爆轟產(chǎn)物沖擊帶破口雙層板結(jié)構(gòu)內(nèi)板壁壓研究

盛振新, 劉建湖, 毛海斌, 張顯丕, 周章濤, 楊 靜

爆轟產(chǎn)物沖擊帶破口雙層板結(jié)構(gòu)內(nèi)板壁壓研究

盛振新1,2, 劉建湖1,2, 毛海斌1,2, 張顯丕1,2, 周章濤1,2, 楊 靜1,2

(1. 中國船舶科學(xué)研究中心, 江蘇 無錫, 214082; 2 深海技術(shù)科學(xué)太湖實驗室，江蘇 無錫，214082)

針對水下接觸爆炸條件下爆轟產(chǎn)物沖擊帶破口雙層板內(nèi)板壁壓載荷特性不清的問題, 開展了理論和試驗研究。將艙外附著氣泡和爆轟產(chǎn)物氣柱射流的演化過程分為3個階段：1）氣泡膨脹和爆轟產(chǎn)物從破口隨進(jìn)過程; 2）爆轟產(chǎn)物形成氣柱射流并在結(jié)構(gòu)內(nèi)運(yùn)動過程; 3）爆轟產(chǎn)物氣柱射流沖擊結(jié)構(gòu)內(nèi)板過程, 構(gòu)建了爆轟產(chǎn)物氣體破口隨進(jìn)動力學(xué)方程組, 給出了爆轟產(chǎn)物氣體在結(jié)構(gòu)內(nèi)部運(yùn)動時速度和密度的衰減規(guī)律, 建立了爆轟產(chǎn)物沖擊帶破口雙層板結(jié)構(gòu)內(nèi)板壁壓的理論計算模型, 并且分析了藥量、破口半徑和艙室寬度對氣泡運(yùn)動和內(nèi)板壁壓的影響規(guī)律。同時, 開展了帶破口雙層板結(jié)構(gòu)的水下接觸爆炸試驗, 采用高速攝像拍攝了氣泡和爆轟產(chǎn)物氣柱的運(yùn)動演化過程, 測量獲取了爆轟產(chǎn)物氣柱射流作用在內(nèi)板上的壁壓時程。結(jié)果表明, 壁壓峰值和沖量的理論計算結(jié)果與試驗測量結(jié)果的偏差分別為-5.84%和9.71%。理論計算模型精度滿足工程應(yīng)用要求, 可為艦船結(jié)構(gòu)的毀傷評估和抗爆設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

爆轟產(chǎn)物; 雙層板結(jié)構(gòu); 水下爆炸; 內(nèi)板壁壓

0 引言

當(dāng)炸藥與雙層結(jié)構(gòu)在水下接觸爆炸時, 外板在沖擊波作用下會瞬間產(chǎn)生破口, 之后在水中形成附著于外板的氣泡。在氣泡膨脹過程中, 一部分爆轟產(chǎn)物氣體通過破口進(jìn)入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部, 并在艙內(nèi)高速運(yùn)動, 對內(nèi)部設(shè)備造成嚴(yán)重毀傷。

Best[1]最早進(jìn)行了帶破口背氣結(jié)構(gòu)附近氣泡運(yùn)動的研究, 提出了簡單的氣泡運(yùn)動模型, 其主要特點是將氣泡假設(shè)為半球形, 并認(rèn)為爆轟產(chǎn)物通過破孔一維流出。Dadvand等[2]和Liu等[3]利用電火花試驗及邊界元方法研究了帶圓孔背氣板附近的氣泡動態(tài)特性, 氣泡中心距破口距離大于氣泡最大半徑時, 在破口處會產(chǎn)生高速的水冢, 不同距離參數(shù)和破口大小會導(dǎo)致多種水冢形式的呈現(xiàn)。在帶破口的空艙邊界下, 氣泡膨脹過程中會涌入空艙沖擊艙室內(nèi)板, 并引起艙室內(nèi)壓升高, 氣泡收縮過程中艙室內(nèi)氣體被吸入氣泡內(nèi)部[4-5]。陳瑩玉[6]通過試驗分析了在水下接觸爆炸作用下, 外板產(chǎn)生破口后爆轟產(chǎn)物氣柱射流和水射流對空艙內(nèi)板的毀傷特性。

