水下接觸爆炸對舷側(cè)空艙結(jié)構(gòu)破壞載荷測試技術(shù)研究

盛振新，劉建湖，毛海斌，張顯丕，周章濤，黃文斌

(1.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082; 2.中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621900)

0 引 言

在現(xiàn)代海戰(zhàn)中，隨著魚雷等水中兵器制導(dǎo)、引信等技術(shù)的發(fā)展，其對水面艦艇的攻擊部位越來越趨向舷側(cè)空艙結(jié)構(gòu)，且爆距越來越近，達(dá)到了接觸爆炸范圍，造成水面艦艇的嚴(yán)重毀傷。為了提高舷側(cè)空艙結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力，提高水面艦艇的生命力，需首要開展水下接觸爆炸對舷側(cè)空艙結(jié)構(gòu)破壞載荷的研究，該問題也是近年來的研究熱點和難點。

然而，目前國內(nèi)外的相關(guān)研究主要集中在水下接觸爆炸作用下空艙結(jié)構(gòu)的破壞模式、防護(hù)機(jī)理、防護(hù)效能評估方法等方面[1-8]，而對于水下接觸爆炸對空艙結(jié)構(gòu)破壞載荷的研究較少。吳林杰等[9-10]利用LSDYNA軟件對水下接觸爆炸與防雷艙舷側(cè)空艙的相互作用過程進(jìn)行了仿真分析，并開展了模型試驗，得到了舷側(cè)空艙內(nèi)部側(cè)壁上的壓力載荷，試驗過程中個別傳感器發(fā)生損壞，況且未損壞傳感器的測量結(jié)果并不一定正確。究其原因是測試技術(shù)未能很好解決，其難點主要表現(xiàn)為，沖擊波壓力峰值為百兆帕級甚至吉帕級，現(xiàn)有測量技術(shù)難以實現(xiàn)沖擊波壓力時程的直接測量，爆轟產(chǎn)物破壞載荷涉及高溫高壓物質(zhì)的高速沖刷，給傳感器的防護(hù)帶來巨大困難。

鑒于此，本文開展了水下接觸爆炸對舷側(cè)空艙結(jié)構(gòu)破壞載荷測試技術(shù)的研究，首先根據(jù)舷側(cè)空艙結(jié)構(gòu)特點確定測試方法，然后進(jìn)行試驗?zāi)Ｐ汀y試系統(tǒng)等設(shè)計，最后對測試結(jié)果進(jìn)行分析。本文的研究可為相關(guān)理論研究和試驗測試提供技術(shù)支撐，進(jìn)而為水面艦艇防護(hù)能力的提高奠定基礎(chǔ)。

1 測試方法

水面艦艇在遭受魚雷等武器接觸爆炸破壞時，舷側(cè)空艙結(jié)構(gòu)的外板在爆炸沖擊波作用下產(chǎn)生大破口，之后爆轟產(chǎn)物通過外板破口進(jìn)入艙內(nèi)，形成氣柱射流，作用在空艙結(jié)構(gòu)的內(nèi)板上。鑒于此，沖擊波的破壞載荷主要作用于外板，爆轟產(chǎn)物的破壞載荷主要作用于內(nèi)板。

為了研究水下接觸爆炸對舷側(cè)空艙結(jié)構(gòu)的破壞載荷，在空艙內(nèi)布置傳感器測量外板在沖擊波作用下的動響應(yīng)，在內(nèi)板后布置傳感器測量內(nèi)板在爆轟產(chǎn)物作用下的動響應(yīng)。然而上述測試方法存在一個問題：測量外板動響應(yīng)時，需在艙內(nèi)布置傳感器，其安裝支架在試驗時會與內(nèi)板發(fā)生撞擊，影響作用在內(nèi)板上載荷，從而影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，本文提出一種新的測試方法，思路如下：

1）分別測量沖擊波破壞載荷和爆轟產(chǎn)物破壞載荷。

2）測量沖擊波破壞載荷時，試驗?zāi)Ｐ蛢H包括空艙結(jié)構(gòu)外板和縱橫隔板，如圖1（a）所示，采用DPS（多普勒光纖探針）測量外板上典型位置處的速度時程，根據(jù)測量結(jié)果分析得到不同接觸爆炸條件下沖擊波破壞載荷的時空分布特性。

