爆炸載荷作用下夾持方板動(dòng)態(tài)響應(yīng)量綱分析

王彥盛, 李偉兵, 于 良

爆炸載荷作用下夾持方板動(dòng)態(tài)響應(yīng)量綱分析

王彥盛1, 李偉兵1, 于 良2

(1. 南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科試驗(yàn)室, 江蘇 南京, 210094; 2. 山東特種工業(yè)集團(tuán)有限公司, 山東 淄博, 255200)

爆炸載荷; 量綱分析; 夾持方板; 結(jié)構(gòu)響應(yīng); 撓度厚度比

0 引言

隨著反艦武器的迅速發(fā)展, 各種高性能反艦導(dǎo)彈已成為水面艦船最主要的水上威脅武器[1]。目前反艦導(dǎo)彈大部分采用半穿甲戰(zhàn)斗部, 依靠彈體動(dòng)能穿透艦船舷側(cè)外板, 后通過(guò)智能引信使戰(zhàn)斗部在艦船內(nèi)部爆炸, 這時(shí)爆炸直接作用于艦船結(jié)構(gòu)、設(shè)備和人員, 將對(duì)艦船生命力產(chǎn)生極大的威脅[2-3]。因此, 研究爆炸載荷作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng), 對(duì)于爆炸結(jié)果分析、爆炸響應(yīng)預(yù)測(cè)和抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域非常重要[4-5]。Geretto等[6]對(duì)不同約束條件下爆炸載荷對(duì)不同厚度靶板的最終變形量進(jìn)行了試驗(yàn)研究, Yao等[7]對(duì)箱形結(jié)構(gòu)內(nèi)爆導(dǎo)致的壁面變形量進(jìn)行了研究。

文中通過(guò)對(duì)前人的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 得出了適用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的無(wú)量綱數(shù), 發(fā)現(xiàn)夾持方板的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與所得到的無(wú)量綱數(shù)有較好的線性關(guān)系, 可為研究艙室密閉容器動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)響應(yīng)提供參考。

1 夾持方板模型

密閉容器內(nèi)部爆炸的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)響應(yīng)是許多學(xué)者廣泛關(guān)注的問(wèn)題, 其中涉及船艙內(nèi)爆所導(dǎo)致的艙壁變形可以等效為爆炸載荷作用下矩形板動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題, 先研究單一板在爆炸載荷作用下的變形情況, 并由此推廣至艙室內(nèi)爆情況。文中使用量綱分析方法對(duì)夾持方板在爆炸載荷作用下的變形情況進(jìn)行分析。

1.1 理論模型

圖1 夾持方板示意圖

1.2 物理量分析

表1 獨(dú)立物理量列表

2 量綱分析

以矩形板撓度為因變量, 給出其相關(guān)的函數(shù)表達(dá)式為

表2 爆炸載荷作用下矩形板變形變量的量綱冪次系數(shù)

對(duì)表2進(jìn)行類似矩陣初等變換, 可以得到表3。

表3 爆炸載荷作用下矩形板變形變量的量綱冪次系數(shù)(初等變換)

皇窯景區(qū)本著“立足景德鎮(zhèn)、走出江西省、面向中國(guó)、放眼全世界”的發(fā)展目標(biāo)，參考GB/T 24421—2009《服務(wù)業(yè)組織標(biāo)準(zhǔn)化工作指南》系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，遵循“分塊負(fù)責(zé)、齊頭并進(jìn)，先建立、后細(xì)化整合”的標(biāo)準(zhǔn)化工作方針和“簡(jiǎn)化、統(tǒng)一、協(xié)調(diào)、優(yōu)化”的標(biāo)準(zhǔn)化原則，突出陶瓷文化創(chuàng)意特色的相關(guān)內(nèi)容，建立覆蓋全景區(qū)的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

此時(shí)式(2)可以寫(xiě)為

若模型中炸藥、金屬板材料與原型中對(duì)應(yīng)一致, 則有

當(dāng)模型與原型滿足幾何相似時(shí), 式(2)可以寫(xiě)為

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖2 試驗(yàn)布置示意圖

圖3 試驗(yàn)板變形橫截面圖

表4 實(shí)驗(yàn)方案與最終變形結(jié)果

續(xù)表

圖4 爆炸載荷作用下夾持方板無(wú)量綱彎曲變形

4 結(jié)論

文中使用量綱分析對(duì)夾持方板在爆炸載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行了研究, 推導(dǎo)了靶板結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)中變形量的無(wú)量綱撓度厚度比, 使用文獻(xiàn)中公布的試驗(yàn)對(duì)所得到的結(jié)論進(jìn)行了擬合, 由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的限制, 故沒(méi)有考慮炸藥爆距和靶板大小對(duì)變形量的影響, 對(duì)此還需進(jìn)一步研究。當(dāng)滿足文中所假設(shè)的條件時(shí), 靶板的變形量與文中所給出的無(wú)量綱數(shù)呈線性關(guān)系。主要結(jié)論如下。

3) 基于文中量綱分析所得表達(dá)式可以快速預(yù)測(cè)爆炸載荷作用下靶板的最大變形量, 可用于爆炸作用下艙室模型艙壁的毀傷特性研究, 為艦船毀傷研究提供參考。

[1] 朱錫, 張振華, 梅志遠(yuǎn), 等. 艦船結(jié)構(gòu)毀傷力學(xué)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2013.

