邵宗戰(zhàn)

(91439部隊，遼寧 大連 116041)

【裝備理論與裝備技術】

水下爆炸作用下圓柱殼周圍壓力場分布

邵宗戰(zhàn)

(91439部隊，遼寧 大連 116041)

為研究水下爆炸對魚雷、水雷等水下目標的破壞機理開展了一次水下爆炸試驗，采用長2.2 m、直徑0.53 m的圓柱殼結構作為目標，采用1 kg標準TNT球形裝藥作為爆源在水平距離5.5 m處爆炸，測量了圓柱殼正面、背面和側(cè)面的壓力場，得到了沖擊波時程曲線，測量及分析結果表明：正面和側(cè)面由于反射波的影響均會發(fā)生截斷效應，背面由于前驅(qū)波影響前段上升緩慢，當沖擊波到達時迅速上升，之后以指數(shù)形式衰減，圓柱殼結構正面的沖擊波沖量最大，側(cè)面次之，背面最小，對于結構側(cè)面的破壞作用最小。

水下爆炸；圓柱殼；壓力場

圓柱殼結構是水中兵器(如魚雷、部分水雷、探雷具等)常見結構形式，這些裝備在戰(zhàn)時不可避免受到水下爆炸沖擊作用，對于小目標來說水下爆炸作用主要體現(xiàn)在沖擊波的作用，氣泡脈動對其破壞很小，因此研究水下爆炸沖擊波對圓柱殼結構的破壞機理是研究其戰(zhàn)時生命力的重要基礎，在復雜邊界條件下水下爆炸沖擊波也比較復雜，有殼體反射作用形成的反射波、沖擊波作用在殼體以后在殼體內(nèi)部形成的應力波等。沖擊度的作用又在殼體周圍形成復雜的壓力場，壓力場直接決定了殼體的破壞形式，因此研究圓柱殼結構在水下爆炸作用下周圍的壓力場對于進一步分析圓柱殼結構的破壞情況非常重要。國內(nèi)外對于水下爆炸的現(xiàn)象及能量輸出結構等開展過大量的研究[1-4],對于水下爆炸作用下船體結構的沖擊響應方面的研究也較充分[5-6]，對于圓柱殼在水下爆炸作用下的沖擊響應，姚熊亮等[7]開展了加肋雙層圓柱殼沖擊響應的仿真研究，余曉菲等[8]計算了加筋圓柱殼對水下爆炸沖擊波的響應并比較分析了不同尺寸參數(shù)對結構抗爆性能的影響，袁建紅等[9]研究了水下爆炸載荷作用下加筋圓柱殼結構彈塑性動力響應。這些研究成果多以仿真為主，對于圓柱殼結構周圍壓力場的分布形式研究開展得很少，由于壓力場的分布受多種邊界條件影響而異常復雜，同樣的爆源爆炸時在不同的結構物周圍形成的壓力場會有很大不同，因此對于不同的結構形式要根據(jù)其特點開展研究，分析其壓力場分布情況。

1 圓柱殼體

試驗用圓柱殼結構采用921鋼焊接而成，長2.2 m、直徑0.53 m、板厚7 mm，內(nèi)部采用環(huán)形加強筋加固，加強筋間距200 mm，采用T形截面環(huán)。為便于內(nèi)部加強筋焊接及應變片粘貼，整個殼體由四段焊接而成，每段長0.55 m，段內(nèi)焊接兩條加強筋，間距0.25 m，圓柱殼體端面有一開孔便于測量電纜從殼體內(nèi)引出,電纜引出后用膠泥將通孔封住，防止進水,圓柱殼體縱剖面圖如圖1。

圖1 圓柱殼體縱剖面圖

2 實驗過程

在圓柱殼中心采用卡箍固定3個傳感器支架，每個支架上安裝一枚壓力傳感器，傳感器距離殼體表面0.1 m，在殼體內(nèi)部對應位置粘貼3個應變片用于測量結構變形量，爆源中心與圓柱殼幾何中心距離5 m且在同一水平面上，整個結構布于水下15 m。實驗爆源采用1 kg標準TNT球形裝藥，采用電雷管+擴爆藥柱起爆。傳感器及爆源布設圖如圖2。