3）測量爆轟產(chǎn)物破壞載荷時，試驗?zāi)Ｐ桶张摻Y(jié)構(gòu)外板、縱橫隔板和內(nèi)板。同時，在外板上預(yù)制破口，形成水-氣強(qiáng)間斷面，沖擊波在通過時會急劇衰減，其對內(nèi)板的作用可忽略，而爆轟產(chǎn)物從預(yù)制破口進(jìn)入艙內(nèi)。相應(yīng)地，將內(nèi)板設(shè)計為與破口面積一致的質(zhì)量塊，布置在內(nèi)板位置，如圖1（b）所示。采用激光位移傳感器測量質(zhì)量塊的位移時程，根據(jù)測量結(jié)果分析得到爆轟產(chǎn)物破壞載荷隨爆距的變化規(guī)律。

2 試驗設(shè)計

2.1 沖擊波破壞載荷測試試驗設(shè)計

圖1 破壞載荷測試試驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D

沖擊波破壞載荷測試試驗的總體布置如圖2所示，包括空艙結(jié)構(gòu)模型、安裝框架及水箱、DPS測量系統(tǒng)和飛片收集裝置。空艙結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，根據(jù)舷側(cè)空艙結(jié)構(gòu)按照1∶10縮比設(shè)計，材料為Q235B。

圖2 沖擊波破壞載荷測試試驗的總體布置

圖3 空艙結(jié)構(gòu)模型

為便于測試，試驗在陸地上進(jìn)行，因此設(shè)計了模型安裝框架及水箱。綜合考慮試驗藥量、試驗工況等因素，設(shè)計了圖4所示的模型安裝框架及水箱，模型安裝框架材料為Q345，水箱材料為Q235B。

空艙結(jié)構(gòu)模型上的速度測點位置如圖5（a）所示，本文重點關(guān)注位于外板上的D1、D5、D6、D7和D8。DPS激光探頭的布置如圖5（b）所示，每一個DPS激光探頭獨立地布置在一根固定桿上，可以防止模型不同位置的速度起始時間不同造成的相互干擾。飛片收集裝置包括飛片收集層和支架，飛片收集層結(jié)構(gòu)由PE泡沫板、木板及鋼板三層結(jié)構(gòu)組成。

2.2 爆轟產(chǎn)物破壞載荷測試試驗設(shè)計

爆轟產(chǎn)物破壞載荷測試試驗的總體布置如圖6所示，包括預(yù)制破口空艙結(jié)構(gòu)模型、質(zhì)量塊、安裝框架及水箱、激光位移測量系統(tǒng)和防護(hù)裝置。其中，安裝框架及水箱與沖擊波破壞能量測試試驗相同。

沖擊波破壞載荷測試試驗中空艙結(jié)構(gòu)模型的破壞情況如圖7（a）所示，破口邊緣基本到相鄰縱橫隔板，因此爆轟產(chǎn)物破壞載荷測試試驗中，在空艙結(jié)構(gòu)模型上預(yù)制一個破口，破口寬×高為150 mm×250 mm，如圖7（b）所示。向水箱內(nèi)注水前，將預(yù)制破口用薄膜進(jìn)行水密處理。

圖4 模型安裝框架及水箱設(shè)計圖（單位：mm）

圖5 速度測點位置及DPS激光探頭布置

圖6 爆轟產(chǎn)物破壞載荷測試試驗的總體布置

圖7 破口情況及預(yù)制破口空艙結(jié)構(gòu)模型

質(zhì)量塊如圖8所示，其厚度為30 mm，迎爆面寬×高為150 mm×250 mm，質(zhì)量約為10.6 kg。為了盡可能地減少爆轟產(chǎn)物泄露，質(zhì)量塊采用梯形結(jié)構(gòu)，斜面夾角60°。試驗時，將其與縱橫隔板點焊。

采用激光位移傳感器測量質(zhì)量塊的位移時程，傳感器的采樣頻率為2.5 kHz。為了防止質(zhì)量塊和飛濺水撞擊傳感器，將其布置在防護(hù)裝置后面，如圖7所示。防護(hù)裝置由橡膠板、鋼板和有機(jī)玻璃板組成，其上有一個狹長開孔，激光通過狹長開孔打在質(zhì)量塊背爆面中心。

