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    多點(diǎn)同步內(nèi)爆炸下典型艙室的毀傷特性

    2018-02-10 02:44:18翟紅波李芝絨蘇健軍張玉磊姬建榮
    振動(dòng)與沖擊 2018年2期
    關(guān)鍵詞:雙點(diǎn)沖量艙室

    翟紅波, 李芝絨, 蘇健軍, 張玉磊, 姬建榮

    (西安近代化學(xué)研究所,西安 710065)

    多點(diǎn)起爆、多個(gè)彈藥同時(shí)爆炸是作戰(zhàn)使用中的一種常見(jiàn)現(xiàn)象[1]。炸藥點(diǎn)起爆后,產(chǎn)生的沖擊波將以起爆點(diǎn)為中心以球面波形式傳播,同時(shí)起爆兩個(gè)不同位置處的裝藥,形成的兩個(gè)球面波在一定時(shí)間后將相遇并相互疊加[2-3]。一定情況下的沖擊波相互疊加可使作用區(qū)域內(nèi)的壓力顯著增強(qiáng),有助于提高彈藥的爆炸威力,增強(qiáng)對(duì)目標(biāo)的破壞能力[4]。因此,研究多點(diǎn)爆炸下的沖擊波性能對(duì)于彈藥設(shè)計(jì)和毀傷評(píng)估具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

    近年來(lái),眾多學(xué)者圍繞彈藥多點(diǎn)聚集爆炸效應(yīng)開(kāi)展了廣泛深入的研究。陳志林[5]研究了空氣中的兩點(diǎn)聚集爆炸,發(fā)現(xiàn)在裝藥當(dāng)量相同時(shí),多點(diǎn)聚集爆炸沖擊波的地面破壞殺傷范圍大于單點(diǎn)爆炸。林大超等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了地面附近爆炸時(shí)地面豎向振動(dòng)幅值特性并得到了地面豎向振動(dòng)速度,國(guó)勝兵等[7]基于爆炸地震波的非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程模型,建立了兩點(diǎn)和多點(diǎn)(微差)爆炸地震波實(shí)用模擬方法,模擬多點(diǎn)爆炸后形成的復(fù)合地震效應(yīng)。顧文彬等[8]對(duì)淺層水中沉底爆炸沖擊波相互作用數(shù)值模擬進(jìn)行了研究,研究發(fā)現(xiàn)沖擊波相互作用的疊加或多次沖擊作用大大提高了爆炸威力。李旭東等[9]研究了三點(diǎn)同時(shí)爆炸時(shí)沖擊波在水泥砂漿板中聚集效應(yīng)的特點(diǎn)和規(guī)律,結(jié)果表明,由于聚集效應(yīng)的影響,正應(yīng)變?cè)诰奂瘏^(qū)域內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的非線性激增,并且在距離爆炸點(diǎn)更長(zhǎng)的距離內(nèi)維持高應(yīng)力狀態(tài)。張世豪等[10]分別從爆炸應(yīng)力波和爆炸能量角度研究了多點(diǎn)爆炸能量聚集效應(yīng),結(jié)果表明,多點(diǎn)爆炸應(yīng)力波在裝藥對(duì)稱(chēng)位置發(fā)生相互作用壓力疊加,造成混凝土變性能密度及內(nèi)能密度較單點(diǎn)爆炸時(shí)顯著下降,從而導(dǎo)致多點(diǎn)起爆毀傷區(qū)域較單點(diǎn)爆炸時(shí)增大。胡宏偉等[11]研究了多點(diǎn)同步地面爆炸沖擊波的相互作用,計(jì)算了沖擊波相互疊加區(qū)域的壓力和沖量,研究發(fā)現(xiàn)多個(gè)裝藥同步爆炸時(shí),沖擊波超壓和沖量都顯著增加,大大提高了裝藥爆炸威力。王龍侃等[12]研究了水下爆炸作用對(duì)加筋板架結(jié)構(gòu)的毀傷效應(yīng),分析了加筋板架結(jié)構(gòu)的破壞模式。

