高速攝像防護(hù)結(jié)構(gòu)抗水中爆炸沖擊仿真研究

張姝紅，陳高杰，高浩鵬，金　輝

(中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧 大連　116041)

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高速攝像防護(hù)結(jié)構(gòu)抗水中爆炸沖擊仿真研究

張姝紅，陳高杰，高浩鵬，金輝

(中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧 大連116041)

摘要：高速攝像機(jī)拍攝水中爆炸圖像時(shí)，用于安裝攝像機(jī)的防護(hù)結(jié)構(gòu)在水中爆炸沖擊波作用下可能產(chǎn)生塑性變形和較大位移，影響到高速攝像系統(tǒng)使用安全和圖像拍攝效果；作者設(shè)計(jì)了高速攝像機(jī)水中抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)，為驗(yàn)證防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的合理性和水下爆炸作用下的穩(wěn)定性，利用ABAQUS軟件對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)抗水下爆炸沖擊性能進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，用沖擊因子設(shè)置4個(gè)仿真計(jì)算工況；計(jì)算結(jié)果顯示：防護(hù)結(jié)構(gòu)在60 kgTNT當(dāng)量裝藥、0.5的爆炸沖擊因子作用下未產(chǎn)生塑性變形，產(chǎn)生的位移小于5 cm，防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性滿足該條件下攝像機(jī)安全防護(hù)和水中爆炸圖像拍攝使用要求。

關(guān)鍵詞：水下爆炸；防護(hù)結(jié)構(gòu)；ABAQUS；沖擊因子

高速攝像是水下爆炸研究中重要的試驗(yàn)測(cè)量手段，可用于裝藥水下爆炸特性、毀傷能力和目標(biāo)結(jié)構(gòu)毀傷效果等研究[1-7]。將高速攝像機(jī)安裝在抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)布放到開闊水域中，可以拍攝中小當(dāng)量裝藥的水下爆炸現(xiàn)象，但由于水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波具有很強(qiáng)的破壞性，防護(hù)結(jié)構(gòu)在水下爆炸沖擊波作用下可能產(chǎn)生塑性變形并產(chǎn)生較大的位移，影響內(nèi)部高速攝像機(jī)系統(tǒng)的安全和爆炸圖像拍攝效果。為實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的安全防護(hù)，需要對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)在水中爆炸沖擊波作用下不產(chǎn)生塑性變形。大型非線性動(dòng)力學(xué)分析軟件ABACUS可以完整地再現(xiàn)水下爆炸沖擊波傳播過程，可以計(jì)算結(jié)構(gòu)在水中非接觸爆炸作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[8-9]。考慮水中爆炸圖像拍攝時(shí)的爆源當(dāng)量、邊界條件、抗爆炸沖擊穩(wěn)定性、水中可實(shí)現(xiàn)的拍攝距離、結(jié)構(gòu)材料選取和內(nèi)部設(shè)備、減振裝置、功能線纜安裝空間要求等因素，設(shè)計(jì)攝像機(jī)防護(hù)結(jié)構(gòu)的線型尺寸和抗沖擊防護(hù)能力，采用ABAQUS分析軟件對(duì)不同水下爆炸工況條件下的防護(hù)結(jié)構(gòu)抗沖擊性能進(jìn)行仿真計(jì)算對(duì)比，驗(yàn)證防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的正確性，為水下爆炸試驗(yàn)時(shí)的工況設(shè)計(jì)和圖像拍攝提供參考。

1防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拍攝水中爆炸圖像時(shí)，高速攝像機(jī)通過緩沖減振裝置安裝在防護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)，被拍攝的爆源等目標(biāo)布設(shè)在攝像機(jī)視角范圍內(nèi)，為保證較好的拍攝效果，目標(biāo)與攝像機(jī)布放在同一水平軸線，根據(jù)防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力、海水能見度和爆炸圖像拍攝邊界條件要求設(shè)置水中拍攝距離，即設(shè)置合適的爆距，確保拍攝到理想的爆炸圖像，并保證高速攝像機(jī)的安全。防護(hù)結(jié)構(gòu)和爆源在水中布設(shè)示意圖如圖1。

圖1　防護(hù)結(jié)構(gòu)和爆源在水中布設(shè)示意圖

防護(hù)結(jié)構(gòu)主體設(shè)計(jì)為圓柱形殼體，長(zhǎng)度為650 mm，外徑300 mm，厚度15 mm，內(nèi)部安裝減振器、高速攝像機(jī)、輔助配套設(shè)備和功能線纜；前端為防護(hù)玻璃，厚度為25 mm；后端為錐形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為240 mm，錐形結(jié)構(gòu)尾部外徑100 mm，錐形結(jié)構(gòu)用于導(dǎo)流，使防護(hù)結(jié)構(gòu)在水下爆炸沖擊波和氣泡脈動(dòng)作用下保持穩(wěn)定，為攝像機(jī)提供穩(wěn)定的承載平臺(tái)，提高水下爆炸圖像拍攝效果[10]；錐形結(jié)構(gòu)與圓柱形殼體之間為24 mm厚的后端蓋，中間留有電纜穿艙孔，內(nèi)部安裝減振器和攝像機(jī)固定支架；防護(hù)玻璃和錐形結(jié)構(gòu)通過螺栓與防護(hù)結(jié)構(gòu)主體實(shí)現(xiàn)連接安裝，連接處采用橡膠圈實(shí)現(xiàn)水密；防護(hù)結(jié)構(gòu)主體的圓柱殼體、后端蓋和尾錐結(jié)構(gòu)采用耐腐蝕不銹鋼。圖2為防護(hù)結(jié)構(gòu)的主要尺寸參數(shù)。

