水下接觸爆炸下防雷艙舷側(cè)空艙的內(nèi)壓載荷特性＊

吳林杰，侯海量，朱 錫，陳鵬宇，田萬(wàn)平

（1．海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢430033；2．海軍工程大學(xué)訓(xùn)練部，湖北武漢430033）

水下接觸爆炸下防雷艙舷側(cè)空艙的內(nèi)壓載荷特性＊

吳林杰1，侯海量1，朱 錫1，陳鵬宇1，田萬(wàn)平2

（1．海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢430033；2．海軍工程大學(xué)訓(xùn)練部，湖北武漢430033）

采用模型實(shí)驗(yàn)方法，研究了近自由面水下接觸爆炸下防雷艙舷側(cè)空艙的內(nèi)壓載荷特性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠茐慕Y(jié)果和壓力測(cè)試結(jié)果，分析了水下爆炸產(chǎn)物與防雷艙舷側(cè)空艙的相互作用過(guò)程以及水下爆炸產(chǎn)物的壓力變化規(guī)律。研究表明：防雷艙舷側(cè)空艙的載荷可分為沖擊波載荷、準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷和負(fù)壓載荷3種，防雷艙舷側(cè)空艙的破壞主要由沖擊波載荷和準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷造成，并且準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷的比沖量是沖擊波載荷的數(shù)倍，而負(fù)壓載荷對(duì)防雷艙舷側(cè)空艙破壞的影響可忽略不計(jì)。

水下爆炸；舷側(cè)空艙；防護(hù)結(jié)構(gòu)；載荷特性

［9］，結(jié)合實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地（爆炸筒）條件，按照12．5∶1的縮比，設(shè)計(jì)如圖1所示的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停浣M成構(gòu)件從左至右依次為：固定壓條、外板、密封圈、舷側(cè)空艙框架、密封圈、液艙前板、密封圈、液艙框架、密封圈、液艙后板、密封圈、水密艙框架、密封圈、封閉蓋板。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎肣235鋼制作。固定壓條、空艙框架（包括舷側(cè)空艙框架和水密艙框架）、液艙框架和封閉蓋板的尺寸如圖2所示。外板、液艙前板和液艙后板長(zhǎng)1 360mm，寬960mm，厚度分別為1．40、0．94和2．68mm。密封圈厚4mm，其正視圖同圖2（a），采用橡膠制作。在空艙框架頂部開(kāi)3個(gè)螺孔（見(jiàn)圖2（b）），用以安裝PCB壓電傳感器，傳感器型號(hào)為102B03，量程為69MPa。安裝傳感器時(shí)，其測(cè)壓端面與空艙框架側(cè)板內(nèi)表面平齊。液艙內(nèi)注入80%的水（見(jiàn)圖2（c））。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig．1 Experimental model

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸ぱb件設(shè)計(jì)圖（單位：mm）Fig．2 Design drawings of experimental model components（unit：mm）

為保證空艙和液艙的水密性，必須擰緊螺栓，從而使密封圈被壓薄，因此空艙和液艙的實(shí)際內(nèi)部空間尺寸約為1 200mm×800mm×126mm。

2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施

由于此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)需要耗費(fèi)較多的人力和物力，故僅進(jìn)行了兩次實(shí)驗(yàn)，即55和110g裝藥（TNT）在水下0．32m深處的外板正中心接觸爆炸。

實(shí)驗(yàn)在直徑為5m的爆炸筒內(nèi)進(jìn)行。預(yù)先在外板、液艙前板和液艙后板上繪制間距為5cm的白色正交網(wǎng)格線，按圖1裝配實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并安裝壓力傳感器；然后，吊起實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將?角用鋼索固定，使外板中心距爆炸筒底約1．68m、距爆炸筒壁約2．50m，同時(shí)將模型頂部調(diào)至水平；接著，通過(guò)液艙框架頂部的注水管向液艙內(nèi)注水，當(dāng)水從液艙框架側(cè)壁小螺孔（見(jiàn)圖2（c）中的側(cè)視圖）流出時(shí)，停止注水，并用螺絲將該螺孔堵住，此時(shí)液艙剛好注入80%的水；將圓柱形TNT裝藥套上氣球（避免藥柱被水浸濕）并固定在外板中心處；隨后，向爆炸筒內(nèi)注水，使水面在外板中心上方約0．32m處，此時(shí)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備完畢，如圖3所示；最后，所有實(shí)驗(yàn)人員撤出爆炸筒，緊閉爆炸筒門，起爆炸藥，并采集壓力測(cè)試數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在僅改變藥量的條件下，先后進(jìn)行了兩次實(shí)驗(yàn)。第1次實(shí)驗(yàn)采用55g藥量，第2次實(shí)驗(yàn)采用110g藥量。

