減。

3) 不同的爆點(diǎn)位置，氣泡脈動(dòng)能夠激起不同振動(dòng)形式的鞭狀運(yùn)動(dòng)。當(dāng)爆點(diǎn)位于結(jié)構(gòu)中部時(shí)，結(jié)構(gòu)振形為自由梁的一階振動(dòng)形式，結(jié)構(gòu)中部應(yīng)變最大，端部次之；當(dāng)爆點(diǎn)位于結(jié)構(gòu)端部時(shí)，結(jié)構(gòu)振形為自由梁的高階振動(dòng)形式，結(jié)構(gòu)最大變形出現(xiàn)在端部。

4) 當(dāng)炸藥藥量較大時(shí)，氣泡收縮并帶動(dòng)周圍流體運(yùn)動(dòng)，在模型底部產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓區(qū)，使模型呈現(xiàn)中垂變形狀態(tài)，發(fā)生塑性變形并造成破壞。

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