水下爆炸作用下圓柱殼周圍壓力場分布

邵宗戰(zhàn)

(91439部隊(duì)，遼寧 大連 116041)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

水下爆炸作用下圓柱殼周圍壓力場分布

邵宗戰(zhàn)

(91439部隊(duì)，遼寧 大連 116041)

為研究水下爆炸對(duì)魚雷、水雷等水下目標(biāo)的破壞機(jī)理開展了一次水下爆炸試驗(yàn)，采用長2.2 m、直徑0.53 m的圓柱殼結(jié)構(gòu)作為目標(biāo)，采用1 kg標(biāo)準(zhǔn)TNT球形裝藥作為爆源在水平距離5.5 m處爆炸，測量了圓柱殼正面、背面和側(cè)面的壓力場，得到了沖擊波時(shí)程曲線，測量及分析結(jié)果表明：正面和側(cè)面由于反射波的影響均會(huì)發(fā)生截?cái)嘈?yīng)，背面由于前驅(qū)波影響前段上升緩慢，當(dāng)沖擊波到達(dá)時(shí)迅速上升，之后以指數(shù)形式衰減，圓柱殼結(jié)構(gòu)正面的沖擊波沖量最大，側(cè)面次之，背面最小，對(duì)于結(jié)構(gòu)側(cè)面的破壞作用最小。

水下爆炸；圓柱殼；壓力場

圓柱殼結(jié)構(gòu)是水中兵器(如魚雷、部分水雷、探雷具等)常見結(jié)構(gòu)形式，這些裝備在戰(zhàn)時(shí)不可避免受到水下爆炸沖擊作用，對(duì)于小目標(biāo)來說水下爆炸作用主要體現(xiàn)在沖擊波的作用，氣泡脈動(dòng)對(duì)其破壞很小，因此研究水下爆炸沖擊波對(duì)圓柱殼結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理是研究其戰(zhàn)時(shí)生命力的重要基礎(chǔ)，在復(fù)雜邊界條件下水下爆炸沖擊波也比較復(fù)雜，有殼體反射作用形成的反射波、沖擊波作用在殼體以后在殼體內(nèi)部形成的應(yīng)力波等。沖擊度的作用又在殼體周圍形成復(fù)雜的壓力場，壓力場直接決定了殼體的破壞形式，因此研究圓柱殼結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下周圍的壓力場對(duì)于進(jìn)一步分析圓柱殼結(jié)構(gòu)的破壞情況非常重要。國內(nèi)外對(duì)于水下爆炸的現(xiàn)象及能量輸出結(jié)構(gòu)等開展過大量的研究[1-4],對(duì)于水下爆炸作用下船體結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)方面的研究也較充分[5-6]，對(duì)于圓柱殼在水下爆炸作用下的沖擊響應(yīng)，姚熊亮等[7]開展了加肋雙層圓柱殼沖擊響應(yīng)的仿真研究，余曉菲等[8]計(jì)算了加筋圓柱殼對(duì)水下爆炸沖擊波的響應(yīng)并比較分析了不同尺寸參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響，袁建紅等[9]研究了水下爆炸載荷作用下加筋圓柱殼結(jié)構(gòu)彈塑性動(dòng)力響應(yīng)。這些研究成果多以仿真為主，對(duì)于圓柱殼結(jié)構(gòu)周圍壓力場的分布形式研究開展得很少，由于壓力場的分布受多種邊界條件影響而異常復(fù)雜，同樣的爆源爆炸時(shí)在不同的結(jié)構(gòu)物周圍形成的壓力場會(huì)有很大不同，因此對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)形式要根據(jù)其特點(diǎn)開展研究，分析其壓力場分布情況。

1 圓柱殼體

試驗(yàn)用圓柱殼結(jié)構(gòu)采用921鋼焊接而成，長2.2 m、直徑0.53 m、板厚7 mm，內(nèi)部采用環(huán)形加強(qiáng)筋加固，加強(qiáng)筋間距200 mm，采用T形截面環(huán)。為便于內(nèi)部加強(qiáng)筋焊接及應(yīng)變片粘貼，整個(gè)殼體由四段焊接而成，每段長0.55 m，段內(nèi)焊接兩條加強(qiáng)筋，間距0.25 m，圓柱殼體端面有一開孔便于測量電纜從殼體內(nèi)引出,電纜引出后用膠泥將通孔封住，防止進(jìn)水,圓柱殼體縱剖面圖如圖1。

圖1 圓柱殼體縱剖面圖

2 實(shí)驗(yàn)過程

在圓柱殼中心采用卡箍固定3個(gè)傳感器支架，每個(gè)支架上安裝一枚壓力傳感器，傳感器距離殼體表面0.1 m，在殼體內(nèi)部對(duì)應(yīng)位置粘貼3個(gè)應(yīng)變片用于測量結(jié)構(gòu)變形量，爆源中心與圓柱殼幾何中心距離5 m且在同一水平面上，整個(gè)結(jié)構(gòu)布于水下15 m。實(shí)驗(yàn)爆源采用1 kg標(biāo)準(zhǔn)TNT球形裝藥，采用電雷管+擴(kuò)爆藥柱起爆。傳感器及爆源布設(shè)圖如圖2。

