舰船舱段模型在水下爆炸作用下的壁压分析

樊宝顺 程素秋 韩 峰

中国人民解放军91439部队96分队，辽宁大连116041

舰船舱段模型在水下爆炸作用下的壁压分析

樊宝顺 程素秋 韩 峰

中国人民解放军91439部队96分队，辽宁大连116041

对舰船舱段模型进行了海上水下爆炸试验，试验的目的是测试药包处于不同水下深度时，舱段模型龙骨处冲击载荷的差别。试验时，测量了自由场压力和壁压。根据试验结果，给出了自由场压力与壁压实测曲线。同时，采用正向超压时间计算公式，和实测自由场冲击波长超压时间以及自由场压力峰值与壁压峰值进行了对比。最后利用matlab软件对自由场压力和壁压进行了定性分析。试验结果对海上水下爆炸理论分析和今后的海上水下爆炸试验均有一定参考价值。

舰船生命力；水下爆炸；舱段模型；自由场压力；壁压

1 引言

舰船抗冲击试验通常可分3种：模型实爆试验、整船实爆试验和数值仿真试验。整船实爆试验投资大、成本高、实施难度也相当高，很难进行重复性试验。仿真试验由于缺乏试验数据，在技术方面我国仍处于不断发展与完善之中。舱段模型试验虽然不能提供真实的战场环境，但仍能为整船实爆试验和仿真试验提供有价值的参考。国外海军强国早期进行舰船抗冲击研究时，也是通过大量的模型试验来探究结构载荷和冲击响应的测量分析方法［1-3］。

本文根据某一舰船舱段模型的海上爆炸试验自由场压力和壁压曲线，结合水下爆炸冲击波作用下流体与结构的相互作用理论，对模型底部龙骨处进行了定性的压力分析。

2 试验工况

本次模型海上爆炸试验在近海岸进行，共引爆了10个TNT标准药球，其中1 kg的药球6个，6 kg的药球4个。药包与模型的水下位置如图1所示。

图1 药包与模型的几何相对位置

模型水下爆炸试验的目的之一是考察药包位于水下不同深度爆炸时，模型底部龙骨处冲击载荷的差别。模型吃水为0.6 m，上半部为长方体，下半部为圆柱壳，半径为0.6 m，吃水线刚好在长方体与圆柱壳的分界处。在底部龙骨处布放了一个自由场压力传感器P1和一个壁压传感器B1，由于底部龙骨处无法打洞，壁压传感器B1的安装位置偏向背爆面约20 cm，自由场压力传感器与壁压传感器的水平距离相差10 cm［4，5］。

表1列出了各次试验的工况，包括TNT药量、水深、爆源与测点水平距离、爆源入水深度、爆源方位角等。

表1 试验工况数据表

3 试验结果与分析

3.1 模型底部壁压分析

首先对10次爆炸产生的自由场冲击波波长进行估算，采用正向超压时间计算公式。

式中，W为爆源装药量（kg）；R为爆源与观测点间距离（m）。

参照每次试验的实测值，求得正向超压时间的平均值，声速取1 500 m／s，则每次试验的自由场中冲击波长如表2所示。

表2 10次试验自由场冲击波波长统计估算表

由图3实测曲线可知，壁压波形比自由场压力波形明显变瘦，正向超压时间明显变小。根据文献［6］的结果，壁面处超压作用时间约为自由场的1／4，以第1次试验为例，则壁压波长λ约为0.127 m（表2中第8次冲击波长为最大，其壁压波长为0.25）。

对于模型下半部（圆柱壳），其结构特征尺寸（直径）D＝1.2 m。所以λ／D＝0.127／1.2＝0.105（对于第8次试验，该值为0.208）。

可见，在这种近距离、小药量爆炸条件下，冲击波的绕射不是主要特征，特别是在模型底部附近一定范围内，可以略去绕射的影响，仅受到辐射压力的作用。也就是说，安装在底部中心的壁压测点基本上可以略去绕射波的影响。表3的实测结果也证明了这一结论。

3.2 自由场压力与壁压实测峰值比较

表3总结了这10次试验测量的自由场压力与壁压峰值，并通过MATLAB编程计算出各次试验的壁压理论值，同时比较了实测壁压与自由场压力的数据。

表3 自由场压力与壁压比较

由泰勒平板理论［6－8］中的式（9）进行理论计算可得在迎爆面冲击波直接入射时结构峰值压力为2倍入射冲击波峰值压力。

从表3中可以看出，当爆源方位角α较小（＜15°）时，壁压仅为自由场压力的0.376 4，这时泰勒平板理论完全不成立；当爆源方位角α较大（＞40°）时壁压除第8次试验外基本均为自由场峰值压力的1.7～2倍；第9次试验结果更是与2倍十分接近，偏大可能是由于测量误差造成的；当爆源方位角α在15°～40°之间时，壁压约为自由场压力的0.8～1.3倍之间。

