郭旭陽, 孔德仁, 徐春冬, 薛超陽

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094)

0 引 言

軌條砦[1]是海邊布防作戰(zhàn)單元, 屬于典型的混凝土結(jié)構(gòu)和剛性軌條的結(jié)合體, 當(dāng)爆炸物與軌條砦接觸或非接觸爆炸時(shí), 對軌條砦產(chǎn)生威脅的主要是爆炸產(chǎn)生的破片及沖擊波。 對于裸藥爆炸, 一般只考慮沖擊波的作用。 由于水的密度比空氣大很多, 爆炸沖擊波在水中的傳播速度要明顯大于空氣中, 傳輸距離也更遠(yuǎn), 同爆距下的超壓峰值水中要比空氣中高幾百倍, 相同當(dāng)量下爆炸載荷在水中的毀傷效應(yīng)也明顯比空氣中更為顯著[2]。 同時(shí), 水對爆炸沖擊波的衰減效果也比空氣中更為突出, 隨著爆距的增加, 爆炸載荷對水中障礙物表面產(chǎn)生的壓力也會(huì)呈現(xiàn)明顯的衰減。 此外, 水中環(huán)境較為復(fù)雜, 爆炸載荷作用在水中障礙物上的壓力響應(yīng)特性與空氣中存在差異, 因此, 對軌條砦在爆炸載荷作用下進(jìn)行表面壓力的測試和分析具有重要的理論意義與軍事價(jià)值。

針對典型混凝土結(jié)構(gòu)在爆炸作用下受到?jīng)_擊波壓力的測試及分析總結(jié), 國內(nèi)外已有多位學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。 其中, 多名學(xué)者[3-6]在爆炸沖擊波對混凝土的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和毀傷效應(yīng)方面做了研究, 并基于數(shù)值模擬結(jié)果對沖擊波作用在不同介質(zhì)中的傳播規(guī)律進(jìn)行了總結(jié); 顧文彬[7]和伍俊[8]的研究團(tuán)隊(duì)針對水中爆炸沖擊波測試技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行研究, 總結(jié)了淺水中爆炸水底介質(zhì)對水中沖擊波壓力峰值的影響; Abdolghafour[9]和Castedo[10]的研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合數(shù)值模型模擬和試驗(yàn)研究對鋼筋混凝土樁基的爆炸響應(yīng)和毀傷效應(yīng)進(jìn)行了研究; J.Ekstr?m等[11]研究了沖擊波沖擊對混凝土的毀傷響應(yīng)及碎裂過程; S.Koli等[12]通過對JWL狀態(tài)方程在水下爆炸情景下近場和遠(yuǎn)場效應(yīng)數(shù)值模擬的應(yīng)用研究, 明確了水下爆炸的近場效應(yīng)和遠(yuǎn)場效應(yīng)之間的過渡; Do等[13]通過模擬爆破荷載下預(yù)制混凝土管段柱應(yīng)力波傳播及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的研究, 總結(jié)了爆炸載荷引起的應(yīng)力波在橫截面內(nèi)和沿柱高方向的傳播規(guī)律。 但目前尚缺少關(guān)于軌條砦在淺水中爆炸載荷作用下表面壓力的測試及變化規(guī)律的試驗(yàn)研究。

本文結(jié)合軌條砦的實(shí)際應(yīng)用場景, 構(gòu)建軌條砦壁面中心處壓力測試系統(tǒng), 選擇滿足測試需求的壓力傳感器, 針對構(gòu)建的測試系統(tǒng), 開展水中爆炸試驗(yàn), 對軌條砦壁面中心處的壓力進(jìn)行測試。 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果, 對軌條砦各壁面中心處的超壓峰值及其變化規(guī)律進(jìn)行分析, 總結(jié)軌條砦在淺水爆炸下壁面壓力的變化和傳播情況, 對爆炸載荷作用下水下軌條砦壁面中心處壓力的變化規(guī)律以及軌條砦在戰(zhàn)爭中的防御與打擊方面的研究具有參考價(jià)值。

1 表面壓力測試系統(tǒng)構(gòu)建和傳感器的安裝

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

如圖1 所示, 澆筑典型尺寸的軌條砦測試靶標(biāo), 分別在靶標(biāo)的迎爆面、 頂壁面、 背壁面布設(shè)壓力傳感器測點(diǎn), 傳感器安裝于靶標(biāo)各壁面的正中心處, 傳感器敏感面與靶標(biāo)壁面平齊。

圖1 測試靶標(biāo)三維示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic of the test target