3．1 模型破壞結(jié)果

圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)物Fig．3 Actual experimental model

在55和110g藥量近水面接觸爆炸下，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠茐那闆r分別如圖4、圖5所示，外板、液艙前板和液艙后板的破壞情況分別如圖6、圖7所示，在爆炸筒底、舷側(cè)空艙內(nèi)和液艙內(nèi)搜集到的破片如圖8、圖9所示。

圖4 55g裝藥近水面接觸爆炸下模型的破壞Fig．4 Experimental model damaged by underwater contact explosion of 55g charge

圖5 110g裝藥近水面接觸爆炸下模型的破壞Fig．5 Experimental model damaged by underwater contact explosion of 110g charge

由圖4和圖5可見(jiàn)，在55和110g裝藥近水面接觸爆炸下，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷耐獍搴鸵号撉鞍寰a(chǎn)生了花瓣形大破口，在爆炸筒底均有一個(gè)內(nèi)徑約等于藥柱直徑、外徑約16cm、厚度約0．94mm的圓環(huán)狀大破片，推斷其來(lái)源于液艙前板。

圖6 55g裝藥近水面接觸爆炸下鋼板的破壞Fig．6 Steel plates damaged by underwater contact explosion of 55g charge

觀察圖6和圖7，從整體上看，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷耐獍搴鸵号撉鞍逶谄瓶谝酝獾膮^(qū)域向外凸起，花瓣向里翻轉(zhuǎn)，且花瓣尖端出現(xiàn)反向折彎現(xiàn)象。液艙后板沒(méi)有破口，而是發(fā)生向里的凹陷大變形。液艙后板的中心撓度最大，且其下部的撓度比上部大。在55和110g藥量下液艙后板的最大撓度分別約為26和54mm。

圖7 110g裝藥近水面接觸爆炸下鋼板的破壞Fig．7 Steel plates damaged by underwater contact explosion of 110g charge

圖8 55g裝藥近水面接觸爆炸下形成的破片F(xiàn)ig．8 Fragments formed in underwater contact explosion of 55g charge

圖9 110g裝藥近水面接觸爆炸下形成的破片F(xiàn)ig．9 Fragments formed in underwater contact explosion of 110g charge

陳海龍等［12］提出了破口半徑Rb與破損半徑Rd的概念（如圖10所示），用以區(qū)分破口尺寸和破損范圍，本文中沿用這兩個(gè)概念。由圖6可知，在55g藥量下：外板的破口半徑和破損半徑分別約為18．5和29．0cm；液艙前板的破口半徑與破損半徑近似相同，約為28．0cm。由圖7可知，在110g藥量下：外板的破口半徑和破損半徑分別約為22．5和33．5cm；液艙前板的破口半徑和破損半徑也近似相同，約為42．0cm。

對(duì)爆炸筒底、舷側(cè)空艙內(nèi)和液艙內(nèi)搜集的破片質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果列于表1，其中w為裝藥質(zhì)量。

圖10 破口半徑Rb與破損半徑Rd的概念Fig．10 Concept of damaged radius Rband crevasse radius Rd

表1 破片質(zhì)量Table 1 Mass of fragments

3．2 壓力測(cè)試結(jié)果

采用DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)采集壓力信號(hào)，采樣率為1MHz。實(shí)驗(yàn)后3＃傳感器被破片擊中而損壞，只有1＃和2＃傳感器測(cè)得壓力數(shù)據(jù)。圖11和圖12分別顯示了55和110g藥量下1＃和2＃傳感器所測(cè)壓力曲線。

圖11 55g裝藥近水面接觸爆炸下兩個(gè)傳感器測(cè)得的壓力曲線Fig．11 Pressure curves measured by two sensors in underwater contact explosion of 55g charge

