水下非接觸爆炸作用下浮動(dòng)沖擊平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)研究

張永坤 周學(xué)濱 李 琛

（海軍91439部隊(duì) 大連 116041）

0 引 言

水下爆炸對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)是人們一直關(guān)心的問題，水下爆炸會(huì)形成沖擊波和氣泡脈動(dòng)，爆炸沖擊波作為高頻形式載荷，對(duì)結(jié)構(gòu)目標(biāo)的局部毀傷作用明顯.氣泡脈動(dòng)作為低頻形式載荷，對(duì)艦船整體響應(yīng)作用比較明顯.由于水下爆炸和艦船動(dòng)態(tài)響應(yīng)的復(fù)雜性，對(duì)艦船水下爆炸動(dòng)響應(yīng)的認(rèn)識(shí)深刻程度主要來自對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析.而試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度取決于測(cè)量技術(shù)、品質(zhì)優(yōu)良的傳感器和高精度記錄器的進(jìn)步.伴隨著最新的高精度測(cè)試設(shè)備及傳感器的使用，對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象有了更深刻的認(rèn)識(shí).

John等［1］對(duì)水下鋼支撐圓柱結(jié)構(gòu)在近距爆炸沖擊作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，利用加速度傳感器記錄了爆炸沖擊波及氣泡脈動(dòng)對(duì)圓柱結(jié)構(gòu)的沖擊變形情況，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：在近場(chǎng)爆炸情況下，氣泡脈動(dòng)造成的結(jié)構(gòu)變形是初始沖擊波產(chǎn)生變形的1.5～16倍，此時(shí)氣泡的損傷作用占主導(dǎo)部分.

李國(guó)華等［2］在浮動(dòng)沖擊平臺(tái)水下爆炸試驗(yàn)中，對(duì)沖擊譜進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)水下爆炸氣泡膨脹產(chǎn)生的滯后流對(duì)安裝頻率為數(shù)十Hz的艦船設(shè)備的沖擊振動(dòng)起著重要作用，沖擊波具有的能量對(duì)艦船設(shè)備沖擊振動(dòng)的貢獻(xiàn)是微不足道的，而氣泡二次脈動(dòng)則可能引起船體的整體共振.

李玉節(jié)等［3］對(duì)船體縮比模型在水下爆炸氣泡下的動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)氣泡脈動(dòng)能夠誘發(fā)嚴(yán)重的船體鞭狀響應(yīng)，證實(shí)了李國(guó)華等人的結(jié)論.在遠(yuǎn)距離爆炸時(shí)，氣泡脈動(dòng)壓力可能會(huì)激起船體一階振動(dòng).當(dāng)爆距和船長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)則會(huì)誘導(dǎo)船體的高階共振，因而會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的鞭狀運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，使船體發(fā)生破壞.當(dāng)裝藥在船舯底部爆炸時(shí)最為危險(xiǎn)，此時(shí)船舯應(yīng)變最大，船首和船尾變形最為嚴(yán)重.

李海濤［4－6］分析了近距離爆炸氣泡對(duì)船體梁動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響特性，研究發(fā)現(xiàn)近距爆炸條件下，氣泡脈動(dòng)壓力對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊作用明顯；在大氣壓力和氣泡內(nèi)壓力聯(lián)合作用下，船體梁在向下的分布載荷作用下，被疊加成一種中垂彎矩，爆距越小，此中垂彎矩越大.

許維軍［7］以某潛艇的基本結(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ)，建立三維有限元模型，對(duì)潛艇結(jié)構(gòu)的沖擊環(huán)境進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究.潛艇的沖擊環(huán)境是考核潛艇生命力問題的關(guān)鍵.文中利用大型結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS／LS－DYNA計(jì)算了艇體在不同的炸藥當(dāng)量、不同的起爆位置時(shí)的沖擊環(huán)境，分析了潛艇艇體結(jié)構(gòu)在不同的工況下的沖擊響應(yīng).通過對(duì)潛艇在遭受典型武器攻擊后的沖擊環(huán)境和沖擊因子的研究，給出了加速度峰值在潛艇不同部位的分布規(guī)律.數(shù)據(jù)分析表明：潛艇結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)峰值在潛艇的不同部位有著不同的趨勢(shì)，非耐壓殼體和耐壓殼體之間的各類液艙起到了相當(dāng)于防爆水艙的作用，使?jié)撏У臎_擊環(huán)境得到了改善.這對(duì)潛艇的抗爆抗沖擊性能研究具有一定的參考價(jià)值.

