一種新型水下爆炸沖擊等效加載實驗方法

楊一方, 郭 銳, 劉萌萌, 劉榮忠

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一種新型水下爆炸沖擊等效加載實驗方法

楊一方1, 郭 銳1, 劉萌萌2, 劉榮忠1

(1. 南京理工大學 智能彈藥技術(shù)國防重點學科實驗室, 江蘇 南京, 210094; 2. 豫西工業(yè)集團, 河南 南陽, 473000)

針對傳統(tǒng)水下爆炸沖擊響應(yīng)實驗研究中存在的問題, 提出了一種實驗室仿真水下爆炸沖擊的等效加載方法, 通過飛片撞擊的方式來獲得水下爆炸沖擊等效載荷。同時建立了等效理論模型與流固耦合數(shù)值仿真來進行對比分析。結(jié)果表明, 數(shù)值仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果吻合較好, 通過調(diào)節(jié)飛片的撞擊速度與撞擊比質(zhì)量可以獲得不同水下爆炸沖擊所需要的等效載荷, 進而為魚雷爆炸對典型艦船結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)研究提供一種新的思路。

水下爆炸; 等效加載; 沖擊響應(yīng); 流固耦合

0 引言

隨著海洋事業(yè)的發(fā)展, 水下裝備的抗沖擊性能作為其生存能力的保障, 顯得尤為重要。使用傳統(tǒng)的防護方法來提高裝備的生存能力會大大增加裝備質(zhì)量, 影響裝備性能。近年來, 國內(nèi)外學者提出了大量的新型夾層板結(jié)構(gòu)以及新的復(fù)合材料作為其防護結(jié)構(gòu), 以提高裝備的生存能力。由于復(fù)合材料沖擊響應(yīng)以及夾層板結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性, 難以對其進行理論研究, 對于夾層板來說, 只能對其中簡單的結(jié)構(gòu)進行理論建模分析, 對復(fù)雜結(jié)構(gòu)主要通過實驗以及數(shù)值仿真的方法進行研究。

目前, 國內(nèi)外學者對該領(lǐng)域已有一些研究，Xue等采用簡化理論對一些典型夾層板結(jié)構(gòu)的動態(tài)壓潰響應(yīng)進行了分析[1-2]。Tilbrook采用實驗與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法對典型夾層板結(jié)構(gòu)的動態(tài)壓潰效應(yīng)進行了分析[3]。Radford等采用泡沫鋁撞擊的方法模擬脈沖載荷[4], 該方法雖然能夠產(chǎn)生類似沖擊波的脈沖效果, 但不能模擬水下沖擊的流固耦合效應(yīng)。在水中使用炸藥爆轟的方式來進行水下爆炸沖擊響應(yīng)實驗的研究是目前運用最廣泛的研究方式, 但該方法成本較高且實驗可控性較差, 故實用性較差。針對傳統(tǒng)研究方法中所存在的問題, Espinosa和項大林等人提出了一種等效水下爆炸沖擊加載實驗裝置[5-6], 該裝置主體為圓錐形水倉, 通過輕氣炮系統(tǒng)發(fā)射飛片撞擊圓錐形水倉獲得沖擊載荷, 裝置復(fù)雜且成本較高, 單次實驗需要較為復(fù)雜的操作流程, 且對被測試件有著較高的加工要求。本文提出了一種新型的等效水下爆炸沖擊加載裝置, 改變原來的水倉結(jié)構(gòu), 采用圓柱形水倉, 將活塞以及被測試件內(nèi)置于水倉內(nèi), 簡化水倉結(jié)構(gòu), 降低設(shè)備成本。當撞擊所產(chǎn)生沖擊波在圓錐形水倉內(nèi)傳播時, 由于傳播路徑為變截面路徑, 沖擊波在傳播時會發(fā)生反射與透射, 對沖擊波形成干擾, 極大地降低了等效水下爆炸沖擊加載的效果, 因此, 采用圓柱形水倉可以避免沖擊波在傳播路徑中的變截面問題, 避免此因素對沖擊波的干擾。

1 建模與仿真

1.1 實驗平臺

所搭建的實驗平臺主要包括飛片發(fā)射系統(tǒng)、飛片測速系統(tǒng)、水倉和壓力測量系統(tǒng)。其中飛片發(fā)射系統(tǒng)采用輕氣炮系統(tǒng)為飛片提供初始動能, 將其加速至一定速度射出; 飛片飛行速度由測速系統(tǒng)測得; 飛片撞擊在用于密封水倉的活塞上, 在水倉內(nèi)形成初始沖擊波, 該沖擊波經(jīng)水介質(zhì)傳遞至后部試件上, 通過固定在水倉壁上的壓力傳感器測量并記錄水倉內(nèi)壓力變化。

