黃治新, 喻 敏, 杜志鵬, 李 營(yíng), 秦中華

(1. 武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063；2. 海軍裝備研究院，北京 102401 ；3.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049)

水下中空結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆試驗(yàn)方法研究

黃治新1,2, 喻 敏1, 杜志鵬2, 李 營(yíng)1,2, 秦中華3

(1. 武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063；2. 海軍裝備研究院，北京 102401 ；3.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049)

通過(guò)對(duì)直徑3 m、長(zhǎng)5 m的鋼制壓力罐內(nèi)水域上方空氣加壓，進(jìn)行0.5 MPa水域環(huán)境下的光電倍增管內(nèi)爆試驗(yàn)。在壓力罐內(nèi)壁粘貼聲阻抗較小的橡膠層，能有效減小鋼制壁面反射沖擊波對(duì)內(nèi)爆試驗(yàn)結(jié)果的影響，通過(guò)壓力罐視窗提供的大功率燈光，為高速攝像機(jī)提供光源。在壓力罐中進(jìn)行0.5 MPa水域環(huán)境下光電倍增管內(nèi)爆試驗(yàn)得到了和理論研究一致的沖擊波壓力時(shí)域曲線(xiàn)，拍攝到清晰的光電倍增管內(nèi)爆過(guò)程，該研究?jī)?nèi)容為水下中空結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆提供了一種較好的試驗(yàn)方法。

壓力罐;內(nèi)爆;試驗(yàn)方法;沖擊波;高速攝影

在深水環(huán)境下工作的中空結(jié)構(gòu)物，外表面承受高靜水壓力載荷，當(dāng)結(jié)構(gòu)物殼體的應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度、屈曲強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度時(shí)會(huì)發(fā)生內(nèi)爆[1]。內(nèi)爆過(guò)程持續(xù)時(shí)間在毫秒量級(jí)，結(jié)構(gòu)物殼體被壓潰塌陷，流場(chǎng)靜水壓力轉(zhuǎn)化為流體動(dòng)能，水流壓縮結(jié)構(gòu)至最小限度時(shí)，會(huì)發(fā)生水錘型的沖擊，水流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為沖擊波壓力對(duì)周?chē)Y(jié)構(gòu)造成破壞。

水下結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆最典型事故是2001年日本“超級(jí)神岡”中微子實(shí)驗(yàn)站約7 000個(gè)光點(diǎn)倍增管連鎖發(fā)生內(nèi)爆；2014年美國(guó)深?？蒲袧撏А澳崴埂碧?hào)在執(zhí)行深海10 000 m作業(yè)時(shí)發(fā)生內(nèi)爆。隨著基礎(chǔ)物理領(lǐng)域科研探索、海洋領(lǐng)域的深海開(kāi)發(fā)和海軍裝備的研發(fā)，中空結(jié)構(gòu)物在深水環(huán)境下內(nèi)爆機(jī)理，已經(jīng)引起了國(guó)際廣泛關(guān)注。

研究水下中空結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆機(jī)理最直接有效的方法是開(kāi)展相關(guān)結(jié)構(gòu)物的內(nèi)爆試驗(yàn)，用高速攝像機(jī)記錄內(nèi)爆過(guò)程的直觀圖像，壓力傳感器記錄內(nèi)爆沖擊波壓力時(shí)域特征，結(jié)合高速攝影和壓力時(shí)域數(shù)據(jù)分析內(nèi)爆機(jī)理。但是，開(kāi)展水下結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆試驗(yàn)存在很多技術(shù)難點(diǎn)。水下結(jié)構(gòu)物的內(nèi)爆大多發(fā)生在深水環(huán)境中，水下結(jié)構(gòu)物和測(cè)量設(shè)備難以固定，深水環(huán)境缺少光線(xiàn)，高速攝像機(jī)無(wú)法拍攝到內(nèi)爆過(guò)程，內(nèi)爆產(chǎn)生的沖擊波對(duì)高速攝像機(jī)有很強(qiáng)的破壞作用。因此，水下結(jié)構(gòu)物的內(nèi)爆試驗(yàn)研究是在有限水域中進(jìn)行的。

