典型艦船艙室水下爆炸響應(yīng)特性

翟紅波，李芝絨，張玉磊，蘇健軍，姬建榮

(西安近代化學(xué)研究所,西安 710065)

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典型艦船艙室水下爆炸響應(yīng)特性

翟紅波，李芝絨，張玉磊，蘇健軍，姬建榮

(西安近代化學(xué)研究所,西安 710065)

摘要：以典型艦船艙室結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，研究炸藥水下爆炸載荷輸出特征和艙室結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。給出艙室水下爆炸實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)裝置、測(cè)點(diǎn)布設(shè)，測(cè)量炸藥水下爆炸的自由場(chǎng)載荷和艙室所受載荷，分析艙室所受爆炸載荷的作用特征，研究艙室結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下的響應(yīng)特征，并討論藥量、爆心距對(duì)艙室結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。該研究可以為反艦導(dǎo)彈作用下艦船目標(biāo)易損性評(píng)估提供技術(shù)支持，也可為艦船目標(biāo)防護(hù)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)與波；水下爆炸；艦船；艙室；動(dòng)態(tài)響應(yīng)

艦船結(jié)構(gòu)遭受水下爆炸載荷作用的過程，是結(jié)構(gòu)在巨大瞬態(tài)載荷作用下的一種復(fù)雜非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，屬大變形、強(qiáng)非線性（材料非線性、幾何非線性、運(yùn)動(dòng)非線性）問題，同時(shí)還涉及到水下爆炸氣泡和結(jié)構(gòu)之間相互耦合作用等當(dāng)今熱點(diǎn)問題。開展艦船結(jié)構(gòu)在水下爆炸下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究，是艦船目標(biāo)毀傷評(píng)估工作的基礎(chǔ)，不僅具有非常重要的軍事工程價(jià)值，而且有著較大的學(xué)術(shù)意義[1]。

由于艦船結(jié)構(gòu)爆炸沖擊響應(yīng)的數(shù)學(xué)物理模型尚不完善，而且由于強(qiáng)非線性因素，使得數(shù)值計(jì)算工作量很大。因此，目前研究結(jié)構(gòu)在水下爆炸載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)在很大程度上依賴于實(shí)驗(yàn)[2]。1984年，Rentz研究了加筋平板在水下爆炸載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[3]。1988年，Gifford等對(duì)具有初始裂紋的焊接厚板在水下爆炸載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究，并作了一系列試驗(yàn)[4]。Shima等研究了水下爆炸產(chǎn)生的氣泡以及氣泡的破裂對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的沖擊作用[5]。劉建湖通過試驗(yàn)，對(duì)玻璃鋼掃雷艇的水下爆炸動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了細(xì)致的分析，揭示了艦船立體結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下動(dòng)響應(yīng)的一些基本特征和傳遞規(guī)律，重點(diǎn)分析了結(jié)構(gòu)阻尼，接頭剛度和爆炸烈度對(duì)動(dòng)響應(yīng)的影響[6]。劉潤泉等對(duì)船體單元結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了一系列的水下接觸爆炸試驗(yàn)，擬合了經(jīng)驗(yàn)破口估算公式中的系數(shù)[7]。朱錫等人對(duì)四邊剛性固定的加筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了水下接觸爆炸試驗(yàn)，提出了板架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋相對(duì)剛度的概念[8]。黃建松等研究了水下爆炸產(chǎn)生的沖擊效應(yīng)對(duì)人員的損傷[9]。蔣國巖等以小型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)作為艦船模型進(jìn)行了海上爆炸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其受到的沖擊波作用主要以高頻振動(dòng)為主[10]。

總的來看，由于該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)屬破壞性實(shí)驗(yàn)，因而花費(fèi)巨大，實(shí)驗(yàn)條件要求也比較高。我國具備實(shí)驗(yàn)條件的單位不多，實(shí)驗(yàn)研究開展的也較少，且多數(shù)實(shí)驗(yàn)集中在簡單板架結(jié)構(gòu)的破壞實(shí)驗(yàn)上。以典型艦船艙室結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，通過測(cè)量模型底板的反射沖擊波壓力、結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度和水中沖擊波入射壓力，研究艦船艙室結(jié)構(gòu)在沖擊波和氣泡脈動(dòng)作用下的響應(yīng)特性。

