典型舰船舱室水下爆炸响应特性

翟红波，李芝绒，张玉磊，苏健军，姬建荣

(西安近代化学研究所,西安 710065)



典型舰船舱室水下爆炸响应特性

翟红波，李芝绒，张玉磊，苏健军，姬建荣

(西安近代化学研究所,西安 710065)

摘要：以典型舰船舱室结构为目标，研究炸药水下爆炸载荷输出特征和舱室结构的动态响应特性。给出舱室水下爆炸实验的试验装置、测点布设，测量炸药水下爆炸的自由场载荷和舱室所受载荷，分析舱室所受爆炸载荷的作用特征，研究舱室结构在水下爆炸作用下的响应特征，并讨论药量、爆心距对舱室结构动态响应的影响。该研究可以为反舰导弹作用下舰船目标易损性评估提供技术支持，也可为舰船目标防护提供理论参考。

关键词：振动与波；水下爆炸；舰船；舱室；动态响应

舰船结构遭受水下爆炸载荷作用的过程，是结构在巨大瞬态载荷作用下的一种复杂非线性动态响应过程，属大变形、强非线性（材料非线性、几何非线性、运动非线性）问题，同时还涉及到水下爆炸气泡和结构之间相互耦合作用等当今热点问题。开展舰船结构在水下爆炸下的结构响应研究，是舰船目标毁伤评估工作的基础，不仅具有非常重要的军事工程价值，而且有着较大的学术意义[1]。

由于舰船结构爆炸冲击响应的数学物理模型尚不完善，而且由于强非线性因素，使得数值计算工作量很大。因此，目前研究结构在水下爆炸载荷作用下的动态响应在很大程度上依赖于实验[2]。1984年，Rentz研究了加筋平板在水下爆炸载荷作用下的动态响应[3]。1988年，Gifford等对具有初始裂纹的焊接厚板在水下爆炸载荷作用下的动态响应进行了研究，并作了一系列试验[4]。Shima等研究了水下爆炸产生的气泡以及气泡的破裂对复合材料结构的冲击作用[5]。刘建湖通过试验，对玻璃钢扫雷艇的水下爆炸动响应进行了细致的分析，揭示了舰船立体结构在水下爆炸作用下动响应的一些基本特征和传递规律，重点分析了结构阻尼，接头刚度和爆炸烈度对动响应的影响[6]。刘润泉等对船体单元结构模型进行了一系列的水下接触爆炸试验，拟合了经验破口估算公式中的系数[7]。朱锡等人对四边刚性固定的加筋板结构进行了水下接触爆炸试验，提出了板架结构加强筋相对刚度的概念[8]。黄建松等研究了水下爆炸产生的冲击效应对人员的损伤[9]。蒋国岩等以小型浮动冲击平台作为舰船模型进行了海上爆炸试验，发现其受到的冲击波作用主要以高频振动为主[10]。

总的来看，由于该领域的实验属破坏性实验，因而花费巨大，实验条件要求也比较高。我国具备实验条件的单位不多，实验研究开展的也较少，且多数实验集中在简单板架结构的破坏实验上。以典型舰船舱室结构为目标，通过测量模型底板的反射冲击波压力、结构振动加速度和水中冲击波入射压力，研究舰船舱室结构在冲击波和气泡脉动作用下的响应特性。

1实验装置

舱室实验模型为长方形舱室结构，上端开口，长3.6 m，宽0.45 m，高0.4 m，在长度方向上内置两个横隔板，将舱室结构分为三个隔舱，实验舱室的所有板厚均为0.004 m，所有板的连接均采用焊接，如图1所示。

图1　典型舰船舱室结构实验模型

实验舱室的舱壁材料均采用45号钢，密度ρ= 7 890 kg/m3，泊松比μ=0.269，杨氏模量E=209 GPa。

实试验所用炸药为梯泰炸药（TNT/PETN：50/ 50），柱形装药，引爆装置为8#铜雷管，炸药的质量为15 g和30 g。

船15205-0舱水下爆炸实验水域为一爆炸水池，池底和池壁为钢筋混凝土，水池直径为12 m，水深为9.5 m。

典型舱室结构模型漂浮于水池中心水面，在模型底板几何中心下方0.5 m处悬挂炸药，如图2。

在垂直于船舱长度的方向上布设水下自由场传感器，测量水下爆炸的入射冲击波，测点距离爆心分别为400 mm、800 mm、1 200 mm和1 600 mm。如图3所示。在船舱底部壁面上沿长度方向中心线安装壁面压力传感器和振动加速度传感器，布设7点，间距为450 mm，测量船舱所受的冲击波压力曲线和舱室结构的振动加速度曲线。

图2　试验装置布局示意图

图3　试验布局和自由场传感器的布设图

2　水下爆炸冲击波作用特性

表1给出了15 g和30 g两种炸药量爆炸时，四个水下自由场测点所测得的冲击波峰值。图4和图5给出了测点4的冲击波压力曲线。从中可以发现，随爆心距增加，冲击波峰值迅速衰减。同样爆心距下，30 g情况下压力峰值比15 g时增加约40%。在波形图中，第一个为爆炸入射波，随后的壁面反射波，后期的突起为水中爆炸产生的气泡载荷。