1.2 建立模型

首先建立實驗平臺的主體模型,由飛片、活塞、水倉、試件水及空氣場等主要部分組成。利用專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件Hypermesh建立模型, 并進行有限元網(wǎng)格劃分, 模型結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。圖中,飛片、活塞、試件及水倉內(nèi)徑均為直徑40 mm的圓柱形, 活塞厚度為30 mm, 水倉內(nèi)水柱長度為94 mm, 空氣場包圍水域。在計算時, 通過飛片撞擊活塞的方式, 在水倉內(nèi)產(chǎn)生沖擊波, 通過使用不同長度的飛片以獲得不同質(zhì)量飛片撞擊的結(jié)果。

圖1 等效沖擊加載數(shù)值仿真模型示意圖

由于活塞、試件與水之間涉及流固耦合作用, 因此文中選用單點ALE積分算法來模擬活塞與水的相互作用, 以及水倉內(nèi)波的傳播情況, 對結(jié)構(gòu)件采用Lagrange算法進行計算, 結(jié)構(gòu)與水之間通過*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID關(guān)鍵字進行耦合。

1.3 材料模型和狀態(tài)方程

由于飛片在撞擊活塞時會發(fā)生形變, 且兩者形變對真實結(jié)果影響較大, 為使計算結(jié)果最大限度地接近真實情況, 需選用合適的材料模型對材料進行描述。因此, 本文選用*MAT_PLASTIC_ KINEMATIC隨動塑性材料模型描述飛片、活塞以及試件, 飛片、活塞及試件均選用鋁制材料。水及空氣場均采用* MAT_ NULL材料模型, 使用*EOS_LINEAR-_POLY_NOMIAL方程加以描述。由于在實際中水倉只起到約束作用, 故為節(jié)約計算資源, 節(jié)省計算時間將水倉壁設(shè)置為剛體。

2 理論分析

經(jīng)過多年實驗及理論研究, Zamyshlyaye和Cole得出水下爆炸沖擊波壓力衰減規(guī)律, 且經(jīng)過大量工程實踐證明了其準確性[7-8]。衰減規(guī)律為

在實驗系統(tǒng)中, 由撞擊產(chǎn)生平面波在水介質(zhì)中傳遞。對于平面波, 各向同性均勻流體介質(zhì)中壓力與質(zhì)點振動速度存在簡單的線性關(guān)系

依據(jù)Deshpande研究成果[9], 時間衰減系數(shù)

通過理論分析可知, 影響沖擊波峰值壓力與時間衰減系數(shù)的因素分別為撞擊合速度與撞擊比質(zhì)量, 影響撞擊合速度的因素為飛片的速度與質(zhì)量及活塞的質(zhì)量, 撞擊比質(zhì)量為量綱化之后的物理量, 當飛片與活塞面積相同時, 比質(zhì)量僅與飛片和活塞的長度相關(guān)。可通過控制沖擊波波形的影響因素調(diào)節(jié)沖擊波波形, 得到所需的等效波形。

3 計算結(jié)果與分析

圖2 當撞擊合速度相同而比質(zhì)量不同時壓力時程曲線圖

圖3 當撞擊合速度不同而比質(zhì)量相同時壓力時程曲線圖

圖4為水倉內(nèi)=0處, 25種工況下由數(shù)值仿真計算所得載荷時間衰減系數(shù)隨著撞擊比質(zhì)量變化規(guī)律與理論模型的對比情況。由圖4得, 數(shù)值仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果在撞擊合速度與撞擊比質(zhì)量較低時吻合較好, 隨著撞擊合速度與撞擊比質(zhì)量的增加, 當飛片速度大于30 m/s時, 其時間衰減系數(shù)與理論值偏差較大, 這主要是因為, 在高速且飛片長度較長時, 在飛片與活塞撞擊時發(fā)生較大程度的形變, 導致數(shù)值仿真結(jié)果與理論值相差較大; 當飛片長度較短時, 形變不明顯, 對結(jié)果影響較小, 數(shù)值仿真結(jié)果與理論值吻合度較高。