圖12 110g裝藥近水面接觸爆炸下兩個(gè)傳感器測(cè)得的壓力曲線Fig．12 Pressure curves measured by two sensors in underwater contact explosion of 110g charge

4 舷側(cè)空艙的載荷特性

張婧等［7］從仿真和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)水下接觸爆炸下防雷艙結(jié)構(gòu)的破壞進(jìn)行了研究。與張婧等［7］的研究相比，本文中的實(shí)驗(yàn)對(duì)象也是三艙防護(hù)模型，與張婧等實(shí)驗(yàn)的最大區(qū)別在于：他們將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统寥胼^深的水中，以確保炸藥爆炸后在水中產(chǎn)生的超壓不發(fā)生泄漏；而本課題組將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男〔糠致冻鏊?，炸藥爆炸后在水中產(chǎn)生的超壓將在自由水面發(fā)生泄漏，從而考慮了自由水面對(duì)水下爆炸氣泡與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠绊?。從工程角度上看，本?shí)驗(yàn)工況更符合水面艦船遭受魚(yú)雷攻擊的實(shí)際情況。

在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)55或110g裝藥在水下0．32m處爆炸時(shí)，其裝藥比例沉深h／w1／3（h為裝藥在水下的深度，單位m；w為裝藥質(zhì)量，單位kg）均小于1，由裝藥比例沉深與氣泡脈動(dòng)次數(shù)的關(guān)系［13］可知，55或110g裝藥在水下0．32m處爆炸所產(chǎn)生的氣泡脈動(dòng)次數(shù)均不足1次。換言之，55或110g裝藥在水下0．32m處爆炸時(shí)，爆炸產(chǎn)物氣體會(huì)噴出水面而不會(huì)形成完整的氣泡脈動(dòng)。然而，在張婧等［7］的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)200或400g裝藥在大于2．50m的水深處爆炸時(shí)，其裝藥比例沉深均大于4，炸藥爆炸產(chǎn)生的氣泡脈動(dòng)次數(shù)在3次以上，從而導(dǎo)致其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本研究存在差別。

在張婧等［7］的研究中，200g裝藥下實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷耐獍搴鸵号撉鞍宓钠瓶谌鐖D13所示?？梢?jiàn)，在液艙前板破口范圍內(nèi)有一塊尚未完全脫落的圓環(huán)形大破片。據(jù)此可知：本實(shí)驗(yàn)中在爆炸筒底發(fā)現(xiàn)的圓環(huán)形大破片（見(jiàn)圖8（a）和圖9（a））確實(shí)來(lái)自液艙前板，其中間圓孔是由產(chǎn)生于外板的圓形沖塞破片高速撞擊而形成，其四周邊緣則是由外板開(kāi)裂形成花瓣的尖端高速撞擊而“剪切”形成；圖6（b）和圖7（b）所示的液艙前板破口主要是由外板開(kāi)裂形成的花瓣“刨挖”而形成。

綜合分析本文中實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠茐慕Y(jié)果和壓力測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)55或110g裝藥在水下0．32m處與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒佑|爆炸時(shí)，在水下爆炸氣泡與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南嗷プ饔眠^(guò)程中，水下爆炸氣泡的運(yùn)動(dòng)和舷側(cè)空艙內(nèi)的壓力變化可分為3個(gè)階段：沖擊波載荷階段、準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷階段、負(fù)壓載荷階段，如表2所示。

圖13 文獻(xiàn)［7］中200g裝藥水下爆炸下鋼板的破口Fig．13 Crevasse of steel plates damaged by underwater explosion of 200g charge from Ref．［7］

表2 壓力曲線的3個(gè)階段Table 2 Three phases of pressure curve

第1階段：外板在水下接觸爆炸瞬間發(fā)生沖塞破壞，沖塞破片向舷側(cè)空艙內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)，爆炸產(chǎn)物氣體一邊向舷側(cè)空艙涌入，一邊在水中形成半球狀氣泡；舷側(cè)空艙內(nèi)原有的空氣受到壓縮，舷側(cè)空艙各壁面先后受到?jīng)_擊波載荷作用。由圖11和圖12可見(jiàn)，此階段舷側(cè)空艙內(nèi)的壓力呈現(xiàn)出峰值很大、時(shí)間很短的沖擊波特性，故稱此階段為沖擊波載荷階段。