目前的研究主要關(guān)注帶破口雙層板結(jié)構(gòu)附近氣泡的運(yùn)動特性和爆炸產(chǎn)物對結(jié)構(gòu)內(nèi)板的毀傷效果, 而針對爆轟產(chǎn)物對內(nèi)板的沖擊加載特性研究較少, 同時研究方法主要為試驗和數(shù)值計算, 沒有建立相應(yīng)的理論模型。對于氣泡來說, 帶破口結(jié)構(gòu)是一個復(fù)雜邊界, 同時爆轟產(chǎn)物氣體與艙內(nèi)空氣發(fā)生物質(zhì)交換, 整個過程非常復(fù)雜, 理論描述模型難度較大; 爆轟產(chǎn)物氣體進(jìn)入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部并沖擊內(nèi)板的過程中, 其運(yùn)動實際上不是一維的, 速度和密度也持續(xù)變化, 由于試驗難以測量, 目前尚未掌握爆轟產(chǎn)物氣體艙內(nèi)運(yùn)動速度和密度的變化規(guī)律。

針對此, 文中建立了爆轟產(chǎn)物氣體沖擊雙層板結(jié)構(gòu)的內(nèi)板載荷理論模型, 分析了藥量、破口半徑和艙室寬度對氣泡運(yùn)動和內(nèi)板壁壓的影響規(guī)律, 并通過水下爆炸試驗進(jìn)行了驗證, 以期為艦船結(jié)構(gòu)的毀傷評估和抗爆設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 理論模型

根據(jù)現(xiàn)有試驗和數(shù)值計算的研究成果可知, 帶破口雙層板結(jié)構(gòu)水下接觸爆炸氣泡和爆轟產(chǎn)物氣柱射流的演化過程主要包括氣泡膨脹和爆轟產(chǎn)物從破口隨進(jìn)過程(圖1(b))、爆轟產(chǎn)物形成氣柱射流并在結(jié)構(gòu)內(nèi)運(yùn)動過程(圖1(c))和爆轟產(chǎn)物氣柱射流沖擊結(jié)構(gòu)內(nèi)板過程(圖1(d))3個階段。

圖1 帶破口雙層板結(jié)構(gòu)水下接觸爆炸氣泡和爆轟產(chǎn)物氣柱射流演化過程示意圖

為方便理論分析, 進(jìn)行一定的假設(shè)和簡化: 1) 外板和內(nèi)板均為平板, 忽略表面曲率的影響; 2) 結(jié)構(gòu)為完全剛性, 即忽略結(jié)構(gòu)在氣泡載荷作用下的變形。

1.1 氣泡膨脹和爆轟產(chǎn)物從破口隨進(jìn)過程

1.1.1 氣泡運(yùn)動方程

水下爆炸氣泡初始膨脹時, 氣泡邊界的馬赫數(shù)近似甚至大于1, 此時需考慮液體的可壓縮性。因此, 采用具有2階馬赫數(shù)精度的Prosperetti- Lezzi方程[7-9]描述氣泡運(yùn)動

氣泡運(yùn)動初始條件采用Kedrinskii假設(shè)[10-12], 在爆轟結(jié)束后瞬間形成了沖擊波, 爆轟產(chǎn)物-水界面瞬間達(dá)成壓力和速度的平衡。

氣泡邊界爆轟產(chǎn)物一側(cè)速度和壓力的關(guān)系式

氣泡邊界水一側(cè)速度和壓力的關(guān)系式

平衡條件為

氣泡運(yùn)動的初始條件

為了準(zhǔn)確描述爆炸氣泡動力學(xué)特征, 采用一種基于JWL狀態(tài)方程、多方指數(shù)隨密度變化的狀態(tài)方程形式[13]。

1.1.2 考慮物質(zhì)交換的氣泡內(nèi)部壓力

為了確定氣泡內(nèi)壓力隨時間變化過程, 需考慮通過破口情況下爆轟產(chǎn)物的熱力學(xué)情況[1]。

氣體內(nèi)能變化是由于體積改變時所做的功以及氣體穿過破口流出引起摩爾數(shù)的改變所致, 即

1.1.3 爆轟產(chǎn)物射流速度

假定氣體內(nèi)部密度均勻, 故壓力可以寫成密度的函數(shù)

將式(8)和式(10)代入式(9), 可得氣體流出速度為

式(1)、式(7)和式(11)組成爆轟產(chǎn)物氣體破口隨進(jìn)動力學(xué)方程組, 計算得到水中爆炸氣泡半徑、氣泡內(nèi)壓力和密度、爆轟產(chǎn)物通過破口速度等參數(shù)隨時間的演化過程。