試驗(yàn)通過在藥柱上纏繞觸發(fā)線, 實(shí)現(xiàn)通-斷式外觸發(fā), 從而獲取爆炸零點(diǎn)。 動(dòng)態(tài)測試信號分析儀選用東華測試公司DH5902系列, 測試設(shè)置采樣頻率為1 MHz。 傳感器與動(dòng)態(tài)測試信號分析儀之間通過同軸屏蔽電纜連接; 通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線連接下載有配套的測試分析軟件上位機(jī)和動(dòng)態(tài)測試信號分析儀, 實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)傳輸。 試驗(yàn)同時(shí)測量相同工況下水中自由場的壓力和軌條砦的表面壓力, 自由場壓力測點(diǎn)深度與裝藥深度相同。 測試系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

圖2 測試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test system

1.2 傳感器的選型與工裝的設(shè)計(jì)

在高能量、 高強(qiáng)度的爆炸載荷作用下產(chǎn)生的水中沖擊波比在空氣介質(zhì)中具有更強(qiáng)的壓力, 此外, 區(qū)別于水中自由場壓力, 由于水與軌條砦界面不同, 致使沖擊波在軌條砦表面上會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的反射、 繞射等現(xiàn)象, 導(dǎo)致同爆炸工況下, 軌條砦表面測得壓力要明顯比自由場壓力大。 而針對軌條砦不同壁面, 沖擊波壓力峰值也有不同, 迎爆面由于受到?jīng)_擊波的直接作用要比其余壁面明顯大。 同時(shí), 壓力上升時(shí)間較短, 約為十幾微秒; 信號頻帶范圍大, 大約在[0,40 kHz]。 考慮到水中試驗(yàn)要保證傳感器的防水性以及滿足上文提到的測試需求, 試驗(yàn)測試中決定選用瑞士Kistler公司的603CBA01000.0和603CBA00350.0型IEPE壓電式壓力傳感器, 如圖3 所示, 其整體外形除引線接頭外對水密封。 傳感器性能參數(shù)如表1 所示。

表1 傳感器性能參數(shù)Tab.1 Sensor performance parameters

圖3 表面壓力傳感器Fig.3 Surface pressure sensor

軌條砦表面壓力測試時(shí), 要求傳感器敏感面與軌條砦表面平齊, 因此, 傳感器采用齊平安裝方式。 傳感器直接澆筑在測試靶標(biāo)中容易被損壞, 而且澆筑的混凝土墩體需要28 d左右的養(yǎng)護(hù)時(shí)間, 為防止壁面?zhèn)鞲衅鞲黜?xiàng)性能指標(biāo)發(fā)生變化, 在試驗(yàn)前再將傳感器安裝于測試靶標(biāo)上。 因此, 為了保證傳感器在試驗(yàn)過程中不被損壞、 易于拆裝以及能夠固定傳感器位置, 需要設(shè)計(jì)必要的工裝。

圖4 是設(shè)計(jì)的傳感器工裝端蓋, 用于將傳感器安裝在測試靶標(biāo)上。

(a) 工裝前端蓋

將傳感器置于安裝組件內(nèi), 前端蓋與安裝組件之間采用O型密封圈密封, 防止試驗(yàn)時(shí)水進(jìn)入工裝內(nèi)部。 前端蓋上設(shè)計(jì)有引線孔, 傳感器引線通過引線孔穿出, 引線穿出后在引線孔內(nèi)灌注硅橡膠, 實(shí)現(xiàn)傳感器引線接口處的防水。 后端蓋基座需事先澆筑于混凝土靶標(biāo)內(nèi), 前端蓋通過螺紋孔與靶標(biāo)內(nèi)后端蓋相連。

2 軌條砦水中爆炸試驗(yàn)

本試驗(yàn)用到的測試靶標(biāo)尺寸為頂面0.6 m×0.6 m、 底面1 m×1 m、 高0.8 m。 整體呈截取頂端的四棱錐狀。 靜態(tài)抗壓強(qiáng)度約為35 MPa。 試驗(yàn)在半徑為20 m的圓形水池中進(jìn)行, 水底為堅(jiān)硬紅黏土, 水深約1.9 m, 測點(diǎn)布局如圖5 所示。 試驗(yàn)時(shí)測試靶標(biāo)放置在水底, 靶標(biāo)布設(shè)位置水底平坦、 無凹陷。 裝藥中心距水底0.4 m, 裝藥中心與靶標(biāo)中心處共線。 裝藥距測試靶標(biāo)中心水平距離在4 m～10 m范圍內(nèi)變化。 炸藥為無殼體的B炸藥, 裝藥質(zhì)量3 kg, 起爆方式為頂端電雷管起爆。

