近場爆炸載荷作用下加筋板應(yīng)變響應(yīng)研究

沈曉樂，任俊杰，周學(xué)濱

(1.中國人民解放軍91439部隊(duì)， 遼寧 大連 116041； 2.大連海洋學(xué)校， 遼寧 大連 160023)

加筋板格是船體結(jié)構(gòu)的主要組成部分，研究加筋板格在爆炸載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)研究全船的抗毀傷能力具有重大的工程意義。祝偉等[1]采用沖量相等的方法將爆炸沖擊載荷等效為三角波、正弦波、矩形波，研究表明加筋板結(jié)構(gòu)形式對(duì)加筋板抵抗爆炸載荷能力影響較為明顯，但是三種載荷形式不能完全模擬沖擊波的加載過程，也沒有考慮氣泡載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。邵建軍等[2]基于相似理論研究了炸藥沉底爆炸的能量傳播規(guī)律，但沒有研究結(jié)構(gòu)對(duì)能量傳遞的影響。牟金磊等[3-5]通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證了爆炸載荷作用下加筋板毀傷模式，并將每種模式根據(jù)載荷強(qiáng)弱和加筋板強(qiáng)度進(jìn)行細(xì)分，但沒有分析沖擊波和氣泡載荷的作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。王海坤[5]利用非線性有限元程序LS-DYNA，模擬計(jì)算不同形式加筋板在水下接觸爆炸荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，分析認(rèn)為加筋板具有分散爆炸沖擊波的作用，加筋板抵抗爆炸沖擊波沖擊的能力更強(qiáng)。

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了在沖擊波和氣泡載荷聯(lián)合作用下加筋板結(jié)構(gòu)的響應(yīng)過程，并通過改變爆源相對(duì)位置分析其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)研究近距離爆炸沖擊波和氣泡載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞有一定的借鑒意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1) 載荷分析

裝藥在水下爆炸后，形成的爆炸產(chǎn)物對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的作用主要有兩種：一種是水下爆炸沖擊波；另一種是沖擊波過后的氣泡脈動(dòng)壓力。對(duì)于TNT裝藥沖擊波能約占總能量的53%，其他能量約占47%，主要為氣泡能[6-7]。氣泡半徑R通常按下式估算：

(1)

式中：W為TNT裝藥量，H為爆源深度。

2) 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測點(diǎn)布置

爆源為10 g TNT球形裝藥，爆源位置與加筋板的幾何中心對(duì)應(yīng)。為充分考慮沖擊波載荷與氣泡脈動(dòng)載荷對(duì)加筋板的作用，爆源與加筋板間距設(shè)置為1倍氣泡半徑。如圖1所示的兩種工況爆源深度均為水下1米，爆源到自由面的距離約為3倍氣泡半徑，以減小自由面對(duì)氣泡載荷的影響，其中氣泡半徑按(1)式估算。工況1加筋板位于爆源上方0.3 m；工況2加筋板位于爆源下方0.3 m。

圖1 工況示意圖

板長2 m、寬1.5 m，加筋板格0.3 m×0.5 m，加筋板厚度2 mm，縱向加強(qiáng)筋采用角鋼，為連續(xù)構(gòu)件，腹板高30 mm、厚2 mm，面板寬20 mm、厚2 mm；橫向加強(qiáng)筋采用扁鋼代替，為間斷構(gòu)件，腹板高20 mm，厚2 mm；試驗(yàn)共布置16個(gè)測點(diǎn)，以記錄在爆炸載荷作用下加筋板典型部位的應(yīng)變響應(yīng)，考慮到模型的對(duì)稱性，只對(duì)模型的1/4進(jìn)行測點(diǎn)布置，在個(gè)別對(duì)稱測點(diǎn)設(shè)置驗(yàn)證測點(diǎn)，以驗(yàn)證相同位置的響應(yīng)情況，如圖2所示。

3) 試驗(yàn)記錄儀器

電阻應(yīng)變計(jì)：采用日本共和動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變計(jì)，測量橋路采用1/4橋，動(dòng)態(tài)測量范圍0～10 000 με，誤差±5%。

采集設(shè)備：NI應(yīng)變采集系統(tǒng)，采樣頻率為20 kHz。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的情況如下：應(yīng)變片傳感器→電纜傳輸信號(hào)→NISCXI-1314T前端橋盒→NISCXI-1520應(yīng)變輸入模塊→NIPXI-6143采集模塊。

