典型艦船艙室水下爆炸響應(yīng)特性

翟紅波，李芝絨，張玉磊，蘇健軍，姬建榮

(西安近代化學(xué)研究所,西安 710065)

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典型艦船艙室水下爆炸響應(yīng)特性

翟紅波，李芝絨，張玉磊，蘇健軍，姬建榮

(西安近代化學(xué)研究所,西安 710065)

摘要：以典型艦船艙室結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，研究炸藥水下爆炸載荷輸出特征和艙室結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)特性。給出艙室水下爆炸實驗的試驗裝置、測點(diǎn)布設(shè)，測量炸藥水下爆炸的自由場載荷和艙室所受載荷，分析艙室所受爆炸載荷的作用特征，研究艙室結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下的響應(yīng)特征，并討論藥量、爆心距對艙室結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的影響。該研究可以為反艦導(dǎo)彈作用下艦船目標(biāo)易損性評估提供技術(shù)支持，也可為艦船目標(biāo)防護(hù)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：振動與波；水下爆炸；艦船；艙室；動態(tài)響應(yīng)

艦船結(jié)構(gòu)遭受水下爆炸載荷作用的過程，是結(jié)構(gòu)在巨大瞬態(tài)載荷作用下的一種復(fù)雜非線性動態(tài)響應(yīng)過程，屬大變形、強(qiáng)非線性（材料非線性、幾何非線性、運(yùn)動非線性）問題，同時還涉及到水下爆炸氣泡和結(jié)構(gòu)之間相互耦合作用等當(dāng)今熱點(diǎn)問題。開展艦船結(jié)構(gòu)在水下爆炸下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究，是艦船目標(biāo)毀傷評估工作的基礎(chǔ)，不僅具有非常重要的軍事工程價值，而且有著較大的學(xué)術(shù)意義[1]。

由于艦船結(jié)構(gòu)爆炸沖擊響應(yīng)的數(shù)學(xué)物理模型尚不完善，而且由于強(qiáng)非線性因素，使得數(shù)值計算工作量很大。因此，目前研究結(jié)構(gòu)在水下爆炸載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)在很大程度上依賴于實驗[2]。1984年，Rentz研究了加筋平板在水下爆炸載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)[3]。1988年，Gifford等對具有初始裂紋的焊接厚板在水下爆炸載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究，并作了一系列試驗[4]。Shima等研究了水下爆炸產(chǎn)生的氣泡以及氣泡的破裂對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的沖擊作用[5]。劉建湖通過試驗，對玻璃鋼掃雷艇的水下爆炸動響應(yīng)進(jìn)行了細(xì)致的分析，揭示了艦船立體結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下動響應(yīng)的一些基本特征和傳遞規(guī)律，重點(diǎn)分析了結(jié)構(gòu)阻尼，接頭剛度和爆炸烈度對動響應(yīng)的影響[6]。劉潤泉等對船體單元結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了一系列的水下接觸爆炸試驗，擬合了經(jīng)驗破口估算公式中的系數(shù)[7]。朱錫等人對四邊剛性固定的加筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了水下接觸爆炸試驗，提出了板架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋相對剛度的概念[8]。黃建松等研究了水下爆炸產(chǎn)生的沖擊效應(yīng)對人員的損傷[9]。蔣國巖等以小型浮動沖擊平臺作為艦船模型進(jìn)行了海上爆炸試驗，發(fā)現(xiàn)其受到的沖擊波作用主要以高頻振動為主[10]。

總的來看，由于該領(lǐng)域的實驗屬破壞性實驗，因而花費(fèi)巨大，實驗條件要求也比較高。我國具備實驗條件的單位不多，實驗研究開展的也較少，且多數(shù)實驗集中在簡單板架結(jié)構(gòu)的破壞實驗上。以典型艦船艙室結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，通過測量模型底板的反射沖擊波壓力、結(jié)構(gòu)振動加速度和水中沖擊波入射壓力，研究艦船艙室結(jié)構(gòu)在沖擊波和氣泡脈動作用下的響應(yīng)特性。

1實驗裝置

艙室實驗?zāi)Ｐ蜑殚L方形艙室結(jié)構(gòu)，上端開口，長3.6 m，寬0.45 m，高0.4 m，在長度方向上內(nèi)置兩個橫隔板，將艙室結(jié)構(gòu)分為三個隔艙，實驗艙室的所有板厚均為0.004 m，所有板的連接均采用焊接，如圖1所示。

