攝像防護(hù)結(jié)構(gòu)抗水下爆炸沖擊響應(yīng)試驗(yàn)研究

張姝紅，周慶飛，金　輝

（91439部隊(duì)，遼寧 大連 116041）

攝像防護(hù)結(jié)構(gòu)抗水下爆炸沖擊響應(yīng)試驗(yàn)研究

張姝紅，周慶飛，金輝

（91439部隊(duì)，遼寧 大連 116041）

為驗(yàn)證高速攝像機(jī)抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的合理性，在爆炸罐內(nèi)實(shí)施防護(hù)結(jié)構(gòu)縮比模型驗(yàn)證試驗(yàn)，利用水下爆炸電測(cè)系統(tǒng)測(cè)量水中爆炸壓力載荷峰值，通過布設(shè)在爆炸罐外觀測(cè)窗口的高速攝像機(jī)拍攝防護(hù)結(jié)構(gòu)在水中爆炸作用下的運(yùn)動(dòng)圖像，并對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像處理得到防護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移和垂向位移。試驗(yàn)結(jié)果表明：防護(hù)結(jié)構(gòu)在水下爆炸沖擊波及氣泡脈動(dòng)流場(chǎng)作用下穩(wěn)定性較好，結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生塑性變形，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)合理性，滿足60kg TNT當(dāng)量裝藥在0.5沖擊因子、沖擊波峰值壓力11.48MPa作用下的水下爆炸工程研究需要。

水下爆炸沖擊波；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和強(qiáng)度；模型試驗(yàn)；高速攝像

0　引　言

高速攝像是水下爆炸試驗(yàn)測(cè)量的重要手段之一，可用于裝藥水下爆炸現(xiàn)象及目標(biāo)結(jié)構(gòu)毀傷效果的圖像拍攝［1-3］。高速攝像機(jī)安裝在留有觀測(cè)窗口的抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)，布放到開闊水域中，可以拍攝中小當(dāng)量裝藥的水下爆炸現(xiàn)象［4-7］。澳大利亞已建有一套水下爆炸試驗(yàn)高速攝像系統(tǒng)，可布放到水中拍攝8kg TNT當(dāng)量裝藥的水中爆炸圖像［8-9］。由于防護(hù)結(jié)構(gòu)在水下爆炸沖擊波及氣泡脈動(dòng)流場(chǎng)作用下將產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生塑性變形，因此需要對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性和強(qiáng)度設(shè)計(jì)。通過線型設(shè)計(jì)使防護(hù)結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下具有良好的穩(wěn)定性，防護(hù)結(jié)構(gòu)可以為高速攝像機(jī)在水下爆炸圖像拍攝時(shí)提供穩(wěn)定的承載平臺(tái)；通過強(qiáng)度設(shè)計(jì)使防護(hù)結(jié)構(gòu)在水下爆炸強(qiáng)沖擊作用下不產(chǎn)生塑性變形，可以保證高速攝像機(jī)安全。對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)抗水下爆炸的穩(wěn)定性和強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在爆炸罐內(nèi)實(shí)施了防護(hù)結(jié)構(gòu)縮比模型試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)線型設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度設(shè)計(jì)的合理性。

1　防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

攝像機(jī)水下抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需綜合考核外形尺寸、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、攝像機(jī)尺寸、攝像機(jī)抗沖擊能力、減振防護(hù)設(shè)計(jì)、鏡頭視角、結(jié)構(gòu)內(nèi)部輔助配套電路安裝和各種線纜走線等空間要求，既要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，又要求結(jié)構(gòu)內(nèi)部有足夠的承載空間。

采用流體力學(xué)理論設(shè)計(jì)攝像機(jī)防護(hù)結(jié)構(gòu)外部線型，防護(hù)結(jié)構(gòu)的線型和尺寸設(shè)計(jì)如圖1所示，中間主體部分為圓柱型殼體，采用0.14m厚907不銹鋼；前端為攝像機(jī)視窗，采用0.25m厚的防彈玻璃；視窗與圓柱殼體連接處為弧線形，尾部為錐形，利于流體導(dǎo)流；圓柱殼體與尾錐之間為后端蓋，用于電纜穿艙、減振器安裝、攝像機(jī)支架固定及結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)備防護(hù)等。

