張姝紅，周慶飛，金　輝

（91439部隊，遼寧 大連 116041）

攝像防護(hù)結(jié)構(gòu)抗水下爆炸沖擊響應(yīng)試驗研究

張姝紅，周慶飛，金輝

（91439部隊，遼寧 大連 116041）

為驗證高速攝像機(jī)抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下的穩(wěn)定性設(shè)計和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計的合理性，在爆炸罐內(nèi)實施防護(hù)結(jié)構(gòu)縮比模型驗證試驗，利用水下爆炸電測系統(tǒng)測量水中爆炸壓力載荷峰值，通過布設(shè)在爆炸罐外觀測窗口的高速攝像機(jī)拍攝防護(hù)結(jié)構(gòu)在水中爆炸作用下的運(yùn)動圖像，并對運(yùn)動圖像處理得到防護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移和垂向位移。試驗結(jié)果表明：防護(hù)結(jié)構(gòu)在水下爆炸沖擊波及氣泡脈動流場作用下穩(wěn)定性較好，結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生塑性變形，驗證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性設(shè)計合理性，滿足60kg TNT當(dāng)量裝藥在0.5沖擊因子、沖擊波峰值壓力11.48MPa作用下的水下爆炸工程研究需要。

水下爆炸沖擊波；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和強(qiáng)度；模型試驗；高速攝像

0　引　言

高速攝像是水下爆炸試驗測量的重要手段之一，可用于裝藥水下爆炸現(xiàn)象及目標(biāo)結(jié)構(gòu)毀傷效果的圖像拍攝［1-3］。高速攝像機(jī)安裝在留有觀測窗口的抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)，布放到開闊水域中，可以拍攝中小當(dāng)量裝藥的水下爆炸現(xiàn)象［4-7］。澳大利亞已建有一套水下爆炸試驗高速攝像系統(tǒng)，可布放到水中拍攝8kg TNT當(dāng)量裝藥的水中爆炸圖像［8-9］。由于防護(hù)結(jié)構(gòu)在水下爆炸沖擊波及氣泡脈動流場作用下將產(chǎn)生運(yùn)動、結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生塑性變形，因此需要對防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性和強(qiáng)度設(shè)計。通過線型設(shè)計使防護(hù)結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下具有良好的穩(wěn)定性，防護(hù)結(jié)構(gòu)可以為高速攝像機(jī)在水下爆炸圖像拍攝時提供穩(wěn)定的承載平臺；通過強(qiáng)度設(shè)計使防護(hù)結(jié)構(gòu)在水下爆炸強(qiáng)沖擊作用下不產(chǎn)生塑性變形，可以保證高速攝像機(jī)安全。對防護(hù)結(jié)構(gòu)抗水下爆炸的穩(wěn)定性和強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計，并在爆炸罐內(nèi)實施了防護(hù)結(jié)構(gòu)縮比模型試驗，驗證結(jié)構(gòu)線型設(shè)計的穩(wěn)定性和強(qiáng)度設(shè)計的合理性。

1　防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

攝像機(jī)水下抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計需綜合考核外形尺寸、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、攝像機(jī)尺寸、攝像機(jī)抗沖擊能力、減振防護(hù)設(shè)計、鏡頭視角、結(jié)構(gòu)內(nèi)部輔助配套電路安裝和各種線纜走線等空間要求，既要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，又要求結(jié)構(gòu)內(nèi)部有足夠的承載空間。

采用流體力學(xué)理論設(shè)計攝像機(jī)防護(hù)結(jié)構(gòu)外部線型，防護(hù)結(jié)構(gòu)的線型和尺寸設(shè)計如圖1所示，中間主體部分為圓柱型殼體，采用0.14m厚907不銹鋼；前端為攝像機(jī)視窗，采用0.25m厚的防彈玻璃；視窗與圓柱殼體連接處為弧線形，尾部為錐形，利于流體導(dǎo)流；圓柱殼體與尾錐之間為后端蓋，用于電纜穿艙、減振器安裝、攝像機(jī)支架固定及結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)備防護(hù)等。