图4　15 g炸药爆炸时自由场测点4的压力波形

表1　两种炸药量爆炸时水下自由场冲击波压力峰值

图5　30 g炸药爆炸时自由场测点4的压力波形

3　典型舱室结构所受到的冲击载荷

表2给出15 g和30 g爆炸时，7个舱室壁面测点所测得的舱室所受冲击波压力。从中可以发现，随爆心距增加，冲击波峰值和冲量迅速衰减。

图6—图8给出了测点8在两种炸药量下的冲击波压力曲线，纵轴为压力/MPa，其中黑色线表示的为15 g，灰色线为30 g。从测点8的波形图中可以看到，15 g和30 g时的爆炸冲击波几乎同时到达测点8的传感器，说明两种炸药量爆炸冲击波在水中的传播速度是一致的。波形图的尾段有突起，为气泡载荷，15 g炸药量的气泡脉动为67 ms，峰值约为1.56 MPa，30 g炸药量时气泡脉动为80 ms，峰值约为8.55 MPa。这说明炸药量越大，气泡脉动越长，脉动载荷越大。30 g炸药量时气泡脉动峰值非常高，可能是由于测点8已经进入气泡空气域或者射流引起的。

图　6两种炸药量下壁面测点8所受压力

表2　不同炸药量爆炸时舱室壁面所受冲击波压力

图7　两种炸药量下壁面测点8所受的前端冲击波波形

图8　两种炸药量下壁面测点8所受的气泡载荷

图9给出了15 g、30 g炸药量时壁面所受压力峰值和自由场所测冲击波峰值之间的比较。在距爆心较近处，入射波峰值为10 MPa左右，此时壁面所受压力峰值为入射波的4倍左右。在距爆心较远处，入射波峰值为5 MPa左右，此时壁面所受压力峰值为入射波的2倍左右。可以发现，随着入射波峰值的降低，壁面所受压力峰值和入射波峰值之比逐渐下降，从初始的4倍下降到后期的2倍。在一定的范围内，入射波越大，壁面的反射系数越大。

图9　不同炸药量下压力峰值对比

4　典型舱室结构的动态响应特性

表3给出了两种炸药量下舱室壁面所测加速度曲线的峰值，图10和图11给出了测点12的加速度曲线。从中可以发现，同样爆心距处，30 g药量时壁面的加速度峰值略大。但在爆心正上方的测点15处，此处为舱室地面中心，30 g炸药量时的舱壁加速度反而比15 g炸药量时小。这是由于15 g炸药量时舱室没有塑性变形，30 g炸药量时舱室在中垂面上出现永久变形，两端向上翘起，形成“V”形，中心处的变形对冲击能量有一个消耗，导致冲击加速度的减小，如图12。

表3　不同炸药量爆炸时舱室壁面的加速度峰值

图10　15 g炸药量下测点12的加速度曲线

图11　30 g炸药量下测点12的加速度曲线

图12 30 g 炸药量爆炸冲击后舱室的变形

5结　语

（1）15 g和30 g两种炸药量爆炸产生冲击波在水中的传播速度是一致的；

（2）与15 g炸药的气泡脉动周期相比，30 g炸药量产生的气泡脉动周期较长；

（3）随着入射波峰值的降低，壁面所受压力峰值和入射波峰值的比值逐渐减小。在一定的范围内，入射波越大，壁面的反射系数越大。

参考文献：

[1]曾令玉.水下爆炸载荷作用下舰船总体毁伤评估方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

[2]牟金磊，朱锡，黄晓明.水下爆炸载荷作用下舰船结构响应研究综述[J].中国舰船研究，2011，6(2)：1-8.

[3]Rentz T R.An experimental investigation into the dynamic response of a stiffened flat plate loaded impulsively by an underwater shockwave,A123151[R].1984.

[4]Gifford L N,Carlberg J R,Wiggs A J,et al.Explosive testing of full thickness precracked weldments[J].ASTM Special Technical Publication,1990(1074):157-177.

[5]Shima A,Tomita Y,Gibson D C,et al.The growth and collapse of cavitation bubbles near composite surfaces[J]. Journal of Fluid Mechanics,1989,203:199-214.

[6]刘建湖.舰船非接触水下爆炸动力学的理论与应用[D].无锡：中国船舶科学研究中心博士学位论文，2002.

[7]刘润泉，白雪飞，朱锡.舰船单元结构模型水下接触爆炸破口试验研究[J].海军工程大型学报，2001，13(5)：41-46.

[8]朱锡，白雪飞，黄若波，等.船体板架在水下接触爆炸作用下的破口试验[J].中国造船，2003，44(1)：46-52.

[9]黄建松，汪玉.水下和空中爆炸舰员冲击损伤效应分析[J].噪声与振动控制，2012，32(6)：13-16.

[10]蒋国岩，宋敬利，周华，等.舰船模型海上抗爆试验研究[J].噪声与振动控制，2012，32(6)：26-29.

中图分类号：O381；O383

文献标识码：A

DOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.013

文章编号：1006-1355(2016)01-0061-04

收稿日期：2015-06-10

基金项目：国家自然科学基金（11372143）

作者简介：翟红波（1987-），男，河南商丘人，博士，助理研究员，研究方向为结构动态响应和毁伤评估技术。E-mail:zhaihb@mail.nwpu.edu.cn

Structural Dynamic Response Characteristics of Typical Cabinsin Underwater Explosion

ZHAI Hong-bo,LI Zhi-rong,ZHANG Yu-lei,SU Jian-jun,JI Jian-rong

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute,Xi’an 710065,China)

Abstract:The output characteristic of the explosion load and the dynamic response characteristic of a cabin in underwater explosion were studied.With the typical cabin of some ships as the object,the testing apparatus and layout of the underwater explosion test points were determined.The free field pressure and the cabin’s wall pressure in the underwater explosion were measured,and the response characteristics of the cabin wall and the cabin structure to the explosion loads were analyzed.The influence of the explosive charge’s mass and the distance to explosive center on the structural dynamic responses of the cabin was discussed.This study is valuable for the damage assessment of the ship targets in missile attack.

Key words:vibration and wave;underwater explosion;ship;cabin;dynamic response