3 測試結(jié)果及分析

3.1 沖擊波破壞載荷測試結(jié)果及分析

沖擊波破壞載荷測試試驗采用125 g的TNT球藥，半徑R0為26.5 mm，共進(jìn)行4個工況。DPS測得典型速度時程曲線如圖9所示，各工況條件下各測點的峰值速度列于表1中。

圖8 質(zhì)量塊

根據(jù)速度測量結(jié)果，計算得到不同接觸爆炸條件下沖擊波破壞載荷的能流密度分布規(guī)律如圖10所示，圖中D為測點位置距爆心投影點的距離。從圖中可以看出：1）正入射點處，沖擊波破壞載荷的能流密度隨爆距增大而減小；2）不同爆距下能流密度的差異主要在D/R0＜6的范圍內(nèi)，且爆距越小，能流密度分布的局部效應(yīng)越明顯。

3.2 爆轟產(chǎn)物破壞載荷測試結(jié)果及分析

爆轟產(chǎn)物破壞載荷測試試驗采用125 g的TNT柱藥，尺寸為?50 mm×42 mm，等效半徑為26.5 mm，共進(jìn)行3個工況。激光位移傳感器測得典型位移時程曲線（4R0）如圖11所示，計算得到各工況條件下質(zhì)量塊的平均速度和動能列于表2中。

從表2的分析結(jié)果可知，質(zhì)量塊的動能隨爆距增大是增大的，如果質(zhì)量塊動能表征的是爆轟產(chǎn)物破壞載荷，則明顯與水下爆炸破壞載荷隨爆距增大而減小的規(guī)律相悖。經(jīng)過分析認(rèn)為，R0工況下，只有爆轟產(chǎn)物的氣柱射流作用在質(zhì)量塊上，而2R0和4R0工況下，作用在質(zhì)量塊上的先是藥包與空艙結(jié)構(gòu)外板之間的水形成的水柱射流，后是爆轟產(chǎn)物的氣柱射流，而且爆距越大，水柱射流的質(zhì)量越大，即能量越大。水柱射流一部分是沖擊波滯后流，一部分是爆轟產(chǎn)物驅(qū)動產(chǎn)生的，因此，應(yīng)將2R0和4R0工況下的質(zhì)量塊動能扣除沖擊波滯后流的載荷，才是該工況下的爆轟產(chǎn)物破壞載荷，這是后續(xù)工作需解決的一個重要問題。

圖9 DPS測得典型速度時程曲線

表1 沖擊波破壞載荷試驗DPS測量結(jié)果

圖10 沖擊波破壞載荷的能流密度分布規(guī)律

圖11 激光位移傳感器測得質(zhì)量塊典型位移時程曲線

表2 爆轟產(chǎn)物破壞載荷試驗激光位移傳感器測量結(jié)果與分析

4 結(jié)束語

本文開展了水下接觸爆炸對舷側(cè)空艙結(jié)構(gòu)破壞載荷測試技術(shù)的研究，得到如下結(jié)論：

1）正入射點處，沖擊波破壞載荷的能流密度隨爆距增大而減小。

2）不同爆距下沖擊波破壞載荷的能流密度的差異主要在D/R0＜6的范圍內(nèi)，且爆距越小，能流密度分布的局部效應(yīng)越明顯。

3）R0工況下，只用爆轟產(chǎn)物的氣柱射流作用在質(zhì)量塊上，而2R0和4R0工況下，作用在質(zhì)量塊上的先是藥包與空艙結(jié)構(gòu)外板之間的水形成的水柱射流，后是爆轟產(chǎn)物的氣柱射流，因此，2R0和4R0工況下爆轟產(chǎn)物破壞載荷應(yīng)將質(zhì)量塊動能扣除沖擊波滯后流的載荷。

為了將沖擊波滯后流的載荷從質(zhì)量塊動能中扣除，以得到爆轟產(chǎn)物的破壞載荷，需建立水下接觸爆炸條件下沖擊波滯后流載荷的計算方法；本文中的試驗結(jié)果僅針對典型結(jié)構(gòu)參數(shù)，后續(xù)需研究空艙結(jié)構(gòu)外板和質(zhì)量塊參數(shù)對破壞載荷的影響規(guī)律。