    盡管多點(diǎn)聚集爆炸領(lǐng)域取得了很多研究成果,但多是針對(duì)爆炸效應(yīng)的研究,較少涉及內(nèi)爆炸環(huán)境下多點(diǎn)爆炸的耦合效應(yīng),關(guān)注船艙毀傷效果的研究更少。因此,研究?jī)?nèi)爆炸環(huán)境多點(diǎn)同步內(nèi)爆炸的爆炸效應(yīng)特征,為多點(diǎn)同步內(nèi)爆炸的深入研究提供基礎(chǔ),具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。本文基于某艦船艙室的1∶8等效縮比模型,通過(guò)雙點(diǎn)裝藥同步內(nèi)爆炸試驗(yàn),對(duì)比分析雙點(diǎn)裝藥同步內(nèi)爆炸和單點(diǎn)裝藥內(nèi)爆炸的爆炸效應(yīng)特征,研究?jī)煞N條件對(duì)艙室的毀傷效果。

    1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    由于實(shí)裝目標(biāo)爆炸試驗(yàn)存在成本高、周期長(zhǎng)等不足,縮比模型試驗(yàn)是一個(gè)較為常用的替代方案??s比模型設(shè)計(jì),采用幾何統(tǒng)一縮比的方法,即艙室的幾何尺寸(長(zhǎng)、寬、高、壁厚)采用相同的比例進(jìn)行縮比,這帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題:①原型艙室結(jié)構(gòu)材料較難獲取;②艙壁厚度縮比后,厚度很小,既降低艙壁剛度,又增大了加工難度。因此,引入強(qiáng)度等效原則,在模型艙室中采用較厚的低強(qiáng)度鋼代替原型艙室的高強(qiáng)度鋼,使其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一致,同時(shí)可增強(qiáng)艙壁整體剛度,提高其與原型艙室毀傷效應(yīng)的一致性。對(duì)某艦典型艙室進(jìn)行縮比,設(shè)計(jì)了縮比比例為1∶8的縮比艙室,如圖1所示。模型幾何尺寸如表1所示。

    圖1 艙室結(jié)構(gòu)模型Fig.1 The model of some ship cabin

    表1 模型的幾何尺寸

    為了分析多裝藥在艙室內(nèi)爆炸的作用特點(diǎn)和對(duì)艙室的毀傷效果,設(shè)計(jì)兩組試驗(yàn)條件,一是在艙室?guī)缀沃行奶帒覓?0 g藥柱,二是在幾何中心兩側(cè)0.22 m分別懸掛兩個(gè)15 g藥柱并同時(shí)起爆,如表2所示。

    表2 試驗(yàn)條件

    試驗(yàn)炸藥為T(mén)NT藥柱,密度1.58 g/cm3,如圖2所示。傳爆藥柱為JH-14炸藥,藥量為5 g,尺寸為φ15×17,用于起爆TNT裝藥,起爆雷管選用8號(hào)電雷管。

    圖2 試驗(yàn)用炸藥和傳爆藥柱Fig.2 The charge and the booster charge of the test

    試驗(yàn)包含兩種條件:A,縮比艙室單點(diǎn)內(nèi)爆炸;B,縮比艙室雙點(diǎn)內(nèi)爆炸。其試驗(yàn)方案如下所述:

    條件A:將典型艙室模型放置在平坦地面上,試驗(yàn)藥柱垂直懸掛于爆炸艙室內(nèi)部的幾何中心,在模型壁面上安裝壓力傳感器測(cè)量?jī)?nèi)爆炸沖擊波波形(見(jiàn)圖3)。在距離爆心安全距離100 m外正交2個(gè)方向上布置高速動(dòng)態(tài)分析儀(見(jiàn)圖4),觀察內(nèi)爆炸作用下模型的實(shí)時(shí)變化狀態(tài)。爆炸結(jié)束后觀察模型變化情況并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)裝置布局示意圖如圖5所示。

    條件B:試驗(yàn)布置同條件A,將單點(diǎn)爆炸藥量的1/2(15 g)作為多點(diǎn)內(nèi)爆炸藥量,將兩藥柱分別懸掛于距離單點(diǎn)爆心0.22 m處,二點(diǎn)連線為艙室中線,艙室模型試驗(yàn)藥量依次為2×15 g,爆炸結(jié)束后觀察并記錄艙壁破壞情況,與單點(diǎn)內(nèi)爆炸破壞情況對(duì)比分析。

