水中爆炸下轨条砦表面压力测试及分析

郭旭阳, 孔德仁, 徐春冬, 薛超阳

(南京理工大学 机械工程学院, 江苏 南京 210094)

0 引 言

轨条砦[1]是海边布防作战单元, 属于典型的混凝土结构和刚性轨条的结合体, 当爆炸物与轨条砦接触或非接触爆炸时, 对轨条砦产生威胁的主要是爆炸产生的破片及冲击波。 对于裸药爆炸, 一般只考虑冲击波的作用。 由于水的密度比空气大很多, 爆炸冲击波在水中的传播速度要明显大于空气中, 传输距离也更远, 同爆距下的超压峰值水中要比空气中高几百倍, 相同当量下爆炸载荷在水中的毁伤效应也明显比空气中更为显著[2]。 同时, 水对爆炸冲击波的衰减效果也比空气中更为突出, 随着爆距的增加, 爆炸载荷对水中障碍物表面产生的压力也会呈现明显的衰减。 此外, 水中环境较为复杂, 爆炸载荷作用在水中障碍物上的压力响应特性与空气中存在差异, 因此, 对轨条砦在爆炸载荷作用下进行表面压力的测试和分析具有重要的理论意义与军事价值。

针对典型混凝土结构在爆炸作用下受到冲击波压力的测试及分析总结, 国内外已有多位学者进行了相关研究。 其中, 多名学者[3-6]在爆炸冲击波对混凝土的动态响应和毁伤效应方面做了研究, 并基于数值模拟结果对冲击波作用在不同介质中的传播规律进行了总结; 顾文彬[7]和伍俊[8]的研究团队针对水中爆炸冲击波测试技术及应用进行研究, 总结了浅水中爆炸水底介质对水中冲击波压力峰值的影响; Abdolghafour[9]和Castedo[10]的研究团队结合数值模型模拟和试验研究对钢筋混凝土桩基的爆炸响应和毁伤效应进行了研究; J.Ekström等[11]研究了冲击波冲击对混凝土的毁伤响应及碎裂过程; S.Koli等[12]通过对JWL状态方程在水下爆炸情景下近场和远场效应数值模拟的应用研究, 明确了水下爆炸的近场效应和远场效应之间的过渡; Do等[13]通过模拟爆破荷载下预制混凝土管段柱应力波传播及结构响应的研究, 总结了爆炸载荷引起的应力波在横截面内和沿柱高方向的传播规律。 但目前尚缺少关于轨条砦在浅水中爆炸载荷作用下表面压力的测试及变化规律的试验研究。

本文结合轨条砦的实际应用场景, 构建轨条砦壁面中心处压力测试系统, 选择满足测试需求的压力传感器, 针对构建的测试系统, 开展水中爆炸试验, 对轨条砦壁面中心处的压力进行测试。 根据试验结果, 对轨条砦各壁面中心处的超压峰值及其变化规律进行分析, 总结轨条砦在浅水爆炸下壁面压力的变化和传播情况, 对爆炸载荷作用下水下轨条砦壁面中心处压力的变化规律以及轨条砦在战争中的防御与打击方面的研究具有参考价值。

1 表面压力测试系统构建和传感器的安装

1.1 试验方案设计

如图1 所示, 浇筑典型尺寸的轨条砦测试靶标, 分别在靶标的迎爆面、 顶壁面、 背壁面布设压力传感器测点, 传感器安装于靶标各壁面的正中心处, 传感器敏感面与靶标壁面平齐。

图1 测试靶标三维示意图Fig.1 Three-dimensional schematic of the test target

试验通过在药柱上缠绕触发线, 实现通-断式外触发, 从而获取爆炸零点。 动态测试信号分析仪选用东华测试公司DH5902系列, 测试设置采样频率为1 MHz。 传感器与动态测试信号分析仪之间通过同轴屏蔽电缆连接; 通过以太网数据线连接下载有配套的测试分析软件上位机和动态测试信号分析仪, 实现参数设置和数据传输。 试验同时测量相同工况下水中自由场的压力和轨条砦的表面压力, 自由场压力测点深度与装药深度相同。 测试系统示意图如图2 所示。

图2 测试系统示意图Fig.2 Schematic diagram of the test system

1.2 传感器的选型与工装的设计

在高能量、 高强度的爆炸载荷作用下产生的水中冲击波比在空气介质中具有更强的压力, 此外, 区别于水中自由场压力, 由于水与轨条砦界面不同, 致使冲击波在轨条砦表面上会产生复杂的反射、 绕射等现象, 导致同爆炸工况下, 轨条砦表面测得压力要明显比自由场压力大。 而针对轨条砦不同壁面, 冲击波压力峰值也有不同, 迎爆面由于受到冲击波的直接作用要比其余壁面明显大。 同时, 压力上升时间较短, 约为十几微秒; 信号频带范围大, 大约在[0,40 kHz]。 考虑到水中试验要保证传感器的防水性以及满足上文提到的测试需求, 试验测试中决定选用瑞士Kistler公司的603CBA01000.0和603CBA00350.0型IEPE压电式压力传感器, 如图3 所示, 其整体外形除引线接头外对水密封。 传感器性能参数如表1 所示。