圖1　典型艦船艙室結(jié)構(gòu)實驗?zāi)Ｐ?/p>

實驗艙室的艙壁材料均采用45號鋼，密度ρ= 7 890 kg/m3，泊松比μ=0.269，楊氏模量E=209 GPa。

實試驗所用炸藥為梯泰炸藥（TNT/PETN：50/ 50），柱形裝藥，引爆裝置為8#銅雷管，炸藥的質(zhì)量為15 g和30 g。

船15205-0艙水下爆炸實驗水域為一爆炸水池，池底和池壁為鋼筋混凝土，水池直徑為12 m，水深為9.5 m。

典型艙室結(jié)構(gòu)模型漂浮于水池中心水面，在模型底板幾何中心下方0.5 m處懸掛炸藥，如圖2。

在垂直于船艙長度的方向上布設(shè)水下自由場傳感器，測量水下爆炸的入射沖擊波，測點(diǎn)距離爆心分別為400 mm、800 mm、1 200 mm和1 600 mm。如圖3所示。在船艙底部壁面上沿長度方向中心線安裝壁面壓力傳感器和振動加速度傳感器，布設(shè)7點(diǎn)，間距為450 mm，測量船艙所受的沖擊波壓力曲線和艙室結(jié)構(gòu)的振動加速度曲線。

圖2　試驗裝置布局示意圖

圖3　試驗布局和自由場傳感器的布設(shè)圖

2　水下爆炸沖擊波作用特性

表1給出了15 g和30 g兩種炸藥量爆炸時，四個水下自由場測點(diǎn)所測得的沖擊波峰值。圖4和圖5給出了測點(diǎn)4的沖擊波壓力曲線。從中可以發(fā)現(xiàn)，隨爆心距增加，沖擊波峰值迅速衰減。同樣爆心距下，30 g情況下壓力峰值比15 g時增加約40%。在波形圖中，第一個為爆炸入射波，隨后的壁面反射波，后期的突起為水中爆炸產(chǎn)生的氣泡載荷。

圖4　15 g炸藥爆炸時自由場測點(diǎn)4的壓力波形

表1　兩種炸藥量爆炸時水下自由場沖擊波壓力峰值

圖5　30 g炸藥爆炸時自由場測點(diǎn)4的壓力波形

3　典型艙室結(jié)構(gòu)所受到的沖擊載荷

表2給出15 g和30 g爆炸時，7個艙室壁面測點(diǎn)所測得的艙室所受沖擊波壓力。從中可以發(fā)現(xiàn)，隨爆心距增加，沖擊波峰值和沖量迅速衰減。

圖6—圖8給出了測點(diǎn)8在兩種炸藥量下的沖擊波壓力曲線，縱軸為壓力/MPa，其中黑色線表示的為15 g，灰色線為30 g。從測點(diǎn)8的波形圖中可以看到，15 g和30 g時的爆炸沖擊波幾乎同時到達(dá)測點(diǎn)8的傳感器，說明兩種炸藥量爆炸沖擊波在水中的傳播速度是一致的。波形圖的尾段有突起，為氣泡載荷，15 g炸藥量的氣泡脈動為67 ms，峰值約為1.56 MPa，30 g炸藥量時氣泡脈動為80 ms，峰值約為8.55 MPa。這說明炸藥量越大，氣泡脈動越長，脈動載荷越大。30 g炸藥量時氣泡脈動峰值非常高，可能是由于測點(diǎn)8已經(jīng)進(jìn)入氣泡空氣域或者射流引起的。

圖　6兩種炸藥量下壁面測點(diǎn)8所受壓力

表2　不同炸藥量爆炸時艙室壁面所受沖擊波壓力

圖7　兩種炸藥量下壁面測點(diǎn)8所受的前端沖擊波波形

圖8　兩種炸藥量下壁面測點(diǎn)8所受的氣泡載荷

圖9給出了15 g、30 g炸藥量時壁面所受壓力峰值和自由場所測沖擊波峰值之間的比較。在距爆心較近處，入射波峰值為10 MPa左右，此時壁面所受壓力峰值為入射波的4倍左右。在距爆心較遠(yuǎn)處，入射波峰值為5 MPa左右，此時壁面所受壓力峰值為入射波的2倍左右?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著入射波峰值的降低，壁面所受壓力峰值和入射波峰值之比逐漸下降，從初始的4倍下降到后期的2倍。在一定的范圍內(nèi)，入射波越大，壁面的反射系數(shù)越大。