    圖3 艙室Fig.3 The cabin

    圖4 高速動(dòng)態(tài)分析儀Fig.4 High speed dynamic analyzer

    圖5 試驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)布局Fig.5 Field layout of the test

    2 雙點(diǎn)同步內(nèi)爆炸載荷特征簡(jiǎn)要分析

    炸藥在空氣中爆炸時(shí),沖擊波以球?qū)ΨQ(chēng)狀向外傳播。當(dāng)沖擊波與壁面相碰時(shí),產(chǎn)生了沖擊波的壁面反射。通常,沖擊波壁面反射可以分為規(guī)則反射、過(guò)渡反射、非規(guī)則反射和半球反射四種[13]。

    當(dāng)入射沖擊波的入射角超過(guò)一個(gè)臨界角(取決于沖擊波強(qiáng)度)后,反射波陣面和反射波陣面的交點(diǎn)會(huì)離開(kāi)地面,二者合成第三個(gè)沖擊波,即馬赫波。這個(gè)交點(diǎn)也被稱(chēng)作“三波點(diǎn)”,交點(diǎn)的下面為馬赫桿波陣面,它的底部垂直于壁面。三波點(diǎn)的位置和馬赫桿的高度隨時(shí)間和距離而變,相應(yīng)的三波點(diǎn)軌跡是一條上凹的曲線,如圖6所示。實(shí)際上,馬赫桿并不是均勻的平面沖擊波,而是帶有某種輕微彎曲的波[14]。

    圖6 馬赫波示意圖Fig.6 The sketch map of Mach wave

    在該艙室模型中,爆心高度H=0.175 m。

    對(duì)于條件A,等效TNT裝藥ω=0.03 kg,有

    由此,可根據(jù)計(jì)算公式得到馬赫反射臨界角φ0c=40°。以B2點(diǎn)為例,φ0=arctan(0.55/0.175)=72.4°,顯然φ0>φ0c,因此B2點(diǎn)處的沖擊波超壓屬于馬赫反射。

    對(duì)于條件B,等效TNT裝藥ω=0.015kg,有

    由此,可根據(jù)計(jì)算公式得到馬赫反射臨界角φ0c=39.2°。B2點(diǎn),φ0=arctan(0.59/0.175)=73.5°,顯然φ0>φ0c,因此B2點(diǎn)處的沖擊波超壓屬于馬赫反射。

    在船艙模型中,需要關(guān)注的是側(cè)艙壁(代表實(shí)船的橫隔壁與側(cè)舷)的毀傷,B2點(diǎn)即處于側(cè)艙壁的中心區(qū)域。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),在A、B兩種條件下,B2點(diǎn)均處于馬赫反射區(qū)內(nèi)。在B條件下,雙點(diǎn)裝藥的同步爆炸會(huì)在B2點(diǎn)附近形成疊加沖擊波,加入雙點(diǎn)起爆的同步性很好,相位差小于沖擊波正壓作用時(shí)間,那么B2點(diǎn)處沖擊波峰值和沖量都會(huì)出現(xiàn)疊加增大;否則,B2處的超壓峰值變化不大,但沖擊波沖量會(huì)有疊加增大。

    爆炸沖擊波毀傷船艙目標(biāo)結(jié)構(gòu)時(shí),一般來(lái)說(shuō)有三種毀傷準(zhǔn)則:①當(dāng)t2T時(shí),適用峰值準(zhǔn)則;③在上述二者之間時(shí),適用峰值-沖量準(zhǔn)則。其中,T為艙室結(jié)構(gòu)的自振周期,t為沖擊波作用的脈寬。艙壁結(jié)構(gòu)的一階自振頻率一般均小于50 Hz,即自振周期一般大于20 ms,而艙室內(nèi)爆炸屬于中近場(chǎng)作用,沖擊波的作用脈寬在1 ms左右,遠(yuǎn)小于自振周期的1/5,因此艙壁的沖擊波毀傷一般符合沖量準(zhǔn)則。雙點(diǎn)裝藥同步爆炸可增大中心面處的沖量,有效提高對(duì)艙室的毀傷效果。