图2 第10次试验龙骨中心处实测与理论计算壁压曲线对比

3.3 自由场压力与壁压曲线比较

图3为第5次试验龙骨中心处自由场压力与壁压曲线。爆源的方位角α为62.850 3°。由图可以看出两条曲线的典型特征：

图3 第5次试验龙骨中心处自由场压力（左）与壁压（右）曲线

1）由于结构反射的冲击波作用，壁压峰值比自由场压力峰值大，且小于2倍。壁压峰值约为自由场压力峰值的1.705 7倍，

2）壁压峰值的出现时间比自由场压力峰值的出现时间滞后，壁压峰值大约滞后150 μs。

3）壁压曲线到达峰值后急剧衰减，使得曲线变瘦，自由场压力曲线衰减变慢。自由场压力曲线衰减到0的时间约为150 μs，而壁压曲线衰减到0的时间则仅为20 μs。

4）自由场压力曲线由于空泡的作用而出现明显的负压，而后的又一个峰值是由于模型外壳板的反射产生的。

5）壁压曲线先受到模型壳板辐射压力的影响产生一个小的波峰，随后受到入射和反射冲击波的作用产生大的波峰。这是由于安装自由场压力传感器的原因在外板上焊接了一个杆，通过这个杆将冲击波的作用先辐射到结构中。

4 结论

本文对模型龙骨中心处水下爆炸的自由场压力和壁压进行了定性分析，由分析可得出如下结论：

1）模型壳板的壁压受爆源攻击方位的影响很大。随着攻击角的增大壁压峰值与自由场压力的峰值越来越接近于2倍；攻击角很小时泰勒平板理论将不再成立。

2）侧面、背爆面与迎爆面的壁压存在很大差异，且比迎爆面更为复杂。第1次试验的特殊性很好地证明了这一点，此方面还需要进行深入的研究。

3）壁压曲线与自由场压力曲线相比有一个缓慢的上升过程，且衰减很快，使得曲线变瘦。

4）在近距离、小药量爆炸工况下，模型背爆面的一定范围内，可忽略绕射波的影响，仅受到辐射波的作用。

［1］ P·库尔.水下爆炸［M］.北京：国防工业出版社，1960.

［2］ REID W D.The response of ships to underwater explosions，AD A326738［R］.1997.

［3］ WANG S Z.Finite difference time domain approach to underwater acoustic scattering problems［J］.J Acoust soc Am，1996，99（4）：1924－1931.

［4］ 顾王明，黄骏德.圆柱壳受水下爆炸冲击波作用的壁压分析［J］.海军工程大学学报，1989（4）：14－22.

［5］ 程素秋，樊宝顺，薛飞，等.水下非接触爆炸作用下的舱段模型动态响应［J］.爆炸与冲击，2008，28（4）：360－366.

［6］ 程素秋.水面舰船抗冲击数值仿真［D］.北京：北京理工大学，2006.

［7］ 汪玉，华宏星.舰船现代冲击理论及应用［M］.北京：科学出版社，2005.

［8］ HUNG C F，HSU P Y，FUU H.Elastic shock response of an air－backed plate to underwater explosion［J］.International Journal of Impact Engineering，2005，31：151－168.

Wall Pressure Analysis of Cabin Model Subjected to Underwater Explosion

Fan Bao－shun Cheng Su－qiu Han Feng
The 91439thUnit of PLAN，Dalian 116041，China

A submersible cabin model was employed to undergo an underwater explosion test.The objective of this test was to measure the different shock loads at the keel of the cabin model with the charges in various water depths.When testing，free－field pressure and wall pressure were measured.A test curve of free－field pressure versus wall pressure was obtained from the actual measured data.Meanwhile，the free－field wave length and wall pressure peak value were calculated respectively by using the representative formula.The average of over－pressure period was then calculated.Besides，the free－field pressure and wall pressure were also analyzed comparatively by the Matlab software.The test results will be useful to the theoretic analysis of underwater explosion at sea and provide a reference for the further shock test of ships.

ship survivability；underwater explosion；cabin model；free－field pressure；wall pressure

U661.43

A

1673－3185（2009）05－20－03

2009-02-11

海军专项建设项目

樊宝顺（1959-），男，高级工程师。研究方向：水下爆炸试验与测量

程素秋（1968-），女，工程师。研究方向：水下爆炸仿真与测量。E-mail：csq4028@sina.com