第2階段：在圖11和圖12的局部放大圖中可見(jiàn)若干個(gè)反射波，并且在此階段舷側(cè)空艙內(nèi)的壓力呈現(xiàn)出峰值較小、時(shí)間較長(zhǎng)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力特性，表明沖擊波在舷側(cè)空艙內(nèi)不斷地反射而使舷側(cè)空艙內(nèi)的壓力逐漸趨于均勻；與此同時(shí)，水中的氣泡逐漸膨脹，氣泡內(nèi)部壓力逐漸減小，當(dāng)舷側(cè)空艙內(nèi)部壓力比外部氣體壓力高時(shí)，氣體就會(huì)向舷側(cè)空艙外側(cè)逸出，從而使舷側(cè)空艙內(nèi)、外的氣壓差減小，并導(dǎo)致外板逐漸向外鼓起（見(jiàn)圖6（a）和圖7（a））；當(dāng)水中氣泡膨脹到某一時(shí)刻時(shí)，舷側(cè)空艙內(nèi)的氣體超壓減小至零，之后進(jìn)入第3階段。由于在此階段舷側(cè)空艙內(nèi)的氣體壓力呈現(xiàn)出準(zhǔn)靜態(tài)壓力特性，故將此階段稱為準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷階段。

第3階段：當(dāng)舷側(cè)空艙內(nèi)的氣體超壓減小至零之后，由于慣性水會(huì)繼續(xù)向外運(yùn)動(dòng)，水中氣泡將“過(guò)度”膨脹，使氣泡內(nèi)部壓力小于周圍水的靜壓力；舷側(cè)空艙內(nèi)的氣體繼續(xù)向外逸出，使舷側(cè)空艙內(nèi)的超壓峰值變?yōu)樨?fù)值，故將此階段稱為負(fù)壓載荷階段。由外板的沖塞破片和開(kāi)裂花瓣撞擊形成的大質(zhì)量圓環(huán)形大破片和少量小破片正是在這一階段隨著逸出的氣流運(yùn)動(dòng)到舷側(cè)空艙外側(cè)，并最終掉落在爆炸筒底。盡管舷側(cè)空艙內(nèi)的超壓為負(fù)值，但是舷側(cè)空艙內(nèi)的氣體向外逸出，表明外板內(nèi)側(cè)壓力比外側(cè)壓力大，此壓差推動(dòng)外板向外凸起。舷側(cè)空艙內(nèi)的超壓為負(fù)值之后，液艙前板內(nèi)側(cè)的水壓力明顯比外側(cè)的氣體壓力大，此壓差推動(dòng)液艙前板向外凸起。氣泡膨脹到某一時(shí)刻，其頂部將與水面上的空氣相連通，若此時(shí)氣泡內(nèi)部壓力低于大氣壓力，則水面上的空氣將流向氣泡內(nèi)部。隨后，與水面上空氣相連通的氣泡逐漸坍塌，被推開(kāi)的水逐漸回流并填充空穴。由于外板在爆炸沖擊波作用下產(chǎn)生破口，爆炸產(chǎn)物氣體向舷側(cè)空艙涌入，導(dǎo)致水中氣泡的膨脹速度與自由場(chǎng)水下爆炸相比減小，因而水向外流動(dòng)的慣性將減小，從而推斷氣泡膨脹的最大半徑也會(huì)減小。舷側(cè)空艙內(nèi)形成負(fù)壓載荷的根本原因是水中氣泡的“過(guò)度”膨脹，由于氣泡膨脹歷時(shí)較長(zhǎng)，因此負(fù)壓載荷階段相比準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷階段持續(xù)的時(shí)間要長(zhǎng)得多。

由以上分析可知，防雷艙舷側(cè)空艙的破壞主要是由沖擊波載荷和準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷造成，并且由表2可見(jiàn)準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷的比沖量是沖擊波載荷的數(shù)倍，而負(fù)壓載荷對(duì)防雷艙舷側(cè)空艙的影響可以忽略。

