高速攝像防護結構抗水中爆炸沖擊仿真研究

張姝紅，陳高杰，高浩鵬，金　輝

(中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連　116041)

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高速攝像防護結構抗水中爆炸沖擊仿真研究

張姝紅，陳高杰，高浩鵬，金輝

(中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連116041)

摘要：高速攝像機拍攝水中爆炸圖像時，用于安裝攝像機的防護結構在水中爆炸沖擊波作用下可能產生塑性變形和較大位移，影響到高速攝像系統使用安全和圖像拍攝效果；作者設計了高速攝像機水中抗沖擊防護結構，為驗證防護結構強度設計的合理性和水下爆炸作用下的穩定性，利用ABAQUS軟件對防護結構抗水下爆炸沖擊性能進行數值仿真計算，用沖擊因子設置4個仿真計算工況；計算結果顯示：防護結構在60 kgTNT當量裝藥、0.5的爆炸沖擊因子作用下未產生塑性變形，產生的位移小于5 cm，防護結構強度和穩定性滿足該條件下攝像機安全防護和水中爆炸圖像拍攝使用要求。

關鍵詞：水下爆炸；防護結構；ABAQUS；沖擊因子

高速攝像是水下爆炸研究中重要的試驗測量手段，可用于裝藥水下爆炸特性、毀傷能力和目標結構毀傷效果等研究[1-7]。將高速攝像機安裝在抗沖擊防護結構內布放到開闊水域中，可以拍攝中小當量裝藥的水下爆炸現象，但由于水下爆炸產生的沖擊波具有很強的破壞性，防護結構在水下爆炸沖擊波作用下可能產生塑性變形并產生較大的位移，影響內部高速攝像機系統的安全和爆炸圖像拍攝效果。為實現攝像機的安全防護，需要對防護結構強度進行設計，確保結構在水中爆炸沖擊波作用下不產生塑性變形。大型非線性動力學分析軟件ABACUS可以完整地再現水下爆炸沖擊波傳播過程，可以計算結構在水中非接觸爆炸作用下的動態響應[8-9]。考慮水中爆炸圖像拍攝時的爆源當量、邊界條件、抗爆炸沖擊穩定性、水中可實現的拍攝距離、結構材料選取和內部設備、減振裝置、功能線纜安裝空間要求等因素，設計攝像機防護結構的線型尺寸和抗沖擊防護能力，采用ABAQUS分析軟件對不同水下爆炸工況條件下的防護結構抗沖擊性能進行仿真計算對比，驗證防護結構設計方案的正確性，為水下爆炸試驗時的工況設計和圖像拍攝提供參考。

1防護結構設計

拍攝水中爆炸圖像時，高速攝像機通過緩沖減振裝置安裝在防護結構內，被拍攝的爆源等目標布設在攝像機視角范圍內，為保證較好的拍攝效果，目標與攝像機布放在同一水平軸線，根據防護結構的抗沖擊能力、海水能見度和爆炸圖像拍攝邊界條件要求設置水中拍攝距離，即設置合適的爆距，確保拍攝到理想的爆炸圖像，并保證高速攝像機的安全。防護結構和爆源在水中布設示意圖如圖1。

圖1　防護結構和爆源在水中布設示意圖

防護結構主體設計為圓柱形殼體，長度為650 mm，外徑300 mm，厚度15 mm，內部安裝減振器、高速攝像機、輔助配套設備和功能線纜；前端為防護玻璃，厚度為25 mm；后端為錐形結構，長度為240 mm，錐形結構尾部外徑100 mm，錐形結構用于導流，使防護結構在水下爆炸沖擊波和氣泡脈動作用下保持穩定，為攝像機提供穩定的承載平臺，提高水下爆炸圖像拍攝效果[10]；錐形結構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，內部安裝減振器和攝像機固定支架；防護玻璃和錐形結構通過螺栓與防護結構主體實現連接安裝，連接處采用橡膠圈實現水密；防護結構主體的圓柱殼體、后端蓋和尾錐結構采用耐腐蝕不銹鋼。圖2為防護結構的主要尺寸參數。

圖2　防護結構主要尺寸參數

2仿真計算

2.1有限元模型建立

借助數值仿真手段，根據高速攝像機防護結構設計圖對其采用有限元方法建立幾何模型，采用數值分析軟件ABAQUS中的聲固耦合法模擬水下非接觸爆炸過程，對不同水下非接觸爆炸典型工況的高速攝像機防護結構強度進行仿真計算驗證。根據線型設計的結果，首先利用Pro/Engineer軟件建立防護結構的三維幾何模型，并導出為igs格式文件；將igs文件導入到Hypermesh中建立防護結構和周圍水域(圖3)的有限元模型，賦予基本的材料屬性和單元屬性，并導出為inp格式文件；最后將inp文件導入到ABAQUS軟件中進行水下爆炸載荷作用下的抗沖擊數值仿真。