圖2 測點(diǎn)布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在試驗(yàn)設(shè)計(jì)工況下，炸藥在水下爆炸后爆轟產(chǎn)物首先產(chǎn)生向周圍水介質(zhì)輻射的沖擊波壓力，沖擊波壓力最先到達(dá)加筋板，并逐漸由板格中心向周圍輻射。在這個(gè)過程中加筋板板格受沖擊波壓力作用產(chǎn)生瞬時(shí)的應(yīng)變響應(yīng)，見圖3-圖5。由于沖擊波載荷的脈寬較短，對(duì)加筋板的作用類似于脈沖載荷，作用力消失后加筋板在周圍水介質(zhì)和自身的阻尼作用下做隨機(jī)振動(dòng)并逐步轉(zhuǎn)化為接近于自身頻率的振動(dòng)并最終停止。隨著爆轟產(chǎn)物向外運(yùn)動(dòng)并最終停止擴(kuò)展，爆炸產(chǎn)生的氣泡達(dá)到最大值并開始收縮。此時(shí)由于加筋板的存在，自由場狀態(tài)的氣泡中心的上升和收縮運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚣咏畎蹇拷瑫r(shí)攜帶高速水射流的收縮運(yùn)動(dòng)。由于氣泡中心向加筋板靠近、甚至是直接接觸，導(dǎo)致作用在結(jié)構(gòu)上的氣泡脈動(dòng)壓力大幅增加，同時(shí)氣泡運(yùn)動(dòng)帶來的水射流載荷也作用在結(jié)構(gòu)上。從圖3-圖5可以看出氣泡和射流載荷聯(lián)合作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的瞬態(tài)應(yīng)變響應(yīng)幅值與沖擊波產(chǎn)生的應(yīng)變響應(yīng)幅值在同一量級(jí)，并且響應(yīng)的時(shí)間更長。

2.1 沖擊波載荷作用與氣泡載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷分析

通過前文的分析認(rèn)為在近距離水下爆炸載荷作用下，結(jié)構(gòu)不僅會(huì)承受沖擊波載荷作用，同時(shí)受到氣泡脈動(dòng)載荷以及氣泡潰滅引起的射流的沖擊作用。為了定量對(duì)比沖擊波及氣泡相關(guān)載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷的影響，以工況1條件下1號(hào)測點(diǎn)為例，從圖3中可以看出在沖擊波作用下瞬態(tài)應(yīng)變響應(yīng)達(dá)到1 647 με，然后回到379 με，并在該值附近震蕩；隨著第一次氣泡脈動(dòng)載荷到達(dá)，結(jié)構(gòu)瞬態(tài)應(yīng)變達(dá)到1 817 με，經(jīng)歷一個(gè)階段的震蕩后最終塑性變形達(dá)到1 594 με。氣泡載荷使結(jié)構(gòu)的塑性變形提高了1 215 με，較沖擊波階段379 με的塑性變形更大，使得在該測點(diǎn)的整個(gè)響應(yīng)過程中結(jié)構(gòu)的塑性變形呈現(xiàn)明顯的“階梯”狀。

測點(diǎn)1的應(yīng)變響應(yīng)作為爆炸載荷作用于結(jié)構(gòu)的典型曲線，可以很好地表征結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)過程。為更進(jìn)一步量化沖擊波和氣泡載荷對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響表1和表2分別列出了所有測點(diǎn)的特征值。通過表1的特征值可以看出結(jié)構(gòu)的沖擊波應(yīng)變響應(yīng)峰值遠(yuǎn)大于沖擊波引起的結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變值，同樣氣泡載荷引起的應(yīng)變瞬態(tài)響應(yīng)峰值也遠(yuǎn)大于其引起的結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變值。以表1為例，排除個(gè)別測點(diǎn)不確定因素干擾，工況1中所有測點(diǎn)的沖擊波作用瞬態(tài)應(yīng)變響應(yīng)均值1 646 με遠(yuǎn)大于沖擊波作用引起的塑性應(yīng)變均值153 με，同樣氣泡載荷作用引起的瞬態(tài)應(yīng)變響應(yīng)均值1 843 με遠(yuǎn)大于其引起的塑性應(yīng)變均值308 με。但是沖擊波和氣泡載荷引起的結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)應(yīng)變響應(yīng)均值和塑性應(yīng)變均值相差不大。因此氣泡載荷階段對(duì)結(jié)構(gòu)的整體塑性變形也有一定的貢獻(xiàn)，可以認(rèn)為在設(shè)計(jì)工況下氣泡載荷可以使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形，且對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與沖擊波載荷同等程度的損傷。