[2] 浦金云, 金濤, 邱金水, 等. 艦船生命力[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2009.

[3] 楊衛(wèi)麗, 耿國(guó)桐, 李秋娜, 等. 國(guó)外反艦導(dǎo)彈發(fā)展初步分析[J]. 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù), 2014(3): 1-5.

Yang Wei-li, Geng Guo-tong, Li Qiu-na, et al. Research on the Development of Overseas Anti-ship Missile[J]. Tactical Missile Technology, 2014(3): 1-5.

[4] Zhang D, Yao S J, Lu F Y, et al. Experimental Study on Scaling of RC Beams Under Close-in Blast Loading[J]. Engineering Failure Analysis, 2013, 33: 497-504.

[5] Wang W, Zhang D, Lu F Y, et al. Experimental Study and Numerical Simulation of the Damage Mode of a Square Reinforced Concrete Slab Under Close-in Explosion[J]. Engineering Failure Analysis, 2013, 27: 41-51.

[6] Geretto C, Yuen S C K, Nurick G N, et al. An Experimental Study of the Effects of Degrees of Confinement on the Response of Square Mild Steel Plates Subjected to Blast Loading[J]. International Journal of Impact Engineering, 2015, 79: 32-44.

[7] Yao S J, Zhang D, Lu F Y. Dimensionless Number for Dynamic Response Analysis of Box-shaped Structures under Internal Blast Loading[J]. International Journal of Impact Engineering, 2016, 98: 13-18.

[8] Zhao Y P. Suggestion of a New Dimensionless Number for Dynamic Plastic Response of Beams and Plates[J]. Archive of Applied Mechanics, 1998, 68(7-8): 524-538.

[9] Bridgman P W. Dimensional Analysis[M]. New Haven: Yale University Press, 1922.

[10] Johnson W. Impact Strength of Materials[M]. London: Edward Arnold, 1972.

[11] Johnson W, Sengupta A K, Ghosh S K, et al. Mechanics of High Speed Impact at Normal Incidence between Plasticine Long Rods and Plates[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 1981, 29(5-6): 413-445.

[12] Zhao Y P. On Some Dimensionless Numbers in Fracture Mechanics[J]. International Journal of Fracture, 1997, 83: 7-13.

[13] 張振華, 陳平毅, 漆萬(wàn)鵬, 等. 艦船局部板架結(jié)構(gòu)在水下爆炸沖擊波下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的相似律研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2008, 27(6): 81-86.

Zhang Zhen-hua, Chen Ping-yi, Qi Wan-peng, et al. Scaling Law of Dynamic Response of Stiffened Plates for a Ship Subjected to under Water Shock[J]. Journal of Vibration and Shock, 2008, 27(6): 81-86.

[14] 高光發(fā). 量綱分析基礎(chǔ)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2020.

[15] Jacob N, Yuen S C K, Nurick G N, et al. Scaling Aspects of Quadrangular Plates Subjected to Localised Blast Loads—Experiments and Predictions[J]. International Journal of Impact Engineering, 2004, 30(8-9): 1179-1208.

[16] Teeling-Smith R G, Nurick G N. The Deformation and Tearing of Thin Circular Plates Subjected to Impulsive Loads[J]. International Journal of Impact Engineering, 1991, 11(1): 77-91.

[17] Olson M D, Nurick G N, Fagnan J R. Deformation and Rupture of Blast Loaded Square Plates—Predictions and Experiments[J]. International Journal of Impact Engineering, 1993, 13(2): 279-291.

Dimensional Analysis of the Dynamic Responses of Clamped Square Plates under Explosion Loads

WANG Yan-sheng1, LI Wei-bing1, YU Liang2

(1. ZNDY of Ministerial Key Laboratory, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 2. Shandong Special Industry Group Co., Zibo 255200, China)

explosion load; dimensional analysis; clamped square plate;structural response; deflection-thickness ratio

王彥盛, 李偉兵, 于良. 爆炸載荷作用下夾持方板動(dòng)態(tài)響應(yīng)量綱分析[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2022, 30(3): 378-383.

TJ6; U662.2

A

2096-3920(2022)03-0378-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.014

2022-04-20;

2021-05-22.

國(guó)家自然科學(xué)基金(11972018).

王彥盛(1998-), 男, 在讀博士, 主要研究方向?yàn)槲淦鞴I(yè)與軍事技術(shù).

(責(zé)任編輯: 吳 攀)