圖9　不同炸藥量下壓力峰值對比

4　典型艙室結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)特性

表3給出了兩種炸藥量下艙室壁面所測加速度曲線的峰值，圖10和圖11給出了測點(diǎn)12的加速度曲線。從中可以發(fā)現(xiàn)，同樣爆心距處，30 g藥量時壁面的加速度峰值略大。但在爆心正上方的測點(diǎn)15處，此處為艙室地面中心，30 g炸藥量時的艙壁加速度反而比15 g炸藥量時小。這是由于15 g炸藥量時艙室沒有塑性變形，30 g炸藥量時艙室在中垂面上出現(xiàn)永久變形，兩端向上翹起，形成“V”形，中心處的變形對沖擊能量有一個消耗，導(dǎo)致沖擊加速度的減小，如圖12。

表3　不同炸藥量爆炸時艙室壁面的加速度峰值

圖10　15 g炸藥量下測點(diǎn)12的加速度曲線

圖11　30 g炸藥量下測點(diǎn)12的加速度曲線

圖12 30 g 炸藥量爆炸沖擊后艙室的變形

5結(jié)　語

（1）15 g和30 g兩種炸藥量爆炸產(chǎn)生沖擊波在水中的傳播速度是一致的；

（2）與15 g炸藥的氣泡脈動周期相比，30 g炸藥量產(chǎn)生的氣泡脈動周期較長；

（3）隨著入射波峰值的降低，壁面所受壓力峰值和入射波峰值的比值逐漸減小。在一定的范圍內(nèi)，入射波越大，壁面的反射系數(shù)越大。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾令玉.水下爆炸載荷作用下艦船總體毀傷評估方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

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[4]Gifford L N,Carlberg J R,Wiggs A J,et al.Explosive testing of full thickness precracked weldments[J].ASTM Special Technical Publication,1990(1074):157-177.

[5]Shima A,Tomita Y,Gibson D C,et al.The growth and collapse of cavitation bubbles near composite surfaces[J]. Journal of Fluid Mechanics,1989,203:199-214.

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[7]劉潤泉，白雪飛，朱錫.艦船單元結(jié)構(gòu)模型水下接觸爆炸破口試驗研究[J].海軍工程大型學(xué)報，2001，13(5)：41-46.

[8]朱錫，白雪飛，黃若波，等.船體板架在水下接觸爆炸作用下的破口試驗[J].中國造船，2003，44(1)：46-52.

[9]黃建松，汪玉.水下和空中爆炸艦員沖擊損傷效應(yīng)分析[J].噪聲與振動控制，2012，32(6)：13-16.

[10]蔣國巖，宋敬利，周華，等.艦船模型海上抗爆試驗研究[J].噪聲與振動控制，2012，32(6)：26-29.

中圖分類號：O381；O383

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.013

文章編號：1006-1355(2016)01-0061-04

收稿日期：2015-06-10

基金項目：國家自然科學(xué)基金（11372143）

作者簡介：翟紅波（1987-），男，河南商丘人，博士，助理研究員，研究方向為結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)和毀傷評估技術(shù)。E-mail:zhaihb@mail.nwpu.edu.cn

Structural Dynamic Response Characteristics of Typical Cabinsin Underwater Explosion

ZHAI Hong-bo,LI Zhi-rong,ZHANG Yu-lei,SU Jian-jun,JI Jian-rong

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute,Xi’an 710065,China)

Abstract:The output characteristic of the explosion load and the dynamic response characteristic of a cabin in underwater explosion were studied.With the typical cabin of some ships as the object,the testing apparatus and layout of the underwater explosion test points were determined.The free field pressure and the cabin’s wall pressure in the underwater explosion were measured,and the response characteristics of the cabin wall and the cabin structure to the explosion loads were analyzed.The influence of the explosive charge’s mass and the distance to explosive center on the structural dynamic responses of the cabin was discussed.This study is valuable for the damage assessment of the ship targets in missile attack.

Key words:vibration and wave;underwater explosion;ship;cabin;dynamic response