圖5 水下裝藥示意圖Fig.5 Schematic diagram of the underwater charge

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

試驗(yàn)測得軌條砦表面典型壓力時(shí)程曲線如圖6 所示。

(a) 迎爆面

圖6(a), 圖6(b)分別為靶標(biāo)中心到爆心距離為6 m時(shí)所測得迎爆面和頂壁面中心處的壓力曲線; 圖6(c)為靶標(biāo)中心到爆心中心距離為8 m時(shí)所測得背壁面中心處壓力曲線。 從圖6 中可粗略讀出迎爆面中心處峰值壓力在30 MPa左右, 頂壁面中心處壓力峰值在10 MPa～12 MPa之間, 背壁面中心處壓力峰值約為4 MPa, 試驗(yàn)所測原始壓力時(shí)程曲線基本可以反映爆炸載荷在水中軌條砦壁面中心處的壓力變化情況。 但從圖6 中也可以看出, 曲線上存在一定的毛刺和陡峭的尖峰, 對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生一定的阻礙, 為了更準(zhǔn)確分析表面壓力變化規(guī)律, 需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、 優(yōu)化。

確定軌條砦表面壓力信號的有效頻帶是對測試結(jié)果進(jìn)行有效處理的關(guān)鍵。 針對測試所得原始數(shù)字信號, 利用離散傅里葉變換, 得到離散頻譜, 采用梯形算法, 對離散頻譜進(jìn)行平方和積分計(jì)算, 得到測試信號的能量譜, 通過對能量譜進(jìn)一步分析, 得出信號的有效頻帶。 設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波器, 對測試信號進(jìn)行低通濾波處理, 濾除有效頻帶以外存在的各種高頻干擾信號。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)測得裝藥量為3 kg B炸藥, 水深1.9 m左右時(shí), 距裝藥中心在4.5 m, 6 m, 7.4 m和9.6 m處的自由場壓力時(shí)程曲線如圖7 所示, 對應(yīng)到達(dá)時(shí)間、 峰值壓力等統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。

表2 水中爆炸沖擊波自由場壓力實(shí)測結(jié)果Tab.2 Free field pressure measurement results of explosion shock wave in water

(a) 4.5 m

從圖7(a)、 圖7(b)、 圖7(c)自由場壓力波形可以看到, 在曲線末端存在反射壓力, 對自由場壓力產(chǎn)生影響, 但這一現(xiàn)象并不影響自由場峰值壓力, 試驗(yàn)測得自由場峰值壓力仍具有分析價(jià)值。

P.Cole[14]在水中爆炸理論中指出: 在一定測量范圍內(nèi), 水中沖擊波壓力峰值

Pm=k(W1/3/R)α,

(1)

式中:k,α是由試驗(yàn)確定的常數(shù);W為裝藥量, kg;R表示裝藥中心到測點(diǎn)的距離, m。

利用式(1)形式, 運(yùn)用非線性最小二乘回歸法, 可以得到水中爆炸沖擊波自由場壓力經(jīng)驗(yàn)公式。

Pm=33.696(W1/3/R)0.733

(0.150≤W1/3/R≤0.320)。

(2)

圖8 所示為試驗(yàn)測得3kg B炸藥在水中爆炸時(shí), 軌條砦各表面測得壓力濾波處理后的曲線。 由圖8(a)可以看到, 迎爆面在沖擊波到達(dá)之后, 迅速達(dá)到峰值, 接著呈近似指數(shù)形式衰減, 經(jīng)過一段時(shí)間的正壓作用后, 壓力趨近于0。

(a) 迎爆面

從圖8(b)中可以看到, 對于頂壁面的表面壓力, 當(dāng)爆炸沖擊波到達(dá)后呈現(xiàn)階梯上升的趨勢, 頂壁面的表面壓力隨著直達(dá)波的不斷作用變得越來越大, 直到爆炸沖擊波產(chǎn)生的入射波作用過程結(jié)束, 頂壁面表面壓力達(dá)到最大值。 同時(shí), 由于沖擊波在各壁面與頂壁面拐角處產(chǎn)生的繞射壓力, 導(dǎo)致在側(cè)壁面壓力達(dá)到最大值后的較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)峰值。 直到來自于這部分的繞射壓力作用結(jié)束, 表面壓力才趨近于0。

背壁面壓力響應(yīng)時(shí)程曲線如圖8(c) 所示, 主要是由于水中爆炸沖擊波通過頂壁面以及靶標(biāo)兩側(cè)面后, 在構(gòu)件邊緣以外區(qū)域, 水中沖擊波并未受到障礙物的阻攔影響, 于是, 在構(gòu)件邊緣拐角處產(chǎn)生壓力差, 形成了環(huán)流效應(yīng)[15], 對背壁面持續(xù)產(chǎn)生作用。 此外, 由于在頂壁面和兩邊側(cè)面處產(chǎn)生環(huán)流效應(yīng), 從而導(dǎo)致水中爆炸沖擊波在這些區(qū)域到達(dá)背壁面時(shí)間不一致, 由于它們環(huán)流效應(yīng)的疊加, 導(dǎo)致背壁面上壓力的變化規(guī)律與其他面相比, 存在明顯不同。

