船舶進氣裝置沖擊波試驗

王明鶴，劉建軍

船舶進氣裝置沖擊波試驗

王明鶴1，劉建軍2

1海軍駐大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，遼寧大連116005
2中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

為評估船舶進氣裝置承受爆炸沖擊波的能力，進行沖擊波試驗研究。通過對比各爆室的不同裝藥量，發(fā)現(xiàn)沖擊波超壓峰值與爆室1的裝藥量成正比關系；沖擊波波形與爆室2～爆室7的裝藥量有關，爆室2的裝藥量決定了沖擊波的完整性。通過分析試驗數(shù)據(jù)，結果表明：爆炸沖擊波的沖擊波沖量最大值滯后于沖擊波超壓峰值的最大值；進氣裝置可以承受超壓峰值84.45 kPa爆炸沖擊波產(chǎn)生的15 260.84 kPa·ms沖擊波沖量的作用力。

進氣裝置；沖擊波峰值；沖擊波沖量

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：王明鶴，劉建軍.船舶進氣裝置沖擊波試驗［J］.中國艦船研究，2015，10（5）：110-116.

WANGMinghe，LIU Jianjun.Experimental study of shock waves on the ship air inletdevice［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（5）：110-116.

0　引言

沖擊波傷害是主要的爆炸傷害之一，唐獻述和范俊奇等［1-2］針對爆炸空氣沖擊波對動物的傷害效應進行了相關試驗研究，Biam ino等［3］對支管結構的沖擊波衰減特性進行了相關試驗研究。隨著科學技術的不斷進步，各類兵器爆炸當量、沖擊波持續(xù)作用時間不斷加大，使得作戰(zhàn)船舶的生存環(huán)境大為惡化，因此，近幾年來船舶領域也開始越來越重視船舶在抵抗沖擊波方面的研究。Zong和Zhang等［4-5］針對水下爆炸空泡對水面船舶結構的影響進行了模擬分析；張臣等［6］針對實船爆炸試驗中近水面壓力測量方面的問題進行了研究；蔣國巖等［7］開展了艦船模型海上抗爆試驗研究。但是，有關船舶半暴露設備抗沖擊波方面的試驗研究還少見相關報道。

船舶進氣裝置位于船舶內部的通風通道內，沖擊波首先是通過船舷的百葉窗式格柵進入通風室，然后再通過通風通道傳遞到進氣裝置門板上。本文擬通過試驗方法對進氣裝置的抗沖擊波能力進行試驗研究，并對試驗結果進行分析，以期對進氣裝置的結構設計和防護設計提供參考。

1　測試對象

船舶進氣裝置試驗樣機高820 mm，寬730 mm，長1 600mm，主體為鋼質結構，通過螺栓連接組成。裝置主要由箱體組件、門板驅動機構、限位機構、鎖緊機構及手動控制箱等部件組成，如圖1所示。

圖1　船舶進氣裝置Fig.1　Ship air inlet device

2　沖擊波試驗設備與檢測

2.1試驗裝置及試驗對象布置

試驗在爆炸波模擬裝置中進行，該設備主要由子爆室段、主爆室段、過渡段、密封段、變截面段、沖擊波整形段、試驗段和稀疏波消除裝置等部分組成，如圖2所示。

圖2　爆炸波模擬裝置結構示意圖Fig.2　Structure sketch ofblastwave simulation device

根據(jù)以往的載荷試驗情況，空氣沖擊波經(jīng)過渡段整形后，在離變截面約7.0 m處形成平面波，因此，船舶進氣裝置的放置部位只需滿足上述要求即可，如圖3所示。

圖3　進氣裝置布置示意圖Fig.3　Arrangementsketch ofair inletdevice

2.2測量原理及測點布置

根據(jù)本項試驗的目的，在調試試驗和正式試驗階段，需測量的試驗指標是沖擊波超壓峰值。試驗測試采用DH5960超靜態(tài)信號測試分析系統(tǒng)及配套的同步時鐘盒、應變適調器等設備［8］，測量系統(tǒng)原理圖如圖4所示。在爆炸波模擬裝置試驗段壁面上，布設6個空氣沖擊波壓力傳感器，如圖5所示，以便取其平均值作為沖擊波的超壓峰值，6個壓力測點徑向放置。為保證測量結果準確可信，試驗前對所有使用的傳感器和測量儀器進行了標定，用以提高傳感器和測量儀器的精度。

采用的空氣壓力傳感器為CYG4100高頻傳感器［9］，傳感器安裝時采用了王幸等［10］研制的隔振裝置，用以提高壓力傳感器的測量精度。所有的傳感器都經(jīng)過了標定，標定參數(shù)如表1所示。表中：yLS為傳感器輸出，mV；ΔPm為壓力，MPa。