    3 艙室變形

    以起爆時(shí)刻為0時(shí)刻,通過(guò)高速錄像獲得艙室不同時(shí)刻的形態(tài)演變,圖7給出了條件B的爆炸實(shí)時(shí)分幅照片。從高速攝影觀察,2個(gè)條件艙室變形過(guò)程基本相同:t=0 ms時(shí),炸藥起爆;t=3 ms時(shí),艙室上表面中部開(kāi)始出現(xiàn)鼓包,如(b)所示;此后,鼓包從上表面中部向邊緣擴(kuò)散,高度逐漸降低,形成一個(gè)斜坡,整個(gè)上表面向外膨脹變形,到t=8 ms時(shí),艙室上表面變形達(dá)到最大,如(c)所示;隨后,艙室上表面中部鼓突部分開(kāi)始向里運(yùn)動(dòng),大約經(jīng)過(guò)4~5 ms時(shí)間,上表面又開(kāi)始向外運(yùn)動(dòng),在4~5 ms時(shí)間后,上表面再次向內(nèi)運(yùn)動(dòng),在此后的較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),上表面呈現(xiàn)周期性振蕩,周期約為8~10 ms;在t=50 ms時(shí),振蕩幅度開(kāi)始減緩,最后上表面呈現(xiàn)中間鼓突的“四斜坡形”變形。

    圖7 艙室變形過(guò)程(條件B雙點(diǎn)內(nèi)爆試驗(yàn))Fig.7 The cabin deformation process (the double-point charge explosion test of working condition B)

    內(nèi)爆炸作用后,艙室四周壁面無(wú)明顯變形,上下壁面中間均出現(xiàn)了不同程度的鼓突,呈“四斜坡形”變形,如圖8所示。將起爆口所在側(cè)記為“前側(cè)”,對(duì)艙室上壁面各側(cè)變形進(jìn)行測(cè)量,各側(cè)變形量如表3所示。

    圖8 艙室變形Fig.8 The cabin deformation

    進(jìn)行的2種條件的艙室內(nèi)爆試驗(yàn)中,艙室均未破裂,四周壁面也沒(méi)出現(xiàn)明顯的變形,但是艙室上壁面出現(xiàn)了明顯的塑性變形,這主要原因可能是因?yàn)榕撌腋叨缺容^低,爆轟產(chǎn)物和沖擊首先到達(dá)上下壁面,其中壁面中部是塑性變形最大的區(qū)域,從高速錄像可以看出,中部也是最開(kāi)始出現(xiàn)變形的區(qū)域,到最后上壁面中部鼓突,呈現(xiàn)“四坡頂形”變形;從試驗(yàn)結(jié)果可知,30 g藥量的艙室單點(diǎn)內(nèi)爆試驗(yàn)艙室上壁面平均變形量為22.5 mm,2×15 g藥量的艙室雙點(diǎn)內(nèi)爆炸試驗(yàn)艙室上壁面平均變形量為35.25 mm。由此可知,艙室內(nèi)爆試驗(yàn)中,裝藥量相同時(shí),雙點(diǎn)爆炸艙室的變形量更大。從毀傷的角度出發(fā),合適位置處的雙點(diǎn)爆炸更利于毀傷。

    表3 艙室變形量

    4 內(nèi)爆炸壓力

    壓力傳感器位于模型A、B、C面(圖8),經(jīng)過(guò)信號(hào)線連接至信號(hào)調(diào)理器與數(shù)據(jù)采集器,具體測(cè)點(diǎn)布局,如圖9所示。

    圖9 艙室各面測(cè)點(diǎn)布局Fig.9 Layout of measurement points

    由于密閉艙室內(nèi)存在固壁反射,且各反射波會(huì)相互作用,因此實(shí)際的波形非常復(fù)雜。典型的壁面壓力曲線如圖10所示,讀取壓力曲線,獲得不同測(cè)點(diǎn)的超壓、沖量,如表4所示。圖10(a)的B2點(diǎn)在橫艙壁的中心處,超壓曲線存在兩個(gè)較高峰值,第一峰值為馬赫波的反射,第二峰值為其它壁面反射波和稀疏波的合成波;圖10(b)的C11點(diǎn)在艙內(nèi)上甲板的角隅處,第一峰為馬赫波,第二峰值超過(guò)第一峰值,為合成馬赫反射波。