圖2 傳感器及爆源布設(shè)圖

實(shí)驗(yàn)在水庫進(jìn)行，水深約30 m，爆源布放位置距岸80 m，爆源及圓柱殼體入水深度為6 m，實(shí)驗(yàn)水域?yàn)殚_闊水域，可以忽略邊界反射的影響。水下爆炸理論氣泡半徑按式(1)估算[10]:

(1)

式(1)中：W為裝藥量；H1為爆源入水深度(m)。將W=1，H1=6代入式(1)得Rb=1.35 m。由于圓柱殼體與爆源的距離遠(yuǎn)大于氣泡半徑且位于爆源側(cè)面，氣泡產(chǎn)生后由于水壓作用向上遷移運(yùn)動(dòng)，氣泡脈動(dòng)壓力峰值遠(yuǎn)小于沖擊波，可忽略氣泡脈動(dòng)對(duì)殼體的破壞作用。

實(shí)驗(yàn)時(shí)首先將圓柱殼體布放入水，圓柱殼體下面加配重使其具有負(fù)浮力，圓柱殼通過繩子與水面的浮標(biāo)相連，其懸浮在水中。距離殼體5.5 m處吊放爆源入水，起爆纜附在保護(hù)繩上拉至岸邊，起爆器置于岸上，數(shù)據(jù)采集儀置于距離雷體20 m的小船上，傳感器的信號(hào)傳輸電纜通過浮標(biāo)拉至小船上與采集設(shè)備連接。采集設(shè)備采用NI PXI數(shù)據(jù)采集儀，PCB138系列傳感器，采樣率為1 M/s，采用BF120型單向應(yīng)變片，粘貼方向?yàn)闄M向，采樣率為10 K/s,實(shí)驗(yàn)實(shí)施態(tài)勢如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)實(shí)施態(tài)勢圖

3 壓力場分析

由于在圓柱形結(jié)構(gòu)周圍壓力場較為復(fù)雜，有直達(dá)波、反射波、繞射波等相互疊加，還有沖擊波經(jīng)過結(jié)構(gòu)物以后形成的前驅(qū)波[11]。對(duì)于正面沖擊主要是直達(dá)波和反射波的綜合作用，波形相對(duì)簡單，如P1和P2測點(diǎn)由于沖擊波可以直接到達(dá)，所以上升沿比較陡峭，但是當(dāng)反射波到來時(shí)迅速將沖擊波切斷造成明顯的截?cái)嘈?yīng)。但背爆面的測點(diǎn)由于沖擊波不能直接到達(dá)波形較為復(fù)雜，前段表現(xiàn)為緩慢上升階段，這是由于沖擊波首先到達(dá)圓柱殼體迎爆面，之后在結(jié)構(gòu)中以遠(yuǎn)大于聲速的速度傳播形成前驅(qū)波，前驅(qū)波到達(dá)背爆面后又進(jìn)入水中，這時(shí)強(qiáng)度已大大削弱。當(dāng)沖擊波經(jīng)過殼體繞射到達(dá)背爆面時(shí)與前驅(qū)波疊加，這時(shí)表現(xiàn)為壓力迅速上升，達(dá)到峰值之后以指數(shù)形式衰減，各測點(diǎn)壓力時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4 各測點(diǎn)壓力時(shí)程曲線

從表1可以看出各個(gè)測點(diǎn)的沖擊波壓力峰值相當(dāng)。壓力峰值只代表沖擊波到達(dá)時(shí)刻的瞬時(shí)壓力，它主要取決于爆源的藥量以及傳感器與爆源的距離。瞬時(shí)壓力的大小并不是造成結(jié)構(gòu)破壞的主要因素，還有一個(gè)更重要的參量就是時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)是指沖擊波從峰值衰減到峰值的1/e所需的時(shí)間，它表示沖擊波的持續(xù)時(shí)間，從3個(gè)測點(diǎn)所測得的時(shí)間常數(shù)來看，P1測點(diǎn)(即正對(duì)爆源的測點(diǎn))時(shí)間常數(shù)最大，P2測點(diǎn)(即側(cè)對(duì)爆源的測點(diǎn))次之，P3測點(diǎn)(即背對(duì)爆源的測點(diǎn))時(shí)間常數(shù)最小。通過對(duì)沖擊波時(shí)域曲線的數(shù)值積分得到?jīng)_擊波的沖量，沖量的大小是決定沖擊對(duì)結(jié)構(gòu)物破壞程度的重要參量。由于壓電式傳感器受環(huán)境影響通常會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。零點(diǎn)漂移可描述為：輸入電壓為零，輸出電壓偏離零值的變化，它又被簡稱為零漂，用帶有零漂的信號(hào)直接計(jì)算沖量會(huì)帶來很大的計(jì)算誤差甚至得出完全錯(cuò)誤的結(jié)論，必須對(duì)其進(jìn)行修正。零漂很難在源頭上消除，只能通過后處理的方法修正，對(duì)于簡單的零漂(即零漂大小基本不隨時(shí)間變化)可以采用式(2)修正，對(duì)于復(fù)雜零漂可以采用多項(xiàng)式最小二乘法或滑動(dòng)平均法修正[12]。修正后的信號(hào)按式(3)進(jìn)行積分運(yùn)算，積分時(shí)間一般取5～6.7倍時(shí)間常數(shù)。這里取6.7倍時(shí)間常數(shù)進(jìn)行積分計(jì)算，從沖量計(jì)算結(jié)果來看也是正面最大，背面最小。