圖1　防護(hù)結(jié)構(gòu)外部線型

用于水下爆炸圖像拍攝時(shí)，高速攝像機(jī)安裝在防護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)，防護(hù)結(jié)構(gòu)與爆源布放在水下同一深度，在爆炸沖擊波和氣泡脈動(dòng)流場(chǎng)作用下，防護(hù)結(jié)構(gòu)主要產(chǎn)生水平方向的運(yùn)動(dòng)。爆炸理論分析和仿真計(jì)算結(jié)果顯示：爆源當(dāng)量為60kg TNT、防護(hù)結(jié)構(gòu)前端位置處沖擊因子為0.5、沖擊波峰值壓力為11.48 MPa時(shí)，爆炸氣泡脈動(dòng)流場(chǎng)的流速為1 m/s，在一個(gè)氣泡脈動(dòng)周期內(nèi)水平方向產(chǎn)生的位移＜0.05m，防護(hù)結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生塑性變形，基本不影響高速攝像機(jī)拍攝效果且保證攝像機(jī)的安全［10］。

2　驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)工況

為驗(yàn)證防護(hù)結(jié)構(gòu)外部線型在水下爆炸沖擊波和氣泡脈動(dòng)作用下的穩(wěn)定性，同時(shí)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)合理性，根據(jù)幾何相似原理進(jìn)行了縮比模型驗(yàn)證試驗(yàn)，為保證驗(yàn)證效果，縮比模型控制在1∶5范圍內(nèi)［11］。高速攝像機(jī)防護(hù)結(jié)構(gòu)的縮比模型設(shè)計(jì)與原結(jié)構(gòu)尺寸比例為1∶3，內(nèi)部安裝高速攝像機(jī)縮比質(zhì)量塊。防護(hù)結(jié)構(gòu)縮比模型實(shí)物如圖2所示。

圖2　防護(hù)結(jié)構(gòu)縮比模型實(shí)物

試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室爆炸罐內(nèi)進(jìn)行，爆源為0.2kg TNT標(biāo)準(zhǔn)藥球，入水深度2.475 m，爆炸沖擊因子（SF）分別為0.2和0.4，對(duì)應(yīng)的爆距（D）、理論峰值壓力和流場(chǎng)流速如表1所示。根據(jù)流體力學(xué)理論，水中結(jié)構(gòu)體發(fā)生振動(dòng)主要受流體流速影響［12］?？梢钥吹皆?#試驗(yàn)中，水中爆炸氣泡脈動(dòng)產(chǎn)生的流場(chǎng)速度為1.24 m/s、沖擊波峰值壓力為11.55 MPa，略大于60 kg TNT、0.5沖擊因子試驗(yàn)工況下的1m/s氣泡脈動(dòng)流場(chǎng)速度和11.48MPa的沖擊波峰值壓力；在2#試驗(yàn)中，氣泡脈動(dòng)產(chǎn)生的流場(chǎng)速度為4.94m/s，峰值壓力為25.14 MPa，遠(yuǎn)大于60kg TNT、0.5沖擊因子試驗(yàn)工況下的氣泡脈動(dòng)流場(chǎng)速度和峰值壓力，該工況試驗(yàn)主要用于對(duì)比驗(yàn)證在爆炸作用下的運(yùn)動(dòng)情況和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的對(duì)比驗(yàn)證；理論分析和仿真計(jì)算顯示防護(hù)結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊作用下產(chǎn)生的位移主要由氣泡脈動(dòng)引起的流場(chǎng)變化作用結(jié)果，同時(shí)根據(jù)水下爆炸試驗(yàn)沖擊波峰值壓力等效原則，1#試驗(yàn)可以驗(yàn)證60kg TNT、0.5沖擊因子、峰值壓力11.48MPa條件下的防護(hù)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和毀傷情況。