DIWAN等[2]在0.69 MPa的靜水壓力罐中進(jìn)行了兩次光電倍增管內(nèi)爆試驗(yàn)，測(cè)量了內(nèi)爆過(guò)程中壓力數(shù)值，拍攝了內(nèi)爆過(guò)程高速攝像，但高速攝像清晰度不夠。GISH等[3]在壓力罐中進(jìn)行了水下金屬圓柱殼的內(nèi)爆試驗(yàn)，對(duì)比了圓柱殼長(zhǎng)度、直徑和厚度對(duì)沖擊波的影響。TURNER[4]進(jìn)行了一系列的薄壁鋁合金管的水下內(nèi)爆試驗(yàn)，內(nèi)爆后鋁合金管呈現(xiàn)為平坦的雙瓣壓潰塌狀態(tài)。PINTO等[5]在壓力容器中進(jìn)行了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料管的水下內(nèi)爆試驗(yàn)，研究了不同結(jié)構(gòu)形式下的內(nèi)爆沖擊波壓力特征，評(píng)估其破壞潛力。2007年美國(guó)水面作戰(zhàn)中心[6](NSWC)提出未來(lái)潛艇外攜設(shè)備可能發(fā)生內(nèi)爆，產(chǎn)生沖擊波對(duì)潛艇殼體造成破壞，并資助了水下圓柱殼內(nèi)爆試驗(yàn)研究。在水聲領(lǐng)域中為了方便、安全地獲得標(biāo)準(zhǔn)的水聲信號(hào)，近期研究采用玻璃容器內(nèi)爆代替水下爆炸的方法[7]。雖然國(guó)外進(jìn)行了關(guān)于水下中空結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆試驗(yàn)，但對(duì)于水下結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆的試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)原理的相關(guān)研究卻比較少。

本文根據(jù)應(yīng)力波原理[8]，采用在大型鋼制壓力罐內(nèi)壁貼低聲阻抗橡膠層，減小反射沖擊波對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；對(duì)壓力罐中水域上方預(yù)留空氣加壓，使水域維持較高靜壓力；在壓力罐壁開(kāi)設(shè)有機(jī)玻璃視窗，從視窗口提供大功率燈光，為高速攝像機(jī)拍攝提供光線(xiàn)。用該試驗(yàn)方法進(jìn)行0.5 MPa水域環(huán)境的光電倍增管內(nèi)爆試驗(yàn)，測(cè)量得到內(nèi)爆過(guò)程沖擊波壓力數(shù)據(jù)，拍攝內(nèi)爆過(guò)程高速攝像。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

水下結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆試驗(yàn)裝置是直徑為3 m，長(zhǎng)度為5 m，壁厚0.03 m的圓柱形鋼制壓力罐，內(nèi)部設(shè)有工作平臺(tái)和壓力傳感器，如圖1所示。在壓力罐內(nèi)壁鋪設(shè)厚度為0.03 m的橡膠，在頂部和兩側(cè)面開(kāi)設(shè)有機(jī)玻璃視窗，有機(jī)玻璃厚度為0.05 m，通過(guò)有機(jī)玻璃視窗，為試驗(yàn)提供大功率光源，在側(cè)面中間斜向上視窗位置安放高速攝像機(jī)，在頂部設(shè)有加水和加壓閥，在封頭的一端設(shè)有密封門(mén)，密封門(mén)可以開(kāi)啟，便于進(jìn)入壓力罐安裝中空結(jié)構(gòu)物，試驗(yàn)時(shí)保持密封。在進(jìn)行內(nèi)爆試驗(yàn)時(shí)，向壓力罐內(nèi)加水，保證試驗(yàn)過(guò)程中水深完全覆蓋PCB壓力傳感器，并在水域上方預(yù)留一定體積的空氣，向壓力罐內(nèi)空氣加壓，使水域靜壓力增大到水下結(jié)構(gòu)物發(fā)生內(nèi)爆時(shí)的深水環(huán)境壓力。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of thetest apparatus

1.2 試驗(yàn)原理

根據(jù)應(yīng)力波理論，當(dāng)入射彈性波擾動(dòng)Δσ1到達(dá)兩種聲阻抗不同的介質(zhì)接觸界面時(shí)，分別向兩種介質(zhì)中傳播反射擾動(dòng)ΔσR和透射擾動(dòng)ΔσT，如圖2所示。介質(zhì)的接觸界面上兩側(cè)經(jīng)反射、透射后質(zhì)點(diǎn)速度相等，應(yīng)力相等，入射擾動(dòng)Δσ1、反射擾動(dòng)ΔσR、透射擾動(dòng)ΔσT之間的關(guān)系為：

(1)

Δσ1+ΔσR=ΔσT

(2)