圖2 傳感器及爆源布設圖

實驗在水庫進行，水深約30 m，爆源布放位置距岸80 m，爆源及圓柱殼體入水深度為6 m，實驗水域為開闊水域，可以忽略邊界反射的影響。水下爆炸理論氣泡半徑按式(1)估算[10]:

(1)

式(1)中：W為裝藥量；H1為爆源入水深度(m)。將W=1，H1=6代入式(1)得Rb=1.35 m。由于圓柱殼體與爆源的距離遠大于氣泡半徑且位于爆源側(cè)面，氣泡產(chǎn)生后由于水壓作用向上遷移運動，氣泡脈動壓力峰值遠小于沖擊波，可忽略氣泡脈動對殼體的破壞作用。

實驗時首先將圓柱殼體布放入水，圓柱殼體下面加配重使其具有負浮力，圓柱殼通過繩子與水面的浮標相連，其懸浮在水中。距離殼體5.5 m處吊放爆源入水，起爆纜附在保護繩上拉至岸邊，起爆器置于岸上，數(shù)據(jù)采集儀置于距離雷體20 m的小船上，傳感器的信號傳輸電纜通過浮標拉至小船上與采集設備連接。采集設備采用NI PXI數(shù)據(jù)采集儀，PCB138系列傳感器，采樣率為1 M/s，采用BF120型單向應變片，粘貼方向為橫向，采樣率為10 K/s,實驗實施態(tài)勢如圖3所示。

圖3 實驗實施態(tài)勢圖

3 壓力場分析

由于在圓柱形結構周圍壓力場較為復雜，有直達波、反射波、繞射波等相互疊加，還有沖擊波經(jīng)過結構物以后形成的前驅(qū)波[11]。對于正面沖擊主要是直達波和反射波的綜合作用，波形相對簡單，如P1和P2測點由于沖擊波可以直接到達，所以上升沿比較陡峭，但是當反射波到來時迅速將沖擊波切斷造成明顯的截斷效應。但背爆面的測點由于沖擊波不能直接到達波形較為復雜，前段表現(xiàn)為緩慢上升階段，這是由于沖擊波首先到達圓柱殼體迎爆面，之后在結構中以遠大于聲速的速度傳播形成前驅(qū)波，前驅(qū)波到達背爆面后又進入水中，這時強度已大大削弱。當沖擊波經(jīng)過殼體繞射到達背爆面時與前驅(qū)波疊加，這時表現(xiàn)為壓力迅速上升，達到峰值之后以指數(shù)形式衰減，各測點壓力時程曲線如圖4所示。

圖4 各測點壓力時程曲線

從表1可以看出各個測點的沖擊波壓力峰值相當。壓力峰值只代表沖擊波到達時刻的瞬時壓力，它主要取決于爆源的藥量以及傳感器與爆源的距離。瞬時壓力的大小并不是造成結構破壞的主要因素，還有一個更重要的參量就是時間常數(shù)，時間常數(shù)是指沖擊波從峰值衰減到峰值的1/e所需的時間，它表示沖擊波的持續(xù)時間，從3個測點所測得的時間常數(shù)來看，P1測點(即正對爆源的測點)時間常數(shù)最大，P2測點(即側(cè)對爆源的測點)次之，P3測點(即背對爆源的測點)時間常數(shù)最小。通過對沖擊波時域曲線的數(shù)值積分得到?jīng)_擊波的沖量，沖量的大小是決定沖擊對結構物破壞程度的重要參量。由于壓電式傳感器受環(huán)境影響通常會產(chǎn)生零點漂移。零點漂移可描述為：輸入電壓為零，輸出電壓偏離零值的變化，它又被簡稱為零漂，用帶有零漂的信號直接計算沖量會帶來很大的計算誤差甚至得出完全錯誤的結論，必須對其進行修正。零漂很難在源頭上消除，只能通過后處理的方法修正，對于簡單的零漂(即零漂大小基本不隨時間變化)可以采用式(2)修正，對于復雜零漂可以采用多項式最小二乘法或滑動平均法修正[12]。修正后的信號按式(3)進行積分運算，積分時間一般取5～6.7倍時間常數(shù)。這里取6.7倍時間常數(shù)進行積分計算，從沖量計算結果來看也是正面最大，背面最小。