表1　試驗(yàn)工況對(duì)應(yīng)參數(shù)

2.2試驗(yàn)布設(shè)

防護(hù)結(jié)構(gòu)縮比模型和藥球通過橫桿懸浮布放到爆炸罐內(nèi)，罐內(nèi)注滿水；爆炸罐留有多個(gè)觀測(cè)窗口，在爆炸罐外部的觀測(cè)窗口布設(shè)高速攝像機(jī)，記錄爆炸過程中防護(hù)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖像；防護(hù)結(jié)構(gòu)前端布設(shè)一個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，對(duì)水下爆炸自由場(chǎng)壓力進(jìn)行測(cè)量，并監(jiān)測(cè)藥球是否完全爆轟，試驗(yàn)布設(shè)如圖3所示。

圖3　模型試驗(yàn)布設(shè)示意圖

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

兩次試驗(yàn)均獲得了自由場(chǎng)壓力和防護(hù)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況的圖像數(shù)據(jù)。

3.1自由場(chǎng)壓力測(cè)量結(jié)果分析

根據(jù)自由場(chǎng)壓力測(cè)量結(jié)果判斷，兩次試驗(yàn)藥球均完全爆轟。圖4為1#試驗(yàn)自由場(chǎng)壓力測(cè)量結(jié)果曲線，壓力測(cè)點(diǎn)到藥包距離為1.8m，測(cè)量曲線中第1個(gè)峰值為爆炸沖擊波峰值壓力，第2個(gè)峰值為爆炸罐壁反射匯聚產(chǎn)生的壓力，反射壓力大于爆炸沖擊波峰值壓力，產(chǎn)生的氣泡脈動(dòng)周期與理論值相符。

圖4　1#自由場(chǎng)壓力測(cè)量曲線

在沖擊因子為0.2和0.4兩個(gè)工況下，防護(hù)結(jié)構(gòu)均未產(chǎn)生塑性變形，外觀完好。

3.2防護(hù)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)測(cè)量結(jié)果與分析

通過布設(shè)在爆炸罐外的高速攝像機(jī)拍攝得到防護(hù)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖像，經(jīng)過處理得到結(jié)構(gòu)在縱向（水平方向）和垂直方向產(chǎn)生的位移。比較兩個(gè)工況試驗(yàn)中高速攝像機(jī)拍攝的圖像數(shù)據(jù)可以看出：防護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移隨爆距的拉近而增大，產(chǎn)生的位移以縱向?yàn)橹?，垂向產(chǎn)生較小的位移。由壓力測(cè)量結(jié)果可知，爆炸時(shí)爆炸罐內(nèi)存在嚴(yán)重且復(fù)雜的反射現(xiàn)象，導(dǎo)致防護(hù)結(jié)構(gòu)位移測(cè)量結(jié)果存在一定的誤差，但總體趨勢(shì)符合仿真計(jì)算時(shí)的預(yù)估運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：防護(hù)結(jié)構(gòu)縱向的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是在爆炸沖擊波和氣泡脈動(dòng)作用下做先正向后反向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這主要是由于模型在入射沖擊波載荷作用下作正向運(yùn)動(dòng)，而后運(yùn)動(dòng)的模型在流體阻尼和反射匯聚沖擊波的作用下運(yùn)動(dòng)變緩直至運(yùn)動(dòng)方向反向；垂向的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是圍繞零線的上下做周期運(yùn)動(dòng)（周期約為400 ms），這主要是試驗(yàn)過程中水下爆炸激起的爆炸罐整體運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致。表2為兩個(gè)工況條件下由爆炸圖像處理得到的結(jié)果。