圖2　防護(hù)結(jié)構(gòu)主要尺寸參數(shù)

2仿真計(jì)算

2.1有限元模型建立

借助數(shù)值仿真手段，根據(jù)高速攝像機(jī)防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖對(duì)其采用有限元方法建立幾何模型，采用數(shù)值分析軟件ABAQUS中的聲固耦合法模擬水下非接觸爆炸過程，對(duì)不同水下非接觸爆炸典型工況的高速攝像機(jī)防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算驗(yàn)證。根據(jù)線型設(shè)計(jì)的結(jié)果，首先利用Pro/Engineer軟件建立防護(hù)結(jié)構(gòu)的三維幾何模型，并導(dǎo)出為igs格式文件；將igs文件導(dǎo)入到Hypermesh中建立防護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍水域(圖3)的有限元模型，賦予基本的材料屬性和單元屬性，并導(dǎo)出為inp格式文件；最后將inp文件導(dǎo)入到ABAQUS軟件中進(jìn)行水下爆炸載荷作用下的抗沖擊數(shù)值仿真。

圖3　防護(hù)結(jié)構(gòu)周圍水域有限元模型

防護(hù)裝置的網(wǎng)格采用5 mm×10 mm×10 mm左右的六面體網(wǎng)格，其中為保證殼體厚度方向的網(wǎng)格數(shù)量，在殼體厚度方向設(shè)置的網(wǎng)格尺寸為5 mm，圖4為防護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型。考慮防護(hù)結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜，因此在結(jié)構(gòu)附近的流場(chǎng)網(wǎng)格劃分成10 mm×10 mm×10 mm的四面體單元，在結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)處流場(chǎng)網(wǎng)格劃分為80 mm×80 mm×20 mm的六面體單元，不同類型的網(wǎng)格以Tie的方式連接。防護(hù)結(jié)構(gòu)的邊界設(shè)置為自由邊界條件，流場(chǎng)外表面設(shè)置為無(wú)反射邊界條件用以模擬無(wú)限大流場(chǎng)。流固耦合方式選擇Tie方式，采用Total Wave算法，并考慮空化。結(jié)構(gòu)間的相互作用選用接觸算法中的Surface to Surface。

圖4　防護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型

考慮防護(hù)結(jié)構(gòu)的加工制作以及組裝工藝，防護(hù)結(jié)構(gòu)中存在有焊接、螺栓連接以及安裝處倒角等設(shè)計(jì)，因此在仿真計(jì)算時(shí)，進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理，具體的簡(jiǎn)化原則：涉及焊接和螺栓連接部分時(shí)，認(rèn)為其為一個(gè)整體；安裝處的倒角設(shè)計(jì)是為了便于安裝，不影響計(jì)算結(jié)果，可以略去。

防護(hù)結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算選用的材料特性參數(shù)如表1所示，其中不銹鋼參數(shù)參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)牌號(hào)為022Cr17Ni12Mo2的不銹鋼力學(xué)性能參數(shù)，玻璃參數(shù)參考文獻(xiàn)[12]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1　防護(hù)結(jié)構(gòu)材料屬性

2.2仿真計(jì)算工況

由于一個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果只能與該工況的水下爆炸載荷(藥量、爆距、方位)相對(duì)應(yīng),難以由此推知其他工況時(shí)結(jié)構(gòu)的響應(yīng),沖擊因子是從能量等效角度研究水下爆炸載荷的相似性,用少量工況的結(jié)果即可較為全面的了解目標(biāo)結(jié)構(gòu)抗沖擊性能。對(duì)同一目標(biāo)結(jié)構(gòu),如果沖擊因子相等，則認(rèn)為其水下爆炸沖擊響應(yīng)近似相等。

仿真計(jì)算使用了一種基于平面波假定的沖擊因子描述水下爆炸沖擊環(huán)境[11]，這種沖擊因子的形式：

(1)

式(1)中: W為藥包當(dāng)量(kg)；r為藥包與結(jié)構(gòu)外殼之間的最短爆距(m)。

仿真計(jì)算設(shè)定4個(gè)工況，包括兩種不同爆源當(dāng)量和3個(gè)不同的沖擊因子，爆距由設(shè)定的爆源當(dāng)量和沖擊因子計(jì)算得到,同時(shí)考慮不同試驗(yàn)條件下可實(shí)現(xiàn)的水中拍攝距離。其中工況1、2、3的爆源當(dāng)量相同，但沖擊因子不同，對(duì)應(yīng)的爆距不同；工況2和工況4沖擊因子相同，但爆源當(dāng)量不同，對(duì)應(yīng)的爆距不同。每個(gè)工況詳細(xì)信息如表2所示。爆距為防護(hù)結(jié)構(gòu)軸線方向上爆源爆心與防護(hù)結(jié)構(gòu)前端視窗的距離。