表1 传感器性能参数Tab.1 Sensor performance parameters

图3 表面压力传感器Fig.3 Surface pressure sensor

轨条砦表面压力测试时, 要求传感器敏感面与轨条砦表面平齐, 因此, 传感器采用齐平安装方式。 传感器直接浇筑在测试靶标中容易被损坏, 而且浇筑的混凝土墩体需要28 d左右的养护时间, 为防止壁面传感器各项性能指标发生变化, 在试验前再将传感器安装于测试靶标上。 因此, 为了保证传感器在试验过程中不被损坏、 易于拆装以及能够固定传感器位置, 需要设计必要的工装。

图4 是设计的传感器工装端盖, 用于将传感器安装在测试靶标上。

(a) 工装前端盖

将传感器置于安装组件内, 前端盖与安装组件之间采用O型密封圈密封, 防止试验时水进入工装内部。 前端盖上设计有引线孔, 传感器引线通过引线孔穿出, 引线穿出后在引线孔内灌注硅橡胶, 实现传感器引线接口处的防水。 后端盖基座需事先浇筑于混凝土靶标内, 前端盖通过螺纹孔与靶标内后端盖相连。

2 轨条砦水中爆炸试验

本试验用到的测试靶标尺寸为顶面0.6 m×0.6 m、 底面1 m×1 m、 高0.8 m。 整体呈截取顶端的四棱锥状。 静态抗压强度约为35 MPa。 试验在半径为20 m的圆形水池中进行, 水底为坚硬红黏土, 水深约1.9 m, 测点布局如图5 所示。 试验时测试靶标放置在水底, 靶标布设位置水底平坦、 无凹陷。 装药中心距水底0.4 m, 装药中心与靶标中心处共线。 装药距测试靶标中心水平距离在4 m～10 m范围内变化。 炸药为无壳体的B炸药, 装药质量3 kg, 起爆方式为顶端电雷管起爆。

图5 水下装药示意图Fig.5 Schematic diagram of the underwater charge

3 试验数据预处理

试验测得轨条砦表面典型压力时程曲线如图6 所示。

(a) 迎爆面

图6(a), 图6(b)分别为靶标中心到爆心距离为6 m时所测得迎爆面和顶壁面中心处的压力曲线; 图6(c)为靶标中心到爆心中心距离为8 m时所测得背壁面中心处压力曲线。 从图6 中可粗略读出迎爆面中心处峰值压力在30 MPa左右, 顶壁面中心处压力峰值在10 MPa～12 MPa之间, 背壁面中心处压力峰值约为4 MPa, 试验所测原始压力时程曲线基本可以反映爆炸载荷在水中轨条砦壁面中心处的压力变化情况。 但从图6 中也可以看出, 曲线上存在一定的毛刺和陡峭的尖峰, 对试验数据分析产生一定的阻碍, 为了更准确分析表面压力变化规律, 需要对原始数据进行处理、 优化。

确定轨条砦表面压力信号的有效频带是对测试结果进行有效处理的关键。 针对测试所得原始数字信号, 利用离散傅里叶变换, 得到离散频谱, 采用梯形算法, 对离散频谱进行平方和积分计算, 得到测试信号的能量谱, 通过对能量谱进一步分析, 得出信号的有效频带。 设计相应的滤波器, 对测试信号进行低通滤波处理, 滤除有效频带以外存在的各种高频干扰信号。

4 试验结果分析

试验测得装药量为3 kg B炸药, 水深1.9 m左右时, 距装药中心在4.5 m, 6 m, 7.4 m和9.6 m处的自由场压力时程曲线如图7 所示, 对应到达时间、 峰值压力等统计结果如表2 所示。

表2 水中爆炸冲击波自由场压力实测结果Tab.2 Free field pressure measurement results of explosion shock wave in water

(a) 4.5 m

从图7(a)、 图7(b)、 图7(c)自由场压力波形可以看到, 在曲线末端存在反射压力, 对自由场压力产生影响, 但这一现象并不影响自由场峰值压力, 试验测得自由场峰值压力仍具有分析价值。

P.Cole[14]在水中爆炸理论中指出: 在一定测量范围内, 水中冲击波压力峰值

Pm=k(W1/3/R)α,

(1)

式中:k,α是由试验确定的常数;W为装药量, kg;R表示装药中心到测点的距离, m。

利用式(1)形式, 运用非线性最小二乘回归法, 可以得到水中爆炸冲击波自由场压力经验公式。

Pm=33.696(W1/3/R)0.733

(0.150≤W1/3/R≤0.320)。

(2)