表2　爆炸圖像處理結(jié)果

圖5為沖擊因子為0.2的1#試驗(yàn)中防護(hù)結(jié)構(gòu)水平方向運(yùn)動(dòng)位移曲線，爆炸流場(chǎng)速度為1.24m/s，爆炸圖像處理結(jié)果顯示防護(hù)結(jié)構(gòu)在該工況下產(chǎn)生的最大水平位移約為0.12 m，產(chǎn)生最大位移時(shí)刻為爆炸后的1 s時(shí)刻，在二次氣泡脈動(dòng)周期時(shí)產(chǎn)生的位移＜0.02m（0.2 kg TNT裝藥、布深2.475m時(shí)的氣泡脈動(dòng)周期理論值約為0.147s）；圖6為沖擊因子為0.4的2#試驗(yàn)中防護(hù)結(jié)構(gòu)水平方向運(yùn)動(dòng)位移曲線，爆炸圖像處理結(jié)果顯示防護(hù)結(jié)構(gòu)在該工況下產(chǎn)生的最大水平位移為0.14m，產(chǎn)生最大位移時(shí)刻為爆炸后的1s時(shí)刻，在二次氣泡脈動(dòng)周期時(shí)的位置產(chǎn)生的位移＜0.04m；圖7和圖8分別為1#試驗(yàn)和2#試驗(yàn)中防護(hù)結(jié)構(gòu)垂直方向運(yùn)動(dòng)位移曲線，在2個(gè)工況下防護(hù)結(jié)構(gòu)垂直方向產(chǎn)生的位移較小，主要是爆炸罐在爆炸后的整體運(yùn)動(dòng)所引起。

圖5　1#試驗(yàn)防護(hù)結(jié)構(gòu)縱向位移時(shí)間曲線

圖6　2#試驗(yàn)防護(hù)結(jié)構(gòu)縱向位移時(shí)間曲線

圖7　1#試驗(yàn)防護(hù)結(jié)構(gòu)垂向位移時(shí)間曲線

圖8　2#試驗(yàn)防護(hù)結(jié)構(gòu)垂向位移時(shí)間曲線

4　結(jié)束語(yǔ)

通過防護(hù)結(jié)構(gòu)縮比模型試驗(yàn)，驗(yàn)證防護(hù)結(jié)構(gòu)外部線型和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的合理性。試驗(yàn)主要得到如下結(jié)論：

1）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足60kg TNT、0.5沖擊因子、峰值壓力11.48MPa水中爆炸作用下的攝像機(jī)安全防護(hù)使用要求。

2）爆炸流場(chǎng)速度為1.24 m/s時(shí)，防護(hù)結(jié)構(gòu)在二次氣泡脈動(dòng)周期內(nèi)產(chǎn)生的縱向位移不到0.05 m，防護(hù)結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊波和氣泡脈動(dòng)作用下穩(wěn)定性較好，滿足60kg TNT、0.5沖擊因子和1 m/s爆炸流場(chǎng)速度下攝像機(jī)拍攝圖像的穩(wěn)定性使用要求，能為高速攝像機(jī)水下爆炸圖像拍攝提供穩(wěn)定的承載平臺(tái)。

［1］榮吉利，李健，楊榮杰，等.水下爆炸氣泡脈動(dòng)的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（12）：1035-1038.

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（編輯：徐柳）

Experimental study on dynamic behavior of camera protecting structures in underwater explosion

ZHANG Shuhong，ZHOU Qingfei，JIN Hui
（Unit 91439，Dalian 116041，China）

To prove the stability and strength of high-speed camera protecting structures，the following tests were carried out：place a reduced scale model for protecting structure into an explosion tank，measure the peak value of explosive pressure load of underwater explosion with an electricalmeasurementsystem，shootthemotionimageofthemodelundertheactionof underwater explosion by a high-speed camera on the observation window outside the explosion tank，and process the motion image taken to get the horizontal and vertical displacement values of the model.The experimental results indicate that the protecting structure is steady and no plastic deformation is caused by underwater explosion shock waves and bubble impulses.The protecting structure is strong and stable enough to meet the need for underwater engineering research of 60kg TNT with shock factor of 0.5 and peak pressure 11.48MPa.

underwater explosion shock wave；structural stability and strength；model test；highspeed photography

A

1674-5124（2016）05-0089-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.05.019

2015-11-05；

2015-12-14

張姝紅（1971-），女，遼寧遼中縣人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水下爆炸試驗(yàn)技術(shù)。