圖1　防護(hù)結(jié)構(gòu)外部線型

用于水下爆炸圖像拍攝時，高速攝像機(jī)安裝在防護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)，防護(hù)結(jié)構(gòu)與爆源布放在水下同一深度，在爆炸沖擊波和氣泡脈動流場作用下，防護(hù)結(jié)構(gòu)主要產(chǎn)生水平方向的運(yùn)動。爆炸理論分析和仿真計算結(jié)果顯示：爆源當(dāng)量為60kg TNT、防護(hù)結(jié)構(gòu)前端位置處沖擊因子為0.5、沖擊波峰值壓力為11.48 MPa時，爆炸氣泡脈動流場的流速為1 m/s，在一個氣泡脈動周期內(nèi)水平方向產(chǎn)生的位移＜0.05m，防護(hù)結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生塑性變形，基本不影響高速攝像機(jī)拍攝效果且保證攝像機(jī)的安全［10］。

2　驗證試驗

2.1試驗工況

為驗證防護(hù)結(jié)構(gòu)外部線型在水下爆炸沖擊波和氣泡脈動作用下的穩(wěn)定性，同時驗證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計合理性，根據(jù)幾何相似原理進(jìn)行了縮比模型驗證試驗，為保證驗證效果，縮比模型控制在1∶5范圍內(nèi)［11］。高速攝像機(jī)防護(hù)結(jié)構(gòu)的縮比模型設(shè)計與原結(jié)構(gòu)尺寸比例為1∶3，內(nèi)部安裝高速攝像機(jī)縮比質(zhì)量塊。防護(hù)結(jié)構(gòu)縮比模型實物如圖2所示。

圖2　防護(hù)結(jié)構(gòu)縮比模型實物

試驗在實驗室爆炸罐內(nèi)進(jìn)行，爆源為0.2kg TNT標(biāo)準(zhǔn)藥球，入水深度2.475 m，爆炸沖擊因子（SF）分別為0.2和0.4，對應(yīng)的爆距（D）、理論峰值壓力和流場流速如表1所示。根據(jù)流體力學(xué)理論，水中結(jié)構(gòu)體發(fā)生振動主要受流體流速影響［12］。可以看到在1#試驗中，水中爆炸氣泡脈動產(chǎn)生的流場速度為1.24 m/s、沖擊波峰值壓力為11.55 MPa，略大于60 kg TNT、0.5沖擊因子試驗工況下的1m/s氣泡脈動流場速度和11.48MPa的沖擊波峰值壓力；在2#試驗中，氣泡脈動產(chǎn)生的流場速度為4.94m/s，峰值壓力為25.14 MPa，遠(yuǎn)大于60kg TNT、0.5沖擊因子試驗工況下的氣泡脈動流場速度和峰值壓力，該工況試驗主要用于對比驗證在爆炸作用下的運(yùn)動情況和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的對比驗證；理論分析和仿真計算顯示防護(hù)結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊作用下產(chǎn)生的位移主要由氣泡脈動引起的流場變化作用結(jié)果，同時根據(jù)水下爆炸試驗沖擊波峰值壓力等效原則，1#試驗可以驗證60kg TNT、0.5沖擊因子、峰值壓力11.48MPa條件下的防護(hù)結(jié)構(gòu)運(yùn)動和毀傷情況。

表1　試驗工況對應(yīng)參數(shù)

2.2試驗布設(shè)

防護(hù)結(jié)構(gòu)縮比模型和藥球通過橫桿懸浮布放到爆炸罐內(nèi)，罐內(nèi)注滿水；爆炸罐留有多個觀測窗口，在爆炸罐外部的觀測窗口布設(shè)高速攝像機(jī)，記錄爆炸過程中防護(hù)結(jié)構(gòu)運(yùn)動圖像；防護(hù)結(jié)構(gòu)前端布設(shè)一個壓力測點，對水下爆炸自由場壓力進(jìn)行測量，并監(jiān)測藥球是否完全爆轟，試驗布設(shè)如圖3所示。