1實(shí)驗(yàn)裝置

艙室實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑殚L方形艙室結(jié)構(gòu)，上端開口，長3.6 m，寬0.45 m，高0.4 m，在長度方向上內(nèi)置兩個(gè)橫隔板，將艙室結(jié)構(gòu)分為三個(gè)隔艙，實(shí)驗(yàn)艙室的所有板厚均為0.004 m，所有板的連接均采用焊接，如圖1所示。

圖1　典型艦船艙室結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

實(shí)驗(yàn)艙室的艙壁材料均采用45號(hào)鋼，密度ρ= 7 890 kg/m3，泊松比μ=0.269，楊氏模量E=209 GPa。

實(shí)試驗(yàn)所用炸藥為梯泰炸藥（TNT/PETN：50/ 50），柱形裝藥，引爆裝置為8#銅雷管，炸藥的質(zhì)量為15 g和30 g。

船15205-0艙水下爆炸實(shí)驗(yàn)水域?yàn)橐槐ㄋ兀氐缀统乇跒殇摻罨炷?，水池直徑?2 m，水深為9.5 m。

典型艙室結(jié)構(gòu)模型漂浮于水池中心水面，在模型底板幾何中心下方0.5 m處懸掛炸藥，如圖2。

在垂直于船艙長度的方向上布設(shè)水下自由場(chǎng)傳感器，測(cè)量水下爆炸的入射沖擊波，測(cè)點(diǎn)距離爆心分別為400 mm、800 mm、1 200 mm和1 600 mm。如圖3所示。在船艙底部壁面上沿長度方向中心線安裝壁面壓力傳感器和振動(dòng)加速度傳感器，布設(shè)7點(diǎn)，間距為450 mm，測(cè)量船艙所受的沖擊波壓力曲線和艙室結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度曲線。

圖2　試驗(yàn)裝置布局示意圖

圖3　試驗(yàn)布局和自由場(chǎng)傳感器的布設(shè)圖

2　水下爆炸沖擊波作用特性

表1給出了15 g和30 g兩種炸藥量爆炸時(shí)，四個(gè)水下自由場(chǎng)測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的沖擊波峰值。圖4和圖5給出了測(cè)點(diǎn)4的沖擊波壓力曲線。從中可以發(fā)現(xiàn)，隨爆心距增加，沖擊波峰值迅速衰減。同樣爆心距下，30 g情況下壓力峰值比15 g時(shí)增加約40%。在波形圖中，第一個(gè)為爆炸入射波，隨后的壁面反射波，后期的突起為水中爆炸產(chǎn)生的氣泡載荷。

圖4　15 g炸藥爆炸時(shí)自由場(chǎng)測(cè)點(diǎn)4的壓力波形

表1　兩種炸藥量爆炸時(shí)水下自由場(chǎng)沖擊波壓力峰值

圖5　30 g炸藥爆炸時(shí)自由場(chǎng)測(cè)點(diǎn)4的壓力波形

3　典型艙室結(jié)構(gòu)所受到的沖擊載荷

表2給出15 g和30 g爆炸時(shí)，7個(gè)艙室壁面測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的艙室所受沖擊波壓力。從中可以發(fā)現(xiàn)，隨爆心距增加，沖擊波峰值和沖量迅速衰減。

圖6—圖8給出了測(cè)點(diǎn)8在兩種炸藥量下的沖擊波壓力曲線，縱軸為壓力/MPa，其中黑色線表示的為15 g，灰色線為30 g。從測(cè)點(diǎn)8的波形圖中可以看到，15 g和30 g時(shí)的爆炸沖擊波幾乎同時(shí)到達(dá)測(cè)點(diǎn)8的傳感器，說明兩種炸藥量爆炸沖擊波在水中的傳播速度是一致的。波形圖的尾段有突起，為氣泡載荷，15 g炸藥量的氣泡脈動(dòng)為67 ms，峰值約為1.56 MPa，30 g炸藥量時(shí)氣泡脈動(dòng)為80 ms，峰值約為8.55 MPa。這說明炸藥量越大，氣泡脈動(dòng)越長，脈動(dòng)載荷越大。30 g炸藥量時(shí)氣泡脈動(dòng)峰值非常高，可能是由于測(cè)點(diǎn)8已經(jīng)進(jìn)入氣泡空氣域或者射流引起的。