式中:ρ0為介質(zhì)0密度;c0為介質(zhì)0中波速;ρ0c0為介質(zhì)0的波阻抗;ρ1為介質(zhì)1密度;c1為介質(zhì)1波速;ρ1c1為介質(zhì)1的波阻抗。

由式(1)、式(2)得：

ΔσT=TΔσ1，ΔσR=FΔσ1

(3)

T=2/(1+n)，F(xiàn)=(1-n)/(1+n)，

n=ρ0c0/ρ1c1

(4)

式中:T、F分別為透射因素和反射因素;n為波阻抗比。由式(3)和式(4)知，如果，n>1，則F<0，此時(shí)入射沖擊波會(huì)在界面上向介質(zhì)0反射稀疏波，并向介質(zhì)1傳入透射沖擊波。

圖2 彈性波在不同材料中的透射和反射Fig.2 Transmission and reflection of elastic waves in different materials

以上分析均是以彈性波為例，需要說(shuō)明的是波在兩種介質(zhì)交界面上的透、反射的規(guī)律從定性的角度講對(duì)任何類(lèi)型的波也都是成立的。

在壓力罐內(nèi)壁貼有3 cm厚度的橡膠層，橡膠密度ρ=930 kg/m3，沖擊波在橡膠中的傳播速度約為cr=0.046 km/s；水的密度ρ=1 000 kg/m3，沖擊波在水中傳播速度約為cw=1.48 km/s；鋼的密度ρs=7 850 kg/m3，沖擊波在鋼中傳播速度約為cs=5.19 km/s。在水和橡膠的交界面波阻抗比為：nw/r=35.6、nr/w=0.028 9；橡膠和鋼壁的交界面阻抗比為：nr/s=(ρrcr)/(ρscs)=0.001。

假設(shè)內(nèi)爆產(chǎn)生的沖擊波傳播方向和材料界面垂直，在水和橡膠界面會(huì)反射稀疏波，從水中透射進(jìn)入橡膠中的沖擊波ΔσT=0.054 6Δσ1，在橡膠和鋼壁界面反射的沖擊波ΔσR=0.998ΔσT=0.054 49Δσ1，從橡膠中透射進(jìn)入水中的沖擊波ΔσT0=0.106Δσ1。因此，添加橡膠層后，壓力罐內(nèi)壁橡膠層反射沖擊波ΔσT0僅為入射沖擊波ΔσT的0.106倍，反射沖擊波壓力值得到了大幅度降低。

水下中空結(jié)構(gòu)物被壓潰瞬間，會(huì)形成高速向壓縮方向運(yùn)動(dòng)的水流，導(dǎo)致水域局部壓力突然降低而形成空化現(xiàn)象。如果水域壓力降低過(guò)多，則在壓力罐中進(jìn)行的水下結(jié)構(gòu)物的內(nèi)爆試驗(yàn)與深水下結(jié)構(gòu)物的真實(shí)內(nèi)爆過(guò)程有很大差別，會(huì)呈現(xiàn)水流流速降低，沖擊波壓力降低等結(jié)果。在壓力罐中進(jìn)行水下結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆試驗(yàn)時(shí)，壓力罐內(nèi)水域環(huán)境壓力應(yīng)維持恒定。水域環(huán)境的壓力是通過(guò)對(duì)壓力罐中水域上方空氣加壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在內(nèi)爆水流壓縮殼體流動(dòng)過(guò)程中，氣體體積會(huì)膨脹，當(dāng)氣體膨脹體積變化較小時(shí)，可以維持內(nèi)爆過(guò)程中水域壓力基本不變。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在壓力罐中開(kāi)展光電倍增管內(nèi)爆試驗(yàn)，驗(yàn)證該試驗(yàn)方法的可行性。試驗(yàn)中光電倍增管由玻璃外殼及內(nèi)部電氣結(jié)構(gòu)組成。圖3為光電倍增管玻璃外殼實(shí)物示意圖，試驗(yàn)中玻璃外殼頭部球體部分外徑為0.508 m，尾部直徑為0.1m，總高度約為0.7 m，厚度為0.004 m，玻璃殼內(nèi)部真空度1.0×10-4Pa以上。計(jì)算得到，光電倍增管體積約為0.272 m3，則壓力罐上方預(yù)留高壓氣體體積至少應(yīng)為5.03 m3。

圖3 光電倍增管玻璃外殼實(shí)物示意圖Fig.3 Shell of the photo multiplies tube

圖4 壓力罐長(zhǎng)度方向的截面視圖Fig.4 Section view of the length direction of the pressure tank