圖4 載荷時間衰減系數(shù)隨撞擊比質(zhì)量變化關(guān)系

圖5為水倉內(nèi)=0處, 25種工況下由數(shù)值仿真計算所得的載荷峰值壓力隨撞擊合速度變化規(guī)律與理論模型的對比情況。由圖5可得, 數(shù)值仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果在撞擊合速度與撞擊比質(zhì)量較低時吻合較好, 隨著撞擊合速度與撞擊比質(zhì)量的增加, 數(shù)值仿真結(jié)果與理論模型相差較大。同樣是由于長桿飛片高速撞擊導致的形變所致。由圖4與圖5分析可得, 在低速小質(zhì)量撞擊時, 數(shù)值仿真結(jié)果與理論模型有著較高的吻合度; 在大質(zhì)量高速撞擊時, 由于飛片與活塞的形變, 導致數(shù)值仿真結(jié)果與理論值相差較大。總體來看, 數(shù)值仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果吻合較好, 可以通過調(diào)節(jié)撞擊合速度與撞擊比質(zhì)量來調(diào)節(jié)由撞擊產(chǎn)生的沖擊波的波峰值壓力與時間衰減系數(shù), 以達到等效水下爆炸沖擊波的目的。

圖5 載荷峰值壓力隨撞擊合速度變化關(guān)系

4 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)方法中存在的問題, 提出了一種新的水下爆炸沖擊等效加載實驗方法, 通過飛片撞擊的方式獲得水下爆炸沖擊等效載荷, 得出: 1) 由理論分析與仿真結(jié)果可知, 由撞擊獲得水下爆炸沖擊等效載荷的實驗方法有效, 可以通過調(diào)節(jié)撞擊合速度與撞擊比質(zhì)量獲得所需要的水下爆炸沖擊載荷的等效載荷; 2)在撞擊后飛片不發(fā)生大形變的前提下, 撞擊產(chǎn)生沖擊波的峰值壓力僅與撞擊合速度相關(guān), 且基本呈線性關(guān)系; 3) 在撞擊后飛片不發(fā)生大形變的前提下由撞擊產(chǎn)生沖擊波的時間衰減系數(shù)僅與撞擊比質(zhì)量相關(guān), 且基本呈線性關(guān)系。

若采用該等效加載實驗方法研究魚雷爆炸對典型艦船的沖擊響應(yīng), 需要進一步提高由撞擊產(chǎn)生的沖擊波的峰壓值, 仍需對以下問題進行研究: 1) 改變飛片與活塞的材質(zhì), 選取大剛度材料, 從而提高飛片撞擊速度以提高水倉內(nèi)沖擊波峰壓值; 2) 在不影響實驗效果的前提下降低活塞質(zhì)量, 以減少活塞質(zhì)量對撞擊合速度的影響, 從而加大撞擊合速度, 提高水倉內(nèi)沖擊波峰壓值。

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[4] Radford D D, Deshpande V S, Fleck N A. The Use of Me- tal Foam Projectiles to Simulate Shock Loading on a Stru- cture[J]. International Journal of Impact Engineering, 2005, 31(9): 1152-1171.

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[6] 項大林, 榮吉利, 胡長華. 一種撞擊等效水下爆炸沖擊加載實驗測試裝置系統(tǒng): 中國, 201002665714.0[P]. 2012-12-05.

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(責任編輯: 楊力軍)

An Equivalent Loading Method for Underwater Explosion Impact Experiment

YANG Yi-fang,GUO Rui,LIU Meng-meng,LIU Rong-zhong

(1. Ministerial Key Laboratory of ZNDY, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China; 2. Yu Xi Industrial Group Co.Ltd, Nanyang 473000, China)

An equivalent loading method for laboratory simulation is put forward to solve the problems in existing experimental studies of underwater explosion impact response. In the new method, flyer impact is adopted to achieve the equivalentload of underwater explosion. An equivalent theoretical model is established, and its analysis result is compared with that of the fluid-solid coupling numerical simulation. The comparison shows that both results agree well. By using this theoretical model, the required equivalent load for different underwater explosion impact can be achieved by adjusting the flyer′s impact velocity and specific mass of impact. This study may provide a new idea for research on torpedo explosion impact response of typical ship structure.

underwater explosion; equivalent loading; impact response; fluid-solid coupling

TJ630.1; O383

A

1673-1948(2014)05-0357-04

2014-06-06;

2014-06-26.

高等學校博士學科點專項科研基金(20133219110019).

楊一方(1990-), 男, 碩士, 主要研究方向為沖擊動力學.