圖3　模型試驗布設(shè)示意圖

3　試驗結(jié)果及分析

兩次試驗均獲得了自由場壓力和防護(hù)結(jié)構(gòu)運(yùn)動情況的圖像數(shù)據(jù)。

3.1自由場壓力測量結(jié)果分析

根據(jù)自由場壓力測量結(jié)果判斷，兩次試驗藥球均完全爆轟。圖4為1#試驗自由場壓力測量結(jié)果曲線，壓力測點到藥包距離為1.8m，測量曲線中第1個峰值為爆炸沖擊波峰值壓力，第2個峰值為爆炸罐壁反射匯聚產(chǎn)生的壓力，反射壓力大于爆炸沖擊波峰值壓力，產(chǎn)生的氣泡脈動周期與理論值相符。

圖4　1#自由場壓力測量曲線

在沖擊因子為0.2和0.4兩個工況下，防護(hù)結(jié)構(gòu)均未產(chǎn)生塑性變形，外觀完好。

3.2防護(hù)結(jié)構(gòu)運(yùn)動測量結(jié)果與分析

通過布設(shè)在爆炸罐外的高速攝像機(jī)拍攝得到防護(hù)結(jié)構(gòu)運(yùn)動圖像，經(jīng)過處理得到結(jié)構(gòu)在縱向（水平方向）和垂直方向產(chǎn)生的位移。比較兩個工況試驗中高速攝像機(jī)拍攝的圖像數(shù)據(jù)可以看出：防護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移隨爆距的拉近而增大，產(chǎn)生的位移以縱向為主，垂向產(chǎn)生較小的位移。由壓力測量結(jié)果可知，爆炸時爆炸罐內(nèi)存在嚴(yán)重且復(fù)雜的反射現(xiàn)象，導(dǎo)致防護(hù)結(jié)構(gòu)位移測量結(jié)果存在一定的誤差，但總體趨勢符合仿真計算時的預(yù)估運(yùn)動特點：防護(hù)結(jié)構(gòu)縱向的運(yùn)動特點是在爆炸沖擊波和氣泡脈動作用下做先正向后反向的往復(fù)運(yùn)動，這主要是由于模型在入射沖擊波載荷作用下作正向運(yùn)動，而后運(yùn)動的模型在流體阻尼和反射匯聚沖擊波的作用下運(yùn)動變緩直至運(yùn)動方向反向；垂向的運(yùn)動特點是圍繞零線的上下做周期運(yùn)動（周期約為400 ms），這主要是試驗過程中水下爆炸激起的爆炸罐整體運(yùn)動所導(dǎo)致。表2為兩個工況條件下由爆炸圖像處理得到的結(jié)果。

表2　爆炸圖像處理結(jié)果

圖5為沖擊因子為0.2的1#試驗中防護(hù)結(jié)構(gòu)水平方向運(yùn)動位移曲線，爆炸流場速度為1.24m/s，爆炸圖像處理結(jié)果顯示防護(hù)結(jié)構(gòu)在該工況下產(chǎn)生的最大水平位移約為0.12 m，產(chǎn)生最大位移時刻為爆炸后的1 s時刻，在二次氣泡脈動周期時產(chǎn)生的位移＜0.02m（0.2 kg TNT裝藥、布深2.475m時的氣泡脈動周期理論值約為0.147s）；圖6為沖擊因子為0.4的2#試驗中防護(hù)結(jié)構(gòu)水平方向運(yùn)動位移曲線，爆炸圖像處理結(jié)果顯示防護(hù)結(jié)構(gòu)在該工況下產(chǎn)生的最大水平位移為0.14m，產(chǎn)生最大位移時刻為爆炸后的1s時刻，在二次氣泡脈動周期時的位置產(chǎn)生的位移＜0.04m；圖7和圖8分別為1#試驗和2#試驗中防護(hù)結(jié)構(gòu)垂直方向運(yùn)動位移曲線，在2個工況下防護(hù)結(jié)構(gòu)垂直方向產(chǎn)生的位移較小，主要是爆炸罐在爆炸后的整體運(yùn)動所引起。

圖5　1#試驗防護(hù)結(jié)構(gòu)縱向位移時間曲線

圖6　2#試驗防護(hù)結(jié)構(gòu)縱向位移時間曲線

圖7　1#試驗防護(hù)結(jié)構(gòu)垂向位移時間曲線

圖8　2#試驗防護(hù)結(jié)構(gòu)垂向位移時間曲線

4　結(jié)束語

通過防護(hù)結(jié)構(gòu)縮比模型試驗，驗證防護(hù)結(jié)構(gòu)外部線型和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計的合理性。試驗主要得到如下結(jié)論：