表2　工況設(shè)置

3仿真計(jì)算結(jié)果分析

在有限元計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，設(shè)定材料參數(shù)并提交計(jì)算。圖5和圖6為工況2和工況4兩個(gè)典型工況下防護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。表3列出了4個(gè)工況下的防護(hù)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和產(chǎn)生最大位移的幅值。

圖5　工況3下防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖6　工況4下防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

工況編號(hào)最大應(yīng)力值/MPa最大位移值/mm159.227.6275.541.63168.194.84102.934.8

分析4個(gè)工況仿真計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：爆源當(dāng)量相同時(shí)，沖擊因子越大，爆距越近，應(yīng)力幅值越大；相同沖擊因子的工況下爆源當(dāng)量越大，應(yīng)力幅值越大；防護(hù)結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下，由于應(yīng)力波等因素會(huì)產(chǎn)生剛性位移，爆源當(dāng)量相同，沖擊因子越大，爆距越近，剛性位移越大；相同沖擊因子的工況下爆源當(dāng)量越小，爆距越近，剛性位移越大。

由仿真計(jì)算結(jié)果可知:在爆源當(dāng)量為30 kg TNT、沖擊因子為0.78的最嚴(yán)酷工況下，防護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力最大，但小于所選不銹鋼和防護(hù)玻璃的屈服強(qiáng)度，可判定在該工況下防護(hù)結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度是安全的，但將產(chǎn)生94.8 mm的較大剛性位移；爆源當(dāng)量為60 kg TNT和30 kg TNT、沖擊因子為0.5的工況下，防護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力均小于材料所選不銹鋼和防護(hù)玻璃的屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生的位移小于50 mm，防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。

4個(gè)工況的仿真計(jì)算結(jié)果顯示：防護(hù)結(jié)構(gòu)前端應(yīng)力都較后端大，前端玻璃視窗與主體結(jié)構(gòu)過渡處應(yīng)力較大，后部錐形結(jié)構(gòu)與主體連接處有一定的應(yīng)力集中，在這些應(yīng)力較大的地方應(yīng)予以處理，如采取結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、圓弧過渡、開泄壓槽等方式。

4結(jié)論

在爆源不大于60 kg TNT裝藥、沖擊因子為0.5的爆炸沖擊作用下防護(hù)結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生塑性變形，產(chǎn)生的位移小于50 mm，對(duì)圖像拍攝效果影響較小，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)滿足60 kg TNT裝藥、沖擊因子為0.5的水中爆炸條件下圖像拍攝使用要求。

在水下爆炸作用下，防護(hù)結(jié)構(gòu)前端應(yīng)力大于后端，前端玻璃視窗與主體結(jié)構(gòu)過渡處應(yīng)力較大，后部錐形結(jié)構(gòu)與主體連接處有一定的應(yīng)力集中，在這些應(yīng)力較大的地方在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工時(shí)應(yīng)予以重視。

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(責(zé)任編輯周江川)

本文引用格式：張姝紅，陳高杰，高浩鵬，等.高速攝像防護(hù)結(jié)構(gòu)抗水中爆炸沖擊仿真研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(5):53-56.

Citation format:ZHANG Shu-hong,CHEN Gao-jie,GAO Hao-peng,et al.Simulation on Behavior of Protecting Structure for High-Speed Camera to Underwater Explosions Shock[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):53-56.

Simulation on Behavior of Protecting Structure for High-Speed Camera to Underwater Explosions Shock

ZHANG Shu-hong,CHEN Gao-jie,GAO Hao-peng,JIN Hui

(The No.91439thTroop of PLA,Dalian 116041,China)

Abstract:The protecting structure for the camera tends to have plastic deformation and come into being displacement under shock wave caused by under-water explosion when the camera is taking photo of the explosion images,which will influence the system safety and shooting effect.A Protecting structure was designed to satisfy the camera safety demand.To proof the strength and the stability of high-speed camera protecting structure,four loading cases were set up and numerical calculations were performed on the protecting structure with ABAQUS software.The results show that protecting structure doesn’t have plastic deformation with 60 kg TNT and shock factor of 0.5 and can satisfy the safety protection and shooting demand of underwater explosions.

Key words:underwater explosion; protecting structure; ABAQUS; shock factor

doi:【裝備理論與裝備技術(shù)】10.11809/scbgxb2016.05.013

收稿日期：2015-10-17；修回日期：2015-11-25

作者簡(jiǎn)介：張姝紅(1971—)，女，高級(jí)工程師，主要從事水下爆炸試驗(yàn)技術(shù)研究。

中圖分類號(hào)：TJ03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-2304(2016)05-0053-04