    圖11是測(cè)點(diǎn)C21-C25(與雙點(diǎn)裝藥的軸線平行)在兩種條件下的沖擊波壓力峰值和沖量的對(duì)比圖。從圖中可以看出,條件A沖擊波峰值衰減很快,在艙室中心C24點(diǎn)峰值超壓約等于條件B的1.4倍,在C22點(diǎn)峰值小于條件B。對(duì)于沖量載荷,3 ms時(shí)間內(nèi),艙室?guī)缀沃行奈恢锰幍臎_量條件A大于條件B。條件B的沖量呈現(xiàn)馬鞍形,雙點(diǎn)裝藥中心面上(C24點(diǎn))的沖量最大,趨于角隅位置(C21點(diǎn))沖量次之,中間位置沖量最小,沖量趨于勻化速度比較快。

    圖10 壓力曲線Fig.10 Pressure curve

    圖11 兩種條件下沖擊波壓力峰值和沖量對(duì)比Fig.11 Pressure peak and impulse with two working condition

    表4 艙室壓力測(cè)試數(shù)據(jù)

    圖12給出了雙點(diǎn)中心面上B2和C34點(diǎn)(即雙點(diǎn)爆炸加強(qiáng)區(qū))的沖量對(duì)比圖,表5給出了測(cè)點(diǎn)B2在兩種條件下的沖量對(duì)比。從中可以發(fā)現(xiàn),橫隔壁和上下甲板的中心面上,同等藥量雙點(diǎn)爆炸比單點(diǎn)爆炸產(chǎn)生的沖量效應(yīng)大,即在此部位產(chǎn)生爆炸沖量加強(qiáng)區(qū)。在3 ms時(shí)刻(該模型符合沖量準(zhǔn)則的五分之一周期,此時(shí)的沖量對(duì)艙室毀傷有效),條件B的沖量比單點(diǎn)爆炸大35.8%。說(shuō)明對(duì)該種縮比艙室,雙點(diǎn)裝藥爆炸的毀傷效果比同等藥量單點(diǎn)爆炸要好。

    圖12 同等藥量?jī)煞N條件下沖量圖Fig.12 The impulse with two working condition

    之所以造成這種狀況,是由于雙點(diǎn)裝藥同時(shí)起爆時(shí),沖擊波同時(shí)到達(dá)雙點(diǎn)的中心面(B2和C34點(diǎn)),并在其上形成疊加,疊加后的沖擊波正壓作用時(shí)間較單點(diǎn)爆炸時(shí)大,峰值較單點(diǎn)爆炸時(shí)稍低,綜合作用的沖量(3 ms時(shí)刻)比單點(diǎn)爆炸時(shí)大35.8%。此后,沖擊波在艙室內(nèi)開(kāi)始趨于勻化,逐步形成準(zhǔn)靜壓,兩種條件下的B2點(diǎn)沖擊波沖量的差距隨時(shí)間增加而逐步減小(如表5)。

    該船艙艙壁結(jié)構(gòu)的自振周期T為14.9 ms,T/5=3.0 ms,大于該條件下的沖擊波作用脈寬,適用沖量準(zhǔn)則。T/5(3.0 ms)內(nèi)的沖擊波沖量對(duì)艙室的毀傷有效,所以選取3.0 ms時(shí)刻的沖量進(jìn)行對(duì)比。與之相對(duì)應(yīng)的是,條件B的艙室變形量比條件A大57%。

    表5 同等藥量不同條件下中心面B2沖量表

    5 結(jié) 論

    通過(guò)等效縮比艙室模型的內(nèi)爆炸試驗(yàn),研究了雙點(diǎn)裝藥同步內(nèi)爆炸的爆炸效應(yīng)特征,對(duì)比分析了雙裝藥同步爆炸和同質(zhì)量單裝藥爆炸對(duì)艙室毀傷效果的差異。研究發(fā)現(xiàn),在總裝藥質(zhì)量相同時(shí),雙點(diǎn)爆炸下橫隔壁處的沖量比單點(diǎn)爆炸時(shí)大35.8%,上板變形量比單點(diǎn)爆炸時(shí)大57%。相比同等裝藥質(zhì)量單點(diǎn)爆炸,雙點(diǎn)裝藥爆炸時(shí)沖擊波在裝藥中心區(qū)域上相互疊加,可增大該處的沖擊波沖量,有效提高對(duì)該類(lèi)縮比艙室的毀傷能力。

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