實(shí)驗(yàn)測得各距離工況下壁面壓力均為爆心到靶標(biāo)中心的距離, 由靶標(biāo)尺寸可計(jì)算爆心到靶標(biāo)各表面壓力測點(diǎn)的實(shí)際距離, 根據(jù)式(2)預(yù)測相應(yīng)工況距離下對應(yīng)的自由場峰值壓力, 預(yù)測值如表3 所示。 表4 是不同距離工況下軌條砦各表面中心處峰值壓力實(shí)測結(jié)果。

表3 不同距離下自由場峰值壓力的預(yù)測值Tab.3 Predicted values of free-field peak pressures at different distances

表4 軌條砦墩體表面中心處壓力實(shí)測結(jié)果Tab.4 Pressure measurement results at the center of the concrete pier surface

根據(jù)表3 中自由場壓力預(yù)測值, 并結(jié)合表4測得軌條砦表面壓力值, 可以得出各相同爆距下軌條砦表面中心處峰值壓力與自由場峰值壓力的反射因數(shù)

(3)

式中:Prm為軌條砦表面中心處峰值壓力;Pfm為自由場峰值壓力。

計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

表5 軌條砦表現(xiàn)中心處峰值壓力與自由場峰值壓力的反射因數(shù)Tab.5 Reflection factor between peak pressure at the center of the rail surface and peak pressure in the free field

由表4 可知, 軌條砦墩體在爆心距7.6 m內(nèi), 軌條砦迎爆面的反射因數(shù)均大于2, 在爆心距軌條砦迎爆面中心3.6 m時(shí), 反射因數(shù)達(dá)到3.77, 迎爆面中心處表面壓力要遠(yuǎn)大于同爆距下自由場壓力。 在較近距離爆炸時(shí), 迎爆面中心處表面壓力是水中沖擊波在水界面與軌條砦固體界面直接產(chǎn)生反射作用的結(jié)果。 在迎爆面中心距爆心9.6 m時(shí), 反射因數(shù)為0.97, 造成這樣結(jié)果的原因是在該爆距下試驗(yàn)未避開之前較近距離試驗(yàn)產(chǎn)生的爆坑, 導(dǎo)致沖擊波的傳播過程發(fā)生改變, 水底的爆坑削弱了沖擊波到達(dá)軌條砦表面時(shí)的峰值壓力。 對于頂壁面和背壁面可以看出, 反射因數(shù)基本都在1以下, 相比于頂壁面, 背壁面要更小一點(diǎn)。 主要是因?yàn)轫敱诿婧捅潮诿嫦啾扔谟? 沖擊波作用過程更為復(fù)雜, 受到多方向的反射與折射, 對直達(dá)波產(chǎn)生削減。 綜上所述, 水中爆炸沖擊波對軌條砦迎爆面在近距離情況下產(chǎn)生的毀傷作用較為顯著, 頂壁面次之, 背壁面最弱。

5 結(jié) 論

通過設(shè)計(jì)合理的測試方案, 測得在水中爆炸載荷作用下軌條砦壁面中心處的峰值壓力, 對測試結(jié)果進(jìn)行對比分析, 符合爆炸沖擊波在水中的傳播規(guī)律。 結(jié)論如下:

1) 對各壁面載荷作用過程分析可知, 迎爆面在沖擊波到達(dá)之后, 迅速達(dá)到峰值, 接著呈近似指數(shù)形式衰減; 頂壁面在入射波作用過程結(jié)束后, 由于沖擊波在各壁面與頂壁面拐角處產(chǎn)生的繞射壓力, 導(dǎo)致在側(cè)壁面壓力達(dá)到最大值后的較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)峰值; 背壁面中心處壓力則由于沖擊波在頂面和兩側(cè)處產(chǎn)生環(huán)流效應(yīng), 導(dǎo)致沖擊波到達(dá)的時(shí)間不同, 使得背壁面中心處的壓力變化規(guī)律存在明顯不同。

2) 利用非線性最小二乘法對試驗(yàn)所測自由場壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合, 求取經(jīng)驗(yàn)公式。 擬合結(jié)果與實(shí)測具有較好的一致性, 對小當(dāng)量炸藥在水中對軌條砦遠(yuǎn)距離爆炸威力評估具有一定的參考價(jià)值。

3) 在炸藥當(dāng)量為3 kg B炸藥遠(yuǎn)距離爆炸情況下, 水中爆炸沖擊波對軌條砦迎爆面產(chǎn)生的毀傷作用較為顯著, 頂壁面次之, 背壁面最弱。

4) 炸藥中心與靶標(biāo)中心距離10 m內(nèi), 軌條砦表面受到的沖擊波壓力峰值較大, 并且隨著距離的增加軌條砦表面壓力峰值存在明顯的驟減。