圖4為壓力罐長(zhǎng)度方向的截面視圖，截面呈圓形，半徑r=1.5 m，AB為壓力罐中水平面，AB以上部分為空氣。空氣所占面積為扇形OAB與三角形OAB面積差，設(shè)圓心角為θ，則(θr2/2-sinθr2/2)l=5.03，l為壓力罐長(zhǎng)度。解得θ=1.854，rcos(θ/2)=0.9 m，則壓力罐中水位高度最高為2.4 m，壓力罐上方預(yù)留空氣的高度為0.6 m。

通過(guò)對(duì)壓力罐中預(yù)留的空氣加壓至0.5 MPa，來(lái)模擬光電倍增管在0.5 MPa水域環(huán)境下內(nèi)爆過(guò)程，在距離光電倍增管球形結(jié)構(gòu)中心上方0.41 m處，布設(shè)PCB壓力傳感器，測(cè)量?jī)?nèi)爆過(guò)程的壓力時(shí)域值，在壓力罐頂部和側(cè)面視窗提供大功率燈光，在側(cè)面斜向上位置安放高速攝影，拍攝內(nèi)爆過(guò)程影像。大功率光源會(huì)使有機(jī)玻璃的溫度急劇升高，對(duì)有機(jī)玻璃力學(xué)性能產(chǎn)生影響，試驗(yàn)過(guò)程中大功率光源持續(xù)時(shí)間不宜太長(zhǎng)。試驗(yàn)中通過(guò)液壓裝置瞬間擠壓光電倍增管表面，使光電倍增管表面出現(xiàn)裂紋，發(fā)生內(nèi)爆。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中高速攝像機(jī)拍攝得到光電倍增管內(nèi)爆過(guò)程如圖5所示。圖5中分別為液壓裝置瞬間擠壓光電倍增管后1 ms、6 ms、13 ms、15 ms的高速攝影影像。圖5(a)為光電倍增管受液壓裝置擠壓階段，受擠壓區(qū)域的玻璃出現(xiàn)陰影；圖5(b)為光電倍增管裂紋傳播階段，玻璃外殼產(chǎn)生裂紋，向內(nèi)凹陷；圖5(c)為光電倍增管整體壓潰形成沖擊波階段，破碎的玻璃加速向中心運(yùn)動(dòng)，水流撞擊產(chǎn)生沖擊波；圖5(d)為沖擊波傳播與碎片飛散階段，玻璃碎片從內(nèi)爆中心向外四散，視窗玻璃上產(chǎn)生黑色的斑點(diǎn)，黑色斑點(diǎn)是沖擊波到達(dá)橡膠層后反射稀疏波，在水中產(chǎn)生大量小氣泡組成的空化區(qū)域。

(a) t=1 ms (b) t=6 ms

(c) t=13 ms (d) t=14 ms圖5 光電倍增管內(nèi)爆過(guò)程高速攝像Fig.5 High-speed camera image of implosion process of photo multiplies tube

距離光電倍增管球體中心0.41 m處PCB壓力傳感，采用中間觸發(fā)方式采集數(shù)據(jù)，觸發(fā)閾值為2 MPa，觸

發(fā)前后各采集5 s。圖6為0.41 m處PCB壓力傳感器4.985～5.015 s的壓力時(shí)域數(shù)據(jù)。沖擊波壓力峰值為14.13 MPa，在峰值后壓力值呈現(xiàn)一定程度的震蕩衰減，這是內(nèi)爆沖擊波與壓力罐壁反射的沖擊波疊加形成的。內(nèi)爆沖擊波以球面波形式向周?chē)鷤鞑?，?nèi)爆沖擊波傳播到0.41 m處壓力傳感器，再經(jīng)壓力罐壁面反射傳播到0.41 m處壓力傳感器，經(jīng)過(guò)的距離約為2.6 m，水中沖擊波傳播速度以1 500 m/s計(jì)算，則反射沖擊波應(yīng)約在1.7 ms后返回到壓力傳感器。在5.001 s以后，PCB傳感器壓力數(shù)值未達(dá)到1 MPa，可見(jiàn)橡膠層能夠有效衰減反射沖擊波，反射沖擊波對(duì)內(nèi)爆試驗(yàn)中壓力值測(cè)量基本沒(méi)有影響。