為了研究不同工況下，各種沖擊因子（爆距、艦船結(jié)構(gòu)）對(duì)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)在非接觸爆炸作用下的沖擊響應(yīng)，本文采用美國(guó)NI公司最新采集設(shè)備以及PCB傳感器對(duì)水下爆炸作用下的沖擊加速度、自由場(chǎng)壓力、結(jié)構(gòu)應(yīng)變、速度及位移等5項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，其中前3項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)作為沖擊響應(yīng)分析的重點(diǎn)數(shù)據(jù)，速度和加速度數(shù)據(jù)只是進(jìn)行設(shè)備功能性考核，不作為數(shù)據(jù)分析對(duì)象.結(jié)合水下爆炸的相關(guān)理論以及經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出一定結(jié)論.

1 試驗(yàn)情況

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

研究不同沖擊因子（爆距、艦船結(jié)構(gòu)）對(duì)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)在非接觸爆炸作用下的沖擊響應(yīng)，對(duì)水下爆炸作用下的沖擊加速度、自由場(chǎng)壓力、結(jié)構(gòu)應(yīng)變、速度及位移等5項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量.

1.2 試驗(yàn)海況

本次試驗(yàn)在大連旅順海域進(jìn)行，試驗(yàn)過程中海況小于等于2級(jí)、海區(qū)水深大于等于9m，海底為較平坦的泥沙底，海區(qū)流速小于等于2kn.

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

1.3.1 測(cè)量設(shè)備

水下爆炸測(cè)量設(shè)備均為美國(guó)NI公司產(chǎn)品，所采用的傳感器為PCB傳感器.本套測(cè)試設(shè)備功能強(qiáng)大，可以同時(shí)對(duì)96路沖擊加速度、20路速度、12路位移、96路應(yīng)變、16路自由場(chǎng)壓力及16路壁壓進(jìn)行測(cè)量.加速度測(cè)量范圍為1～10 000 g，自由場(chǎng)壓力為0～200MPa，壁壓為0～400MPa，沖擊速度為0～6m／s，應(yīng)變?yōu)椋?～10 000）×10－6，位移為0～100mm.

1.3.2 小型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)

小型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)滿足美國(guó)海軍規(guī)范相關(guān)沖擊要求，其設(shè)計(jì)承載面積為5.4m×4m，吃水深度0.7m，高6m，承載最大重量為8t；兩側(cè)及首尾是高出底部的抗沖擊圍壁，可以滿足3m高的艦載設(shè)備安裝.

1.4 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

本次試驗(yàn)對(duì)位移、速度、加速度、應(yīng)變、自由場(chǎng)壓力等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量.測(cè)點(diǎn)分別布放于浮動(dòng)沖擊平臺(tái)迎爆面及背爆面上，具體的測(cè)點(diǎn)布放圖見圖1～6.圖中：D為位移；V為速度；A為加速度；S為應(yīng)變；p為自由場(chǎng)壓力.

圖1 自由場(chǎng)壓力傳感器布設(shè)圖

圖2 自由場(chǎng)壓力傳感器布設(shè)示意圖

圖3 迎爆面速度測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

圖4 背爆面速度測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

圖5 迎爆面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

圖6 背爆面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

1.5 試驗(yàn)測(cè)試方法

試驗(yàn)過程中，遠(yuǎn)程控制設(shè)備布置于碼頭上，測(cè)量系統(tǒng)及傳感器布設(shè)于浮動(dòng)沖擊平臺(tái)之上.

爆源采用1kg RDX藥球，試驗(yàn)共進(jìn)行3次，第一炮次設(shè)定水平爆距為5.0m，深度為4.7m；第二炮次設(shè)定水平爆距為4m，深度為4.5m；第三炮次設(shè)定水平爆距為2.5m，深度為4.2m.試驗(yàn)過程中使用視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)景進(jìn)行監(jiān)控.具體測(cè)試工況見表1.