1.2 爆轟產(chǎn)物氣柱射流在雙層板結(jié)構(gòu)內(nèi)運(yùn)動過程

1.3 爆轟產(chǎn)物氣柱射流沖擊內(nèi)板過程

當(dāng)氣柱射流沖擊到壁板上時速度降至零, 同時在氣體中產(chǎn)生壓縮波。類似于氣泡射流壓力[15], 氣柱射流壓力

2 相關(guān)參數(shù)對內(nèi)板壁壓的影響規(guī)律

為了分析爆炸參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對內(nèi)板壁壓的影響, 開展了針對不同炸藥質(zhì)量、破口半徑和艙室寬度等參數(shù)的計算與分析。

2.1 藥量對內(nèi)板壁壓的影響

在破口半徑為32 mm, 空艙寬度為150 mm, 裝藥質(zhì)量分別為1.1, 5和10 g條件下, 艙外氣泡運(yùn)動和內(nèi)板壁壓的計算結(jié)果如圖2所示。

從圖中可知: 1) 爆轟產(chǎn)物通過破口逸出到艙內(nèi), 氣泡發(fā)生能量損失, 會影響氣泡的二次膨脹, 藥量越小, 影響越明顯; 2) 破口尺寸和艙室寬度相同條件下, 爆轟產(chǎn)物艙內(nèi)運(yùn)動時速度和密度隨距離衰減規(guī)律相同, 因此內(nèi)板壁壓峰值相同, 且同時到達(dá)內(nèi)板; 3) 藥量越小, 內(nèi)板壁壓隨時間衰減越快。

2.2 破口尺寸對內(nèi)板壁壓的影響

空艙寬度為150 mm, 裝藥質(zhì)量為1.1 g, 破口半徑分別為5.3, 16和32 mm條件下, 艙外氣泡運(yùn)動和內(nèi)板壁壓的計算結(jié)果如圖3所示。

從圖中可知: 1) 破口越大, 通過破口逸出到艙內(nèi)的爆轟產(chǎn)物越多, 氣泡二次膨脹受到的影響越明顯; 2) 破口越大, 到達(dá)內(nèi)板的爆轟產(chǎn)物的速度和密度越大, 內(nèi)板壁壓越大, 且最先達(dá)到內(nèi)板; 3) 由=5.3 mm的計算結(jié)果可知, 當(dāng)破口半徑與藥量半徑接近時, 進(jìn)入艙內(nèi)的爆轟產(chǎn)物很少, 同時爆轟產(chǎn)物的速度和密度在艙內(nèi)衰減較快, 爆轟產(chǎn)物氣柱射流對內(nèi)板的沖擊壓力幾乎可以忽略。

2.3 艙室寬度對內(nèi)板壁壓的影響

破口半徑為32 mm, 裝藥質(zhì)量為1.1 g, 艙室>寬度分別為100, 150 和200 mm條件下, 艙外氣泡運(yùn)動和內(nèi)板壁壓的計算結(jié)果如圖4所示。從圖中可知: 1) 藥量和破口尺寸不變的條件下, 艙外氣泡運(yùn)動特性不變; 2) 空艙寬度越大, 到達(dá)內(nèi)板的爆轟產(chǎn)物的速度和密度越小, 內(nèi)板壁壓越小, 且最后到達(dá)內(nèi)板。

圖4 艙室寬度對氣泡運(yùn)動和內(nèi)板壁壓影響曲線

3 帶破口雙層板結(jié)構(gòu)水下接觸爆炸試驗

3.1 試驗布置

試驗的總體布置如圖5所示, 包括水槽、雙層板結(jié)構(gòu)、高速攝像系統(tǒng)及壁壓測量系統(tǒng)等。水槽尺寸為1 m×1 m×1 m, 由鋼質(zhì)框架和有機(jī)玻璃組成, 內(nèi)部注滿水。

圖5 試驗總體布置

圖6 帶破口雙層板結(jié)構(gòu)

試驗采用單發(fā)8號雷管作為藥包, 等效藥量為1.1 g TNT, 等效半徑為5.3 mm, 雷管接觸布放于預(yù)制破口處, 如圖7所示。

圖7 藥包布置

在內(nèi)板上布置109C12型壓電傳感器,用來測量作用在內(nèi)板上的壁壓, 如圖8所示。觀測裝置吊放于觀測水槽內(nèi), 中心位于水下約0.5 m處。采用高速相機(jī)拍攝氣泡和爆轟產(chǎn)物的運(yùn)動及與內(nèi)板的相互作用過程, 相機(jī)與藥包布放位置等高。