5 結(jié) 論

采用模型實(shí)驗(yàn)的方法，研究了近自由面水下接觸爆炸下防雷艙舷側(cè)空艙的內(nèi)壓載荷特性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠茐慕Y(jié)果和壓力測(cè)試結(jié)果，分析了水下爆炸產(chǎn)物與防雷艙舷側(cè)空艙的相互作用過(guò)程以及水下爆炸產(chǎn)物的壓力變化規(guī)律。研究表明：在近自由面水下接觸爆炸下，防雷艙舷側(cè)空艙的內(nèi)壓載荷可分為沖擊波載荷、準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷和負(fù)壓載荷3種，防雷艙舷側(cè)空艙的破壞主要由沖擊波載荷和準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷造成，并且準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷的比沖量是沖擊波載荷的數(shù)倍，而負(fù)壓載荷對(duì)防雷艙舷側(cè)空艙的影響可忽略不計(jì)。

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Internal load characteristics of broadside cabin of defensive structure subjected to underwater contact explosion

Wu Linjie1，Hou Hailiang1，Zhu Xi1，Chen Pengyu1，Tian Wanping2

（1．Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，Hubei，China；2．Administrative Office of Training，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，Hubei，China）

By carrying out model experiments，we investigated the internal load characteristics of the broadside cabin of the defensive structure subjected to underwater contact explosion near the free surface．According to the damage of the experimental models and the pressure profile measured by sensors，we described the interaction between underwater explosion products and the broadside cabin of the defensive structure，and analyzed the pressure change of gas in the broadside cabin of the structure．The results show that the gas pressure in the broadside cabin of the structure can be divided into the shock wave phase，the quasi－static pressure phase and the negative pressure phase，and the broadside cabin is damaged mostly by the shock wave and quasi－static pressure．In addition the specificimpulse of the quasi－static pressure is several times bigger than that of the shock wave，and the effect of the negative pressure on the damage of the broadside cabin is negligible．

underwater explosion；broadside cabin；defensive structure；load characteristics

O383．3國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：13035

A

10．11883／1001－1455（2017）04－0719－08

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

（責(zé)任編輯 王 影）

2015－12－10；

2016－05－03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51479204）

吳林杰（1987－ ），男，博士研究生；通信作者：侯海量，hou9611104＠163．com。

在現(xiàn)代海戰(zhàn)中，大型艦船遭受魚(yú)雷、水雷等武器的近場(chǎng)或接觸爆炸破壞后，其生命力將受到嚴(yán)重威脅，因此往往在大型艦船水下舷側(cè)部位設(shè)計(jì)防雷艙結(jié)構(gòu)。在水下武器的近場(chǎng)或接觸爆炸下，船體結(jié)構(gòu)在前期爆炸沖擊波的作用下產(chǎn)生破口，形成不完整邊界，致使水下爆炸氣泡處于復(fù)雜的流場(chǎng)環(huán)境——既有自由液面，又有產(chǎn)生初始破口的船體結(jié)構(gòu)，此外氣泡還受反射沖擊波的作用［1］。氣泡在自由液面、不完整邊界以及反射沖擊波的作用下將產(chǎn)生“腔吸現(xiàn)象”、反射流、對(duì)射流等強(qiáng)非線性力學(xué)特征，因此水下爆炸氣泡與船體結(jié)構(gòu)的相互作用問(wèn)題成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究主要集中在水下近場(chǎng)爆炸作用下簡(jiǎn)單規(guī)則結(jié)構(gòu)的破壞形式上［26］，而對(duì)于水下爆炸氣泡與具有初始破口船體結(jié)構(gòu)的相互作用問(wèn)題，相關(guān)報(bào)道則十分少見(jiàn)。由于水下接觸爆炸載荷與防雷艙結(jié)構(gòu)的相互作用問(wèn)題非常復(fù)雜，盡管國(guó)內(nèi)學(xué)者在防雷艙結(jié)構(gòu)研究中取得了一些成果［711］，為防雷艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考，但是對(duì)水下接觸爆炸下防雷艙舷側(cè)空艙內(nèi)的壓力載荷特性仍未獲得清晰的認(rèn)識(shí)。鑒于采用數(shù)值和理論方法研究此問(wèn)題十分困難，本文中采用實(shí)驗(yàn)方法開(kāi)展研究，旨在進(jìn)一步揭示水下接觸爆炸下防雷艙舷側(cè)空艙內(nèi)的壓力載荷特性。