1）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足60kg TNT、0.5沖擊因子、峰值壓力11.48MPa水中爆炸作用下的攝像機(jī)安全防護(hù)使用要求。

2）爆炸流場速度為1.24 m/s時，防護(hù)結(jié)構(gòu)在二次氣泡脈動周期內(nèi)產(chǎn)生的縱向位移不到0.05 m，防護(hù)結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊波和氣泡脈動作用下穩(wěn)定性較好，滿足60kg TNT、0.5沖擊因子和1 m/s爆炸流場速度下攝像機(jī)拍攝圖像的穩(wěn)定性使用要求，能為高速攝像機(jī)水下爆炸圖像拍攝提供穩(wěn)定的承載平臺。

［1］榮吉利，李健，楊榮杰，等.水下爆炸氣泡脈動的實驗及數(shù)值模擬［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報，2008，28（12）：1035-1038.

［2］朱錫，牟金磊，洪江波，等.水下爆炸氣泡脈動特性的試驗研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)，2007，28（4）：365-368.

［3］尹群，陳永念，湖海巖.水下爆炸研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.造船技術(shù)，2003，256（6）：6-12.

［4］黃曉明，朱錫，牟金磊，等.圓柱殼在水下爆炸作用下鞭狀響應(yīng)試驗研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2010，31（10）：1278-1285.

［5］金輝，周華，沈曉樂，等.炸藥水下爆炸氣泡運(yùn)動特性研究［J］.兵工學(xué)報，2013，34（z1）：147-151.

［6］張阿曼，姚熊亮.近壁面氣泡的動態(tài)特性研究［J］.中國造船，2008，49（1）：1-9.

［7］黃超，汪斌，姚熊亮，等.實驗室尺度水下爆炸氣泡實驗方法［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（12）：75-81.

［8］BRETT J M，YIANNAKOPOLOUS G.A study of explosive effects in close proximity to a submerged cylinder［J］.International Journal of Impact Engineering，2008（35）：206-225.

［9］BRETT J M，BUCKLAND M，TURNER T，et al.An experimental Facility for Imaging of Medium Scale Underwater Explosions，DSTO-TR-1432［R］.Australian：Defence Science and Technology Organisation，2003.

［10］張姝紅，田恒斗，沈曉樂，等.高速攝影防護(hù)結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下的動態(tài)特性分析［J］.兵工學(xué)報，2013，34（z1）：253-257.

［11］朱錫，張振華，劉潤泉，等.水密艦艇舷側(cè)防雷艙結(jié)構(gòu)模型抗爆試驗研究［J］.爆炸與沖擊，2004，24（2）：133-139.

［12］朱立明，柯葵.流體力學(xué)［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2009：59-65.

（編輯：徐柳）

Experimental study on dynamic behavior of camera protecting structures in underwater explosion

ZHANG Shuhong，ZHOU Qingfei，JIN Hui
（Unit 91439，Dalian 116041，China）

To prove the stability and strength of high-speed camera protecting structures，the following tests were carried out：place a reduced scale model for protecting structure into an explosion tank，measure the peak value of explosive pressure load of underwater explosion with an electricalmeasurementsystem，shootthemotionimageofthemodelundertheactionof underwater explosion by a high-speed camera on the observation window outside the explosion tank，and process the motion image taken to get the horizontal and vertical displacement values of the model.The experimental results indicate that the protecting structure is steady and no plastic deformation is caused by underwater explosion shock waves and bubble impulses.The protecting structure is strong and stable enough to meet the need for underwater engineering research of 60kg TNT with shock factor of 0.5 and peak pressure 11.48MPa.

underwater explosion shock wave；structural stability and strength；model test；highspeed photography

A

1674-5124（2016）05-0089-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.05.019

2015-11-05；

2015-12-14

張姝紅（1971-），女，遼寧遼中縣人，高級工程師，碩士，主要從事水下爆炸試驗技術(shù)。