(2)

(3)

在自由場狀態(tài)下(即傳感器周圍包圍海水，附近沒有其他物體反射沖擊波)沖量的大小約等于壓力峰值與時間常數(shù)的乘積。本次實驗中由于圓柱殼體影響壓力場分布，計算結果與自由場狀態(tài)下的理論值偏差較大。

表1 各測點測量參數(shù)

沖量是壓力場持續(xù)作用在目標物上壓力的時間累積量，但是由于本次實驗主要目的是掌握圓柱殼周圍的壓力場分布，爆源與目標距離較遠，沖擊波不足以使目標產(chǎn)生塑性變形，但是從測量得到的彈性變形量(圖5)看，正面變形較大，背面變形次之，側(cè)面也有變形。主要是正面變形凹陷鋼板運動引起，并非沖擊波直接作用引起，這一點值得關注。對于側(cè)面并未遭到?jīng)_擊波正面沖擊，而是側(cè)面掠過，并未對殼體造成直接沖擊，雖然從測量結果看側(cè)面沖量也較大，但是破壞作用卻是最小。

圖5 各測點應變時程曲線

從能量角度講，在開闊水域水下爆炸所釋放的能量是均勻向四周擴散的，但是當沖擊波遇到遮擋或邊界時會表現(xiàn)出不均勻性，掌握圓柱殼在水下爆炸作用下的壓力場分布，對于進一步分析能量擴散情況，在自由場狀態(tài)沖擊波能與氣泡能相當。對于小目標，氣泡脈動的作用很小，沖擊波沖量是造成結構破壞的主要原因，同時又與沖擊波的作用方向密切相關。這里只是以圓柱殼結構為例進行實驗測試及分析，對于其他結構形式需根據(jù)其特點進行仿真分析或試驗研究。

4 結論

水下爆炸沖擊波到達圓柱殼結構時會產(chǎn)生反射現(xiàn)象并在結構中形成前驅(qū)波，前驅(qū)波到達邊界后會再次進入水中與沖擊波疊加，形成復雜的疊加效應。當入射沖擊波與反射沖擊波疊加時會產(chǎn)生截斷效應，對于剛性邊界這種效應異常明顯，沖擊波會被突然截斷。水下爆炸對小目標破壞效應主要取決于沖擊波，沖擊波的時間衰減常數(shù)和沖量是影響結構破壞程度的主要因素，對于圓柱殼結構其迎爆面沖量大于側(cè)面，側(cè)面大于背爆面，但對側(cè)面的破壞作用不明顯。

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(責任編輯 周江川)

Pressure Field Distribution Around Cylindrical Shell Subjected to Underwater Explosion

SHAO Zong-zhan

(The No. 91439thTroop of PLA, DaLian 116041, China)

To study the damage mechanism of torpedo and mine, underwater target explosion test was carried out, and taking a cylindrical shell, with length of 2.2 m and diameter of 0.53 m as the target and using 1 kg TNT as the standard spherical charge explosion sources in horizontal distance 5.5 m, we measured the pressure field of cylindrical shell front on the back side and obtained shock wave curve. The results show that the front and side effects due to reflection occurs due to the truncation effect, and the back segment precursor effect rises slowly, and when the shock wave arrived after the rapidly rising exponentially, cylindrical shell positive shock wave reaches the maximum impulse, and the side and back is the smallest, and the destructive effect on the side is the minimum to structure.

underwater explosion; cylindrical shell; pressure field

2016-10-27；

2016-12-15 作者簡介：邵宗戰(zhàn)(1972—)，男，高級工程師，主要從事水中兵器試驗總體技術研究。

10.11809/scbgxb2017.03.009

邵宗戰(zhàn).水下爆炸作用下圓柱殼周圍壓力場分布[J].兵器裝備工程學報，2017(3):38-41.

format:SHAO Zong-zhan.Pressure Field Distribution Around Cylindrical Shell Subjected to Underwater Explosion[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):38-41.

TN919.3;O382

A

2096-2304(2017)03-0038-04