圖3 工況1測點(diǎn)1應(yīng)變響應(yīng)曲線

圖4 工況1測點(diǎn)4應(yīng)變響應(yīng)曲線

圖5 工況1測點(diǎn)6應(yīng)變響應(yīng)曲線

測點(diǎn)編號(hào)沖擊波峰值應(yīng)變/με塑性應(yīng)變/με氣泡脈動(dòng)應(yīng)變?chǔ)苔潘苄宰冃?με11 6473791 8171 59423 3501881 73661931 974241 8104094774341 37917251 92774983361 441407565971 5091901 30533581 3873961 8938891 7873524 0156101 8572633 08548112 0793812 368529121 8002672 394318131 1511762 370464141 112101 72430151 131401 78796161 413132 15774平均值1 6461531 843308

表2 工況2各測點(diǎn)應(yīng)變響應(yīng)值

2.2 加筋板不同測點(diǎn)應(yīng)變響應(yīng)頻域分析

在水下爆炸試驗(yàn)中，沖擊載荷幅值大，作用時(shí)間短，載荷的頻率覆蓋范圍寬。加筋板受自身結(jié)構(gòu)特征的影響，受沖擊激勵(lì)后會(huì)表現(xiàn)出自身固有的振動(dòng)特性。

圖6為加強(qiáng)筋上測點(diǎn)6和板格中心測點(diǎn)8的應(yīng)變響應(yīng)頻域圖，從圖中可以看到加強(qiáng)筋上的測點(diǎn)8的頻域響應(yīng)存在明顯兩個(gè)響應(yīng)峰值。由于結(jié)構(gòu)及水介質(zhì)阻尼作用，應(yīng)變信號(hào)的優(yōu)勢頻率主要集中在500 Hz以下，表現(xiàn)為中低頻的特征，結(jié)構(gòu)的高頻響應(yīng)不明顯。加強(qiáng)筋并不直接承受沖擊載荷，而是作為板材的支撐件，起到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的作用。加強(qiáng)筋的響應(yīng)更多地反映的是整個(gè)加筋板的整體振動(dòng)特性。

圖6 加強(qiáng)筋與板梁交匯處測點(diǎn)應(yīng)變響應(yīng)頻域曲線

表3列出了工況1中測點(diǎn)1、6、8三個(gè)測點(diǎn)相同方向上的前兩階振動(dòng)優(yōu)勢頻率。從表3可以看出不同測點(diǎn)的優(yōu)勢頻率不盡相同。同一板格當(dāng)中不同測點(diǎn)的優(yōu)勢頻率成分也不同，局部測點(diǎn)更多地反映的是結(jié)構(gòu)的局部振動(dòng)響應(yīng)特征；而縱向加強(qiáng)筋作為加筋板的強(qiáng)力構(gòu)件能夠更好地反映結(jié)構(gòu)的整體振動(dòng)特性。

表3 不同測點(diǎn)優(yōu)勢頻率

3 結(jié)論

1) 近場水下爆炸作用實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明沖擊波和氣泡載荷作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)變響應(yīng)幅值在同一量級(jí)，且氣泡載荷作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)持續(xù)時(shí)間更長。

2) 加筋板上所有測點(diǎn)在接近一倍氣泡半徑爆距條件下，沖擊波和氣泡載荷引起的結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)應(yīng)變響應(yīng)均值相差不大，兩種載荷均可以使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形，且結(jié)構(gòu)的損傷程度基本相同。

3) 同一板格當(dāng)中不同測點(diǎn)的優(yōu)勢頻率成分不同，局部測點(diǎn)更多地反映結(jié)構(gòu)的局部沖擊響應(yīng)特征；而縱向加強(qiáng)筋作為加筋板的強(qiáng)力構(gòu)件能夠更好地反映結(jié)構(gòu)的整體沖擊響應(yīng)特性。