圖4　測量系統(tǒng)原理示意圖Fig.4　Schematic diagram formeasure system

圖5　空氣壓力測點布置圖Fig.5　Arrangementof air pressuremeasuring points

表1　傳感器的標定系數(shù)Tab.1　Calibration coefficient of sensors

2.3試驗技術方案

表2列出了已有的4種試驗工況，這4種試驗均是在爆炸波模擬裝置中進行的，由每種工況測得的沖擊波波形如圖6所示。圖中，t1表示壓力計時開始，t2表示壓力計時結束。

分析圖6所示的波形可以看出：

1）爆室1的裝藥量越大，沖擊波超壓峰值便越大，由于本文試驗中需達到70 kPa，故爆室1中的裝藥量采用0.6 kg。

表2　各試驗裝藥量及延時間隔Tab.2　Loading dose and delay time of b lasting room s

圖6　各試驗工況的沖擊波波形Fig.6　The shock wave curvesofdifferentcases

2）為保持沖擊波波形的完整性，爆室1和爆室2中應采用大藥量，爆室2中的藥量可采用0.4或0.6 kg。爆室3～爆室7宜采用小藥量（0.2 kg）。

根據(jù)上述分析，通過調試試驗，最終確定了各相應爆室的裝藥量和時間間隔（表 3），得到了相應的沖擊波超壓時程曲線，如圖7所示。依照此種狀態(tài)，對船舶進氣裝置進行了抗沖擊波試驗。

表3　最終正式試驗子爆室的裝藥狀態(tài)Tab.3　Loading dose of differentb lasting room s

圖7　調試出的理想超壓時程曲線Fig.7　The ideal overpressure time history curve

3　試驗結果及分析

沖擊波的載荷往往表現(xiàn)為沖量型載荷，工程上采用工程經(jīng)驗模型［11］來計算沖擊波的正相沖量，其一般形式如下：

式中：I為沖擊波的正相沖量，MPa·ms；C為TNT等效裝藥量，kg；S為坑道截面積，m2；pi為坑道入口處壓力，kPa；p0為大氣壓力，kPa；A和B為系數(shù)，由試驗的實測數(shù)據(jù)確定。

對船舶進氣裝置的正面進行沖擊波試驗，其沖擊波超壓波形如圖8所示（圖中，t為最大壓力時刻），沖量波形如圖9所示，超壓峰值和沖量的匯總如表4所示，則沖擊波超壓峰值平均值為84.45 kPa，沖量平均值為15 260.84 kPa·ms。試驗表明，在此載荷條件下，船舶進氣裝置各部件的連接無明顯松動，產(chǎn)品無損壞，變形在彈性范圍內，并且手動啟閉門板正常，無卡阻現(xiàn)象。

圖8　正面沖擊試驗超壓時程曲線Fig.8　The overpressure time history curveswith front face shock test

圖9　正面沖擊試驗沖量時程曲線Fig.9　The impulse time history curveswith front face shock test

表4　正面沖擊試驗超壓參數(shù)表Tab.4　Peak overp ressure parametersw ith fron t face shock test

圖10　側面沖擊試驗超壓時程曲線Fig.10　The overpressure time history curveswith side face shock test

圖11　側面沖擊試驗沖量時程曲線Fig.11　The impulse time history curveswith side face shock test

將船舶進氣裝置樣機旋轉90°，對船舶進氣裝置的側面進行沖擊波試驗，其沖擊波超壓波形如圖10，沖量波形如圖11所示，超壓峰值和沖量的匯總如表5所示，則沖擊波超壓峰值平均值為87.8 kPa，沖量平均值為14 791.998 kPa·ms。試驗表明，在此載荷條件下，船舶進氣裝置各部件的連接無明顯松動，樣機無損壞，變形在彈性范圍內，并且手動啟閉門板正常，無卡阻現(xiàn)象。

表5　側面沖擊試驗超壓參數(shù)表Tab.5　Peak overp ressure parametersw ith side face shock test

4　結論

通過上述試驗研究，可以得出以下結論：

1）試驗中，沖擊波波形主要受各爆室裝藥量和延時時間的控制。為了得到理想的超壓時程曲線，發(fā)現(xiàn)爆室1裝藥0.6 kg，延時0 ms；爆室2裝藥0.4 kg，延時30ms；爆室3～爆室7裝藥0.2 kg，延時15ms時效果最好。

2）船舶進氣裝置樣機能夠承受標準規(guī)定超壓峰值70 kPa的沖擊波載荷，并且各部件連接無明顯松動，產(chǎn)品無損壞，變形在彈性范圍內，手動啟閉門板正常，無卡阻現(xiàn)象。船舶進氣裝置進行沖擊波試驗后，能滿足使用要求。

3）試驗證明船舶進氣裝置的結構設計和防護設計滿足要求，可為后續(xù)研究該設備的極限抗沖擊波能力提供參考。

［1］ 唐獻述，王樹民，龍源，等.爆炸空氣沖擊波對動物傷害效應試驗研究［J］.工程爆破，2012，18（2）：104-106.