表1 試驗(yàn)測(cè)試工況

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，結(jié)合文獻(xiàn)［8－12］的方法，總結(jié)水下爆炸作用下浮動(dòng)沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的變化規(guī)律，主要對(duì)沖擊波壓力、結(jié)構(gòu)應(yīng)變及沖擊加速度進(jìn)行了分析.

2.1 沖擊波壓力分析

1）沖擊波壓力時(shí)程曲線說明 利用自由場(chǎng)壓力傳感器獲得爆炸沖擊壓力時(shí)程曲線，典型測(cè)點(diǎn)沖擊波時(shí)程曲線見圖7，由壓力時(shí)程曲線何以獲得沖擊波及氣泡的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，不同工況下沖擊波壓力曲線都存在3個(gè)脈動(dòng)壓力峰值，峰值的大小和衰減常數(shù)不一致，但都有相似的沖擊波衰減特性.

圖7 自由場(chǎng)壓力－時(shí)程曲線圖

圖7為工況1中近場(chǎng)點(diǎn)P2壓力傳感器獲得的壓力時(shí)程曲線，可以看出曲線存在3個(gè)明顯的壓力峰值，其中第2，3個(gè)峰值為氣泡2次脈動(dòng)的輻射壓力，3個(gè)壓力峰值分別為13.09，2.35和0.71MPa，間隔時(shí)間為137和109ms，可見氣泡多次脈動(dòng)的輻射壓力逐漸減小，脈動(dòng)頻率加快.

2）沖擊因素對(duì)沖擊波壓力的影響 炸藥爆炸后，壓力時(shí)程曲線存在3個(gè)峰值，第一峰值是沖擊波作用差生，第2，3峰值是氣泡脈動(dòng)造成的.測(cè)點(diǎn)P2自由場(chǎng)壓力數(shù)據(jù)見表2.

表2 自由場(chǎng)壓力測(cè)試數(shù)據(jù)

由表2可見，隨著爆距的減小，沖擊波壓力峰值逐漸增加，呈非線性規(guī)律變化；同時(shí)隨著爆距變小，氣泡的脈動(dòng)周期變大.沖擊波壓力峰值和氣泡脈動(dòng)周期的變化規(guī)律說明：隨著爆距減小，炸藥的爆炸威力增強(qiáng)，峰值變大，作用時(shí)間延長(zhǎng).

2.2 應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

1）應(yīng)變－時(shí)程曲線說明 試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)變曲線見圖8，由圖8可見，結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)分為4個(gè)階段：（1）初始沖擊波作用，造成結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)峰值；（2）沖擊波作用完成后，結(jié)構(gòu)響應(yīng)很快衰減，結(jié)構(gòu)開始進(jìn)入自由振動(dòng)；（3）氣泡崩潰形成的脈動(dòng)壓力造成明顯的結(jié)構(gòu)應(yīng)變峰值點(diǎn)，其大小與沖擊波形成的應(yīng)變相當(dāng)，由此可見，氣泡脈動(dòng)壓力造成的整體損傷作用明顯；（4）氣泡潰滅后，船體梁又進(jìn)入低階自由振動(dòng)狀態(tài)，并以一階運(yùn)動(dòng)為主.

2）不同參數(shù)對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)的影響 水下爆炸測(cè)量過程中，部分應(yīng)變片受損，經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，得到3種工況測(cè)點(diǎn)應(yīng)變數(shù)值，見表3.其中，第1個(gè)峰值為初始沖擊波引起，第2個(gè)峰值為第1次氣泡脈動(dòng)造成.

表3 應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù) ×10－6

在表3中，測(cè)點(diǎn)1為迎爆面應(yīng)變數(shù)值，測(cè)點(diǎn)2為背爆面應(yīng)變數(shù)據(jù)，測(cè)點(diǎn)3為迎爆面下一層甲板應(yīng)變數(shù)據(jù).由過表中的數(shù)據(jù)可知：工況3峰值高于工況2，工況2應(yīng)變峰值高于工況1.數(shù)據(jù)說明：隨著水下爆炸距離變小，應(yīng)變峰值增加，呈現(xiàn)非線性增加特點(diǎn)；迎爆面應(yīng)變峰值高于背爆面峰值；同一結(jié)構(gòu)上（迎爆面）不同甲板上應(yīng)變峰值比較接近.