图8 所示为试验测得3kg B炸药在水中爆炸时, 轨条砦各表面测得压力滤波处理后的曲线。 由图8(a)可以看到, 迎爆面在冲击波到达之后, 迅速达到峰值, 接着呈近似指数形式衰减, 经过一段时间的正压作用后, 压力趋近于0。

(a) 迎爆面

从图8(b)中可以看到, 对于顶壁面的表面压力, 当爆炸冲击波到达后呈现阶梯上升的趋势, 顶壁面的表面压力随着直达波的不断作用变得越来越大, 直到爆炸冲击波产生的入射波作用过程结束, 顶壁面表面压力达到最大值。 同时, 由于冲击波在各壁面与顶壁面拐角处产生的绕射压力, 导致在侧壁面压力达到最大值后的较短时间内产生多个峰值。 直到来自于这部分的绕射压力作用结束, 表面压力才趋近于0。

背壁面压力响应时程曲线如图8(c) 所示, 主要是由于水中爆炸冲击波通过顶壁面以及靶标两侧面后, 在构件边缘以外区域, 水中冲击波并未受到障碍物的阻拦影响, 于是, 在构件边缘拐角处产生压力差, 形成了环流效应[15], 对背壁面持续产生作用。 此外, 由于在顶壁面和两边侧面处产生环流效应, 从而导致水中爆炸冲击波在这些区域到达背壁面时间不一致, 由于它们环流效应的叠加, 导致背壁面上压力的变化规律与其他面相比, 存在明显不同。

实验测得各距离工况下壁面压力均为爆心到靶标中心的距离, 由靶标尺寸可计算爆心到靶标各表面压力测点的实际距离, 根据式(2)预测相应工况距离下对应的自由场峰值压力, 预测值如表3 所示。 表4 是不同距离工况下轨条砦各表面中心处峰值压力实测结果。

表3 不同距离下自由场峰值压力的预测值Tab.3 Predicted values of free-field peak pressures at different distances

表4 轨条砦墩体表面中心处压力实测结果Tab.4 Pressure measurement results at the center of the concrete pier surface

根据表3 中自由场压力预测值, 并结合表4测得轨条砦表面压力值, 可以得出各相同爆距下轨条砦表面中心处峰值压力与自由场峰值压力的反射因数

(3)

式中:Prm为轨条砦表面中心处峰值压力;Pfm为自由场峰值压力。

计算结果如表5 所示。

表5 轨条砦表现中心处峰值压力与自由场峰值压力的反射因数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, 轨条砦墩体在爆心距7.6 m内, 轨条砦迎爆面的反射因数均大于2, 在爆心距轨条砦迎爆面中心3.6 m时, 反射因数达到3.77, 迎爆面中心处表面压力要远大于同爆距下自由场压力。 在较近距离爆炸时, 迎爆面中心处表面压力是水中冲击波在水界面与轨条砦固体界面直接产生反射作用的结果。 在迎爆面中心距爆心9.6 m时, 反射因数为0.97, 造成这样结果的原因是在该爆距下试验未避开之前较近距离试验产生的爆坑, 导致冲击波的传播过程发生改变, 水底的爆坑削弱了冲击波到达轨条砦表面时的峰值压力。 对于顶壁面和背壁面可以看出, 反射因数基本都在1以下, 相比于顶壁面, 背壁面要更小一点。 主要是因为顶壁面和背壁面相比于迎爆面, 冲击波作用过程更为复杂, 受到多方向的反射与折射, 对直达波产生削减。 综上所述, 水中爆炸冲击波对轨条砦迎爆面在近距离情况下产生的毁伤作用较为显著, 顶壁面次之, 背壁面最弱。

5 结 论

通过设计合理的测试方案, 测得在水中爆炸载荷作用下轨条砦壁面中心处的峰值压力, 对测试结果进行对比分析, 符合爆炸冲击波在水中的传播规律。 结论如下:

1) 对各壁面载荷作用过程分析可知, 迎爆面在冲击波到达之后, 迅速达到峰值, 接着呈近似指数形式衰减; 顶壁面在入射波作用过程结束后, 由于冲击波在各壁面与顶壁面拐角处产生的绕射压力, 导致在侧壁面压力达到最大值后的较短时间内产生多个峰值; 背壁面中心处压力则由于冲击波在顶面和两侧处产生环流效应, 导致冲击波到达的时间不同, 使得背壁面中心处的压力变化规律存在明显不同。

2) 利用非线性最小二乘法对试验所测自由场压力数据进行拟合, 求取经验公式。 拟合结果与实测具有较好的一致性, 对小当量炸药在水中对轨条砦远距离爆炸威力评估具有一定的参考价值。

3) 在炸药当量为3 kg B炸药远距离爆炸情况下, 水中爆炸冲击波对轨条砦迎爆面产生的毁伤作用较为显著, 顶壁面次之, 背壁面最弱。

4) 炸药中心与靶标中心距离10 m内, 轨条砦表面受到的冲击波压力峰值较大, 并且随着距离的增加轨条砦表面压力峰值存在明显的骤减。