TANG Xianshu，WANG Shum in，LONG Yuan，et al. Experimental study on the effect of exp losion air shockwave on the animal injury［J］.Engineering Blasting，2012，18（2）：104-106.

［2］ 范俊奇，董宏曉，高永紅，等.爆炸沖擊波作用下工事艙室內動物損傷效應試驗研究［J］.振動與沖擊，2013，32（9）：35-39.

FAN Junqi，DONG Hongxiao，GAO Yonghong，et al. Experimental investigation on damage effects on animals under the action of blast wave in a chamber［J］. Journal of Vibration and Shock，2013，32（9）：35-39.

［3］ BIAMINO L，JOURDAN G，IGRA O，et al.Experimental investigation of shock wave propagation in a 90° branched duct［J］.Shock Waves，2014，24（3）：307-315.

［4］ZONG Z，ZHAO Y J，YE F，et al.Parallel computing of theunderwater exp losioncavitationeffects on full-scale ship structures［J］.Journal of Marine Science and Application，2012，11（4）：469-477.

［5］ ZHANGAM，REN SF，LIQ，etal.3D numerical simulation on fluid-structure interaction of structure subjected to underwater explosion with cavitation［J］.Applied Mathematics and Mechanics，2012，33（9）：1191-1206.

［6］ 張臣，金輝.實船爆炸試驗中近水面壓力測量與分析［J］.水雷戰(zhàn)與艦船防護，2012，20（4）：41-45.

ZHANG Chen，JIN Hui.Measurement and analysis of near surface pressure in ship exp losion test［J］.Mine Warfare&Ship Self-Defence，2012，20（4）：41-45.

［7］蔣國巖，宋敬利，周華，等.艦船模型海上抗爆試驗［J］.噪聲與振動控制，2012（6）：26-29.

JIANG Guoyan，SONG Jingli，ZHOU Hua，et al.Study on antishock test of ship model in the sea［J］.Noise and Vibration Control，2012（6）：26-29.

［8］任新見，張慶明，薛一江.坑道口部B炸藥爆炸沖擊波傳播速度模型試驗研究［J］.振動與沖擊，2012，31（7）：71-73，88.

REN Xinjian，ZHANG Qingm ing，XUE Yijiang.Scale model tests to determ ine in-tunnel blast impact wave velocity for B-charges at tunnel entrance［J］.Journal of Vibration and Shock，2012，31（7）：71-73，88.

［9］ 趙凱，羅文超，李煦陽，等.人防工程中空殼顆粒材料抗爆性能試驗研究［J］.實驗力學，2012，27（2）：189-194. ZHAO Kai，LUO Wenchao，LI Xuyang，et al.Experimental study of explosion load bearing performance of shelly cellularmaterial used in civil defense engineering［J］.Journal of Experimental Mechanics，2012，27（2）：189-194.

［10］ 王幸，黃家蓉，孫桂娟.壓力測量中一種隔振措施的試驗研究［J］.彈箭與制導學報，2013，33（6）：67-69.

WANG Xing，HUANG Jiarong，SUN Guijuan.Experimental study ofan isolationmeasures in pressuremeasurement［J］.Journal of Projectiles，Rockets，M issiles and Guidance，2013，33（6）：67-69.

［11］BRITT JR.Attenuation of short duration blast in entranceways and tunnels［C］//Proceeding of the 2nd Symposium on the Interaction of Non-nuclear Munitionsw ith Structures.Panama，1985：466-471.

［責任編輯：盧圣芳］

Experim entalstudy of shock waveson the ship air in let device

WANGMinghe1，LIU Jianjun2
1 NavalMilitary Rep resentative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.Ltd.，Dalian 116005，China 2 China Ship Developmentand Design Center，Wuhan 430064，China

To evaluate the resistance of ship air inletdevice under explosion shock waves，an experimental research on the shock wave is conducted.The comparison among different loads reveals that the shock wave overpressure peak is proportional to the load dose of chamber b lasting room 1，the waveform of shock waves is controlled by the load dose of exp losion room 2 to room 7，and the load dose of exp losion room 2 determines the integrity of the shock wave.By analyzing the test data，it is concluded that the maximum shockwave impulse lags behind the shock wave overpressure peak value.Overall，the air inlet device can withstand a maximum of 15 260.84 kPa·ms shock impu lse force generated by the 84.45 kPa exp losion shock wave.

air inletdevice；shock wave peak overpressure；shock wave impulse

U664.1

ADOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2015.05.018

2015-03-23網(wǎng)絡出版時間：2015-10-8 10∶43

國家部委基金資助項目

王明鶴，男，1987年生，碩士，工程師。研究方向：艦船動力裝置

劉建軍（通信作者），男，1985年生，碩士，工程師。研究方向：艦船動力裝置。E-mail：liujianjun_1@163.com

網(wǎng)絡出版地址：http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151008.1043.006.htm l