(2)

(3)

在自由場狀態(tài)下(即傳感器周圍包圍海水，附近沒有其他物體反射沖擊波)沖量的大小約等于壓力峰值與時(shí)間常數(shù)的乘積。本次實(shí)驗(yàn)中由于圓柱殼體影響壓力場分布，計(jì)算結(jié)果與自由場狀態(tài)下的理論值偏差較大。

表1 各測點(diǎn)測量參數(shù)

沖量是壓力場持續(xù)作用在目標(biāo)物上壓力的時(shí)間累積量，但是由于本次實(shí)驗(yàn)主要目的是掌握?qǐng)A柱殼周圍的壓力場分布，爆源與目標(biāo)距離較遠(yuǎn)，沖擊波不足以使目標(biāo)產(chǎn)生塑性變形，但是從測量得到的彈性變形量(圖5)看，正面變形較大，背面變形次之，側(cè)面也有變形。主要是正面變形凹陷鋼板運(yùn)動(dòng)引起，并非沖擊波直接作用引起，這一點(diǎn)值得關(guān)注。對(duì)于側(cè)面并未遭到?jīng)_擊波正面沖擊，而是側(cè)面掠過，并未對(duì)殼體造成直接沖擊，雖然從測量結(jié)果看側(cè)面沖量也較大，但是破壞作用卻是最小。

圖5 各測點(diǎn)應(yīng)變時(shí)程曲線

從能量角度講，在開闊水域水下爆炸所釋放的能量是均勻向四周擴(kuò)散的，但是當(dāng)沖擊波遇到遮擋或邊界時(shí)會(huì)表現(xiàn)出不均勻性，掌握?qǐng)A柱殼在水下爆炸作用下的壓力場分布，對(duì)于進(jìn)一步分析能量擴(kuò)散情況，在自由場狀態(tài)沖擊波能與氣泡能相當(dāng)。對(duì)于小目標(biāo)，氣泡脈動(dòng)的作用很小，沖擊波沖量是造成結(jié)構(gòu)破壞的主要原因，同時(shí)又與沖擊波的作用方向密切相關(guān)。這里只是以圓柱殼結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試及分析，對(duì)于其他結(jié)構(gòu)形式需根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行仿真分析或試驗(yàn)研究。

4 結(jié)論

水下爆炸沖擊波到達(dá)圓柱殼結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象并在結(jié)構(gòu)中形成前驅(qū)波，前驅(qū)波到達(dá)邊界后會(huì)再次進(jìn)入水中與沖擊波疊加，形成復(fù)雜的疊加效應(yīng)。當(dāng)入射沖擊波與反射沖擊波疊加時(shí)會(huì)產(chǎn)生截?cái)嘈?yīng)，對(duì)于剛性邊界這種效應(yīng)異常明顯，沖擊波會(huì)被突然截?cái)?。水下爆炸?duì)小目標(biāo)破壞效應(yīng)主要取決于沖擊波，沖擊波的時(shí)間衰減常數(shù)和沖量是影響結(jié)構(gòu)破壞程度的主要因素，對(duì)于圓柱殼結(jié)構(gòu)其迎爆面沖量大于側(cè)面，側(cè)面大于背爆面，但對(duì)側(cè)面的破壞作用不明顯。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Pressure Field Distribution Around Cylindrical Shell Subjected to Underwater Explosion

SHAO Zong-zhan

(The No. 91439thTroop of PLA, DaLian 116041, China)

To study the damage mechanism of torpedo and mine, underwater target explosion test was carried out, and taking a cylindrical shell, with length of 2.2 m and diameter of 0.53 m as the target and using 1 kg TNT as the standard spherical charge explosion sources in horizontal distance 5.5 m, we measured the pressure field of cylindrical shell front on the back side and obtained shock wave curve. The results show that the front and side effects due to reflection occurs due to the truncation effect, and the back segment precursor effect rises slowly, and when the shock wave arrived after the rapidly rising exponentially, cylindrical shell positive shock wave reaches the maximum impulse, and the side and back is the smallest, and the destructive effect on the side is the minimum to structure.

underwater explosion; cylindrical shell; pressure field

2016-10-27；

2016-12-15 作者簡介：邵宗戰(zhàn)(1972—)，男，高級(jí)工程師，主要從事水中兵器試驗(yàn)總體技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.03.009

邵宗戰(zhàn).水下爆炸作用下圓柱殼周圍壓力場分布[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(3):38-41.

format:SHAO Zong-zhan.Pressure Field Distribution Around Cylindrical Shell Subjected to Underwater Explosion[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):38-41.

TN919.3;O382

A

2096-2304(2017)03-0038-04