圖8 應(yīng)變－時(shí)程曲線

2.3 加速度數(shù)據(jù)分析

1）加速度－時(shí)程曲線（說明船模運(yùn)動(dòng)狀體）采用PCB加速度傳感器對(duì)浮動(dòng)平臺(tái)迎爆面、背爆面、平臺(tái)艏部、平臺(tái)尾部、不同甲板結(jié)構(gòu)的沖擊加速度值進(jìn)行了測(cè)量.典型沖擊加速度－時(shí)程曲線見圖9，由圖可見，沖擊加速度存在一個(gè)峰值，然后迅速衰減.

圖9 加速度時(shí)程曲線

2）不同參數(shù)對(duì)加速度影響（爆距、艦船結(jié)構(gòu)）為了分析試驗(yàn)過程中，不同的爆距、艦船結(jié)構(gòu)等影響因子對(duì)沖擊加速度的影響，分別選取沖擊平臺(tái)迎爆面首部、迎爆面尾部、背爆面首部、背爆面尾部上層甲板、背爆面尾部中層甲板、背爆面尾部下層甲板的加速度數(shù)值進(jìn)行分析，具體的沖擊加速度值見表4.

表4 沖擊加速度測(cè)試數(shù)據(jù) g

由表4可知，同一工況條件下，上層甲板加速峰度值低于中甲板加速度峰值，中層甲板加速度峰值低于底層甲板加速度峰值；迎爆面加速度峰值高于背爆面加速度峰值；船首、船尾加速度峰值變化不明顯.（不同板架結(jié)構(gòu)對(duì)加速度影響）產(chǎn)生不同甲板、爆炸面、首尾位置加速度變化規(guī)律的原因有2點(diǎn).（1）由于爆距的影響，爆距越大，加速度峰值越小，爆距相近加速度峰值相近；（2）是浮動(dòng)沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)加速度峰值的影響，甲板層數(shù)越多，板架結(jié)構(gòu)的支撐越強(qiáng)，響應(yīng)的加速度值越小.

從表4還可以得知：對(duì)于同一測(cè)點(diǎn)而言，工況1加速度峰值低于工況2，工況2加速度峰值低于工況3，反映出爆距對(duì)加速度峰值的影響，加速度數(shù)據(jù)表明：加速度峰值隨爆距減小而增大，其變化呈非線性變化.

2.4 速度及位移數(shù)據(jù)說明

本次試驗(yàn)過程中，對(duì)于沖擊速度以及位移只是進(jìn)行了功能性考核，有數(shù)據(jù)記錄，也反映出浮動(dòng)沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)的一些變化規(guī)律，但測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)比較少，故對(duì)此兩項(xiàng)數(shù)據(jù)沒有進(jìn)行分析.

3 結(jié) 論

1）隨著爆距的減小，炸藥威力逐漸增強(qiáng)，沖擊波壓力峰、應(yīng)變峰值以及加速度峰值呈非線性增加趨勢(shì)，反映出了測(cè)試參數(shù)隨爆距的變化規(guī)律.

2）同一測(cè)量工況下，迎爆面上沖擊波壓力峰、應(yīng)變峰值以及加速度峰值高于背爆面測(cè)試參數(shù)峰值，一方面是爆距的因素，另一方面是浮動(dòng)沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響因素.

3）隨著爆距減小，沖擊波壓力峰值變大，氣泡脈動(dòng)周期變化大.說明隨著爆距減小，炸藥的爆炸威力增強(qiáng)，峰值變大，作用時(shí)間延長(zhǎng).

4）隨著水下爆炸距離變小，應(yīng)變峰值呈現(xiàn)非線性增加；迎爆面應(yīng)變峰值高于背爆面峰值；同一結(jié)構(gòu)上（迎爆面）不同甲板上應(yīng)變峰值比較接近.

5）同一工況條件下，甲板越高，加速度峰值越小；迎爆面加速度峰值高于背爆面加速度峰值；船首、船尾加速度峰值變化不明顯.

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