圖　6兩種炸藥量下壁面測(cè)點(diǎn)8所受壓力

表2　不同炸藥量爆炸時(shí)艙室壁面所受沖擊波壓力

圖7　兩種炸藥量下壁面測(cè)點(diǎn)8所受的前端沖擊波波形

圖8　兩種炸藥量下壁面測(cè)點(diǎn)8所受的氣泡載荷

圖9給出了15 g、30 g炸藥量時(shí)壁面所受壓力峰值和自由場(chǎng)所測(cè)沖擊波峰值之間的比較。在距爆心較近處，入射波峰值為10 MPa左右，此時(shí)壁面所受壓力峰值為入射波的4倍左右。在距爆心較遠(yuǎn)處，入射波峰值為5 MPa左右，此時(shí)壁面所受壓力峰值為入射波的2倍左右?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著入射波峰值的降低，壁面所受壓力峰值和入射波峰值之比逐漸下降，從初始的4倍下降到后期的2倍。在一定的范圍內(nèi)，入射波越大，壁面的反射系數(shù)越大。

圖9　不同炸藥量下壓力峰值對(duì)比

4　典型艙室結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

表3給出了兩種炸藥量下艙室壁面所測(cè)加速度曲線的峰值，圖10和圖11給出了測(cè)點(diǎn)12的加速度曲線。從中可以發(fā)現(xiàn)，同樣爆心距處，30 g藥量時(shí)壁面的加速度峰值略大。但在爆心正上方的測(cè)點(diǎn)15處，此處為艙室地面中心，30 g炸藥量時(shí)的艙壁加速度反而比15 g炸藥量時(shí)小。這是由于15 g炸藥量時(shí)艙室沒有塑性變形，30 g炸藥量時(shí)艙室在中垂面上出現(xiàn)永久變形，兩端向上翹起，形成“V”形，中心處的變形對(duì)沖擊能量有一個(gè)消耗，導(dǎo)致沖擊加速度的減小，如圖12。

表3　不同炸藥量爆炸時(shí)艙室壁面的加速度峰值

圖10　15 g炸藥量下測(cè)點(diǎn)12的加速度曲線

圖11　30 g炸藥量下測(cè)點(diǎn)12的加速度曲線

圖12 30 g 炸藥量爆炸沖擊后艙室的變形

5結(jié)　語

（1）15 g和30 g兩種炸藥量爆炸產(chǎn)生沖擊波在水中的傳播速度是一致的；

（2）與15 g炸藥的氣泡脈動(dòng)周期相比，30 g炸藥量產(chǎn)生的氣泡脈動(dòng)周期較長；

（3）隨著入射波峰值的降低，壁面所受壓力峰值和入射波峰值的比值逐漸減小。在一定的范圍內(nèi)，入射波越大，壁面的反射系數(shù)越大。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號(hào)：O381；O383

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.013

文章編號(hào)：1006-1355(2016)01-0061-04

收稿日期：2015-06-10

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（11372143）

作者簡介：翟紅波（1987-），男，河南商丘人，博士，助理研究員，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和毀傷評(píng)估技術(shù)。E-mail:zhaihb@mail.nwpu.edu.cn

Structural Dynamic Response Characteristics of Typical Cabinsin Underwater Explosion

ZHAI Hong-bo,LI Zhi-rong,ZHANG Yu-lei,SU Jian-jun,JI Jian-rong

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute,Xi’an 710065,China)

Abstract:The output characteristic of the explosion load and the dynamic response characteristic of a cabin in underwater explosion were studied.With the typical cabin of some ships as the object,the testing apparatus and layout of the underwater explosion test points were determined.The free field pressure and the cabin’s wall pressure in the underwater explosion were measured,and the response characteristics of the cabin wall and the cabin structure to the explosion loads were analyzed.The influence of the explosive charge’s mass and the distance to explosive center on the structural dynamic responses of the cabin was discussed.This study is valuable for the damage assessment of the ship targets in missile attack.

Key words:vibration and wave;underwater explosion;ship;cabin;dynamic response