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)不可壓縮流體中球型容器內(nèi)爆理論模型，可以根據(jù)容器半徑R0、初始內(nèi)部氣體壓力Pw、外部靜水壓力P0計(jì)算容器破碎過(guò)程中的氣泡半徑R和距離球心r處的水中壓力p。

(5)

(6)

根據(jù)試驗(yàn)初始條件，容器內(nèi)氣體初始?jí)毫0=0.001 Pa，靜水壓力pw=0.5 MPa，容器初始半徑R0=0.25 m，容器內(nèi)氣體的比熱比γ=1.33，水的密度ρ=1 000 kg/m3，水中聲速取值c=1 500 m/s。計(jì)算得到容器破碎過(guò)程中的壓力時(shí)域曲線(xiàn)、半徑時(shí)域曲線(xiàn)，與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，如圖7、圖8所示。

圖6 壓力時(shí)域曲線(xiàn)Fig．6Pressure?timehistorycurve圖7 壓力理論與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig．7Comparisonoftheoryandmeasuredpressurevalues圖8 球體半徑理論與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig．8Comparisonoftheoryandmeasuredsphereradius

通過(guò)對(duì)比可以看出，內(nèi)爆沖擊波壓力試驗(yàn)測(cè)量值與理論預(yù)測(cè)值吻合較好，理論預(yù)測(cè)峰值12.7 MPa，比試驗(yàn)實(shí)測(cè)原始?jí)毫Ψ逯?4.13 MPa偏小10%；沖擊波脈寬試驗(yàn)值與理論值接近。球形容器的半徑在與理論相差越來(lái)越大。這主要是因?yàn)樵囼?yàn)中的球體半徑是通過(guò)觀察高速攝像的球冠處玻璃碎片位置粗略測(cè)算出來(lái)的，且理論模型是假設(shè)容器外殼瞬間同時(shí)破碎，容器內(nèi)氣體是呈球形收縮的，而試驗(yàn)情況是球體從擠壓工裝附近的赤道開(kāi)始收縮，氣體形狀是蘑菇型的，如圖9所示。在試驗(yàn)中隨著球體的壓潰，水會(huì)從裂縫中間進(jìn)入球體內(nèi)部，因此，隨著時(shí)間的推移，容器內(nèi)氣體的半徑與破碎的容器半徑相比越來(lái)越小。

(a) (b)圖9 理論與試驗(yàn)中球形容器破碎特性Fig.9 Theoretical and experimentalof spherical vessel breaking characteristics

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)壓力罐水域上方一定體積的空氣加壓，能夠在壓力罐中進(jìn)行高靜水壓力下水下中空結(jié)構(gòu)物的內(nèi)爆試驗(yàn)研究；在大型壓力罐內(nèi)壁粘貼聲阻抗較小的橡膠層，能有效減小鋼制壁面反射沖擊波對(duì)內(nèi)爆試驗(yàn)結(jié)果的影響。通過(guò)該試驗(yàn)裝置進(jìn)行0.5 MPa深水靜壓環(huán)境下的光電倍增管內(nèi)爆試驗(yàn)， 得到了和理論研究一致

的沖擊波壓力時(shí)域曲線(xiàn)，拍攝到清晰的光電倍增管內(nèi)爆過(guò)程，為水下中空結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆提供了一種可靠實(shí)用的試驗(yàn)方法。

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Implosion test method for underwater hollow structures

HUANG Zhixin1,2, YU Min1, DU Zhipeng2, LI Ying1,2, QIN Zhonghua3

(1. School of Transportation Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;2. Naval Academy of Armament, Beijing 102401, China;3. Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

By compressing air above water in a pressure tank, a photo multiplies tube underwater implosion test was conducted at 0.5 MPa hydrostatic pressure. The pressure tank was made of steel with its diameter of 3 m and its length of 5 m, and its inner wall was stuck with a layer of low acoustic impedance rubber material to reduce effectively the influences of the reflection shock wave at the inner wall surface on the implosion test results. By providing high-power lighting through the PMMA window of the pressure tank, a high-speed camera recorded the implosion test process clearly. It was shown that the pressure curve in time domain of shock wave in the underwater implosion test agrees well with that of theoretical study. The study results provided a good implosion test method for underwater hollow structures.

pressure tank; implosion; test method; shock wave; high-speed camera

國(guó)家自然科學(xué)基金(10672181)

2015-11-09 修改稿收到日期：2016-01-11

黃治新 男，碩士，1990年生

喻敏 女，博士，副教授，1977年生 E-mail:Dilysyuwy@163.com

TH212；TH213.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.03.005