圖8 傳感器布置

3.2 試驗結(jié)果與分析

3.2.1 高速攝像

另外, 在15972 μs時刻氣泡達(dá)到最大值, 半徑為101 mm。

圖9 氣泡運(yùn)動及爆轟產(chǎn)物演化過程

根據(jù)經(jīng)典水下爆炸氣泡半徑計算公式

計算得到1.1 g TNT在水深0.5 m處的氣泡最大半徑為164 mm。試驗得到相對無限水域氣泡最大半徑減小了38.4%, 說明氣泡內(nèi)的爆轟產(chǎn)物從破口進(jìn)入到艙內(nèi), 并抑制附著在外板的氣泡的膨脹運(yùn)動。

3.2.2 內(nèi)板壁壓

壓力傳感器測得爆轟產(chǎn)物作用在內(nèi)板上的壁壓時程曲線如圖10所示。從圖中可以看出, 在經(jīng)過一個陡峭的上升沿后, 壓力達(dá)到峰值4.97 MPa, 然后急劇衰減, 之后衰減越來越慢, 最后趨近于零。從壓力曲線可以看出測量結(jié)果有較明顯震蕩, 這是由于壓力傳感器安裝基礎(chǔ)振動引起的。

4 結(jié)束語

文中以帶破口雙層板結(jié)構(gòu)為對象, 將水下接觸爆炸氣泡和爆轟產(chǎn)物氣柱射流的演化過程分為3個階段, 同時, 開展了帶破口雙層板結(jié)構(gòu)的水下爆炸試驗, 將試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果對比可知: 1) 氣泡內(nèi)的爆轟產(chǎn)物從破口進(jìn)入到艙內(nèi), 會抑制附著在外板的氣泡的膨脹運(yùn)動; 2) 爆轟產(chǎn)物形成的氣柱射流在艙內(nèi)運(yùn)動時發(fā)生擴(kuò)展, 會引起密度衰減; 3) 爆轟產(chǎn)物沖擊內(nèi)板壁壓峰值和沖量與試驗測量結(jié)果偏差分別為-5.84%和9.71%, 表明理論計算模型精度滿足工程應(yīng)用要求, 可為艦船結(jié)構(gòu)的毀傷評估和抗爆設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

表1 內(nèi)板壁壓峰值和沖量對比

爆轟產(chǎn)物氣體在結(jié)構(gòu)內(nèi)部高速運(yùn)動, 會對結(jié)構(gòu)和設(shè)備造成嚴(yán)重毀傷, 內(nèi)板壁壓載荷作為結(jié)構(gòu)毀傷的輸入, 后續(xù)將在文中工作基礎(chǔ)上開展爆轟產(chǎn)物對帶破口雙層板結(jié)構(gòu)內(nèi)板毀傷效應(yīng)的研究。

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Study on the Wall Pressure Generated by Detonation Products on the Inner Panel of a Double-layer Structure with a Hole

SHENG Zhen-xin1,2, LIU Jian-hu1,2, MAO Hai-bin1,2, ZHANG Xian-pi1,2, ZHOU Zhang-tao1,2, YANG Jing1,2

(1. China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China; 2. Taihu Laboratory of Deepsea Technological Science, Wuxi 214082, China)

To investigate the characteristics of wall pressure generated by detonation products on the inner panel of a double-layer structure with a hole, we conducted theoretical and experimental studies were conducted. The evolution process of the underwater contact explosion bubble and detonation product jet was divided into three stages: 1) bubble expanding and detonation products entering through the hole, 2) detonation product jet moving in the structure, and 3) detonation product jet impacting the inner panel. Dynamic equations of the detonation products passing through the hole were constructed, the attenuation laws of the velocity and density of detonation products moving in the structure were derived, and a theoretical calculation model for wall pressure on the inner panel of the double-layer structure was established. The effects of charge weight, break radius, and cabin width on bubble motion and wall pressure were analyzed. Additionally, an underwater contact explosion test on a double-layer structure was conducted. The evolution process of the explosion bubble and detonation product jet was photographed using a high-speed camera and the time history of wall pressure on the inner panel was recorded. The results indicate that the deviation in the peak pressure and impulse between the theoretical calculation results and test measurement results were ?5.84% and 9.71%, respectively. The accuracy of the theoretical calculation model can meet the requirements of engineering applications, thereby providing a theoretical basis for the damage assessment and shock-resistant design of ship structures.

detonation products; double-layer structure; underwater contact explosion; wall pressure on inner panel

盛振新, 劉建湖, 毛海斌, 等. 爆轟產(chǎn)物沖擊帶破口雙層板結(jié)構(gòu)內(nèi)板壁壓研究[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2022, 30(3): 391-397.

TJ6; U674.7; O383

A

2096-3920(2022)03-0391-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.016

2021-12-14;

2022-03-16.

盛振新(1986-), 男, 博士, 高級工程師, 主要研究方向為爆炸載荷理論及試驗.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)