圖3　防護結構周圍水域有限元模型

防護裝置的網格采用5 mm×10 mm×10 mm左右的六面體網格，其中為保證殼體厚度方向的網格數量，在殼體厚度方向設置的網格尺寸為5 mm，圖4為防護結構有限元模型。考慮防護結構形狀較為復雜，因此在結構附近的流場網格劃分成10 mm×10 mm×10 mm的四面體單元，在結構較遠處流場網格劃分為80 mm×80 mm×20 mm的六面體單元，不同類型的網格以Tie的方式連接。防護結構的邊界設置為自由邊界條件，流場外表面設置為無反射邊界條件用以模擬無限大流場。流固耦合方式選擇Tie方式，采用Total Wave算法，并考慮空化。結構間的相互作用選用接觸算法中的Surface to Surface。

圖4　防護結構有限元模型

考慮防護結構的加工制作以及組裝工藝，防護結構中存在有焊接、螺栓連接以及安裝處倒角等設計，因此在仿真計算時，進行一定的簡化處理，具體的簡化原則：涉及焊接和螺栓連接部分時，認為其為一個整體；安裝處的倒角設計是為了便于安裝，不影響計算結果，可以略去。

防護結構仿真計算選用的材料特性參數如表1所示，其中不銹鋼參數參考機械設計手冊牌號為022Cr17Ni12Mo2的不銹鋼力學性能參數，玻璃參數參考文獻[12]的實驗數據。

表1　防護結構材料屬性

2.2仿真計算工況

由于一個工況的計算結果只能與該工況的水下爆炸載荷(藥量、爆距、方位)相對應,難以由此推知其他工況時結構的響應,沖擊因子是從能量等效角度研究水下爆炸載荷的相似性,用少量工況的結果即可較為全面的了解目標結構抗沖擊性能。對同一目標結構,如果沖擊因子相等，則認為其水下爆炸沖擊響應近似相等。

仿真計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境[11]，這種沖擊因子的形式：

(1)

式(1)中: W為藥包當量(kg)；r為藥包與結構外殼之間的最短爆距(m)。

仿真計算設定4個工況，包括兩種不同爆源當量和3個不同的沖擊因子，爆距由設定的爆源當量和沖擊因子計算得到,同時考慮不同試驗條件下可實現的水中拍攝距離。其中工況1、2、3的爆源當量相同，但沖擊因子不同，對應的爆距不同；工況2和工況4沖擊因子相同，但爆源當量不同，對應的爆距不同。每個工況詳細信息如表2所示。爆距為防護結構軸線方向上爆源爆心與防護結構前端視窗的距離。

表2　工況設置

3仿真計算結果分析

在有限元計算模型的基礎上，設定材料參數并提交計算。圖5和圖6為工況2和工況4兩個典型工況下防護結構的應力云圖。表3列出了4個工況下的防護結構最大應力和產生最大位移的幅值。

圖5　工況3下防護結構應力云圖

圖6　工況4下防護結構應力云圖

工況編號最大應力值/MPa最大位移值/mm159.227.6275.541.63168.194.84102.934.8

分析4個工況仿真計算結果可以發現：爆源當量相同時，沖擊因子越大，爆距越近，應力幅值越大；相同沖擊因子的工況下爆源當量越大，應力幅值越大；防護結構在水下爆炸作用下，由于應力波等因素會產生剛性位移，爆源當量相同，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量越小，爆距越近，剛性位移越大。

由仿真計算結果可知:在爆源當量為30 kg TNT、沖擊因子為0.78的最嚴酷工況下，防護結構產生的應力最大，但小于所選不銹鋼和防護玻璃的屈服強度，可判定在該工況下防護結構自身的強度是安全的，但將產生94.8 mm的較大剛性位移；爆源當量為60 kg TNT和30 kg TNT、沖擊因子為0.5的工況下，防護結構產生的應力均小于材料所選不銹鋼和防護玻璃的屈服強度，產生的位移小于50 mm，防護結構穩定性較好。

4個工況的仿真計算結果顯示：防護結構前端應力都較后端大，前端玻璃視窗與主體結構過渡處應力較大，后部錐形結構與主體連接處有一定的應力集中，在這些應力較大的地方應予以處理，如采取結構加強、圓弧過渡、開泄壓槽等方式。

4結論

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結構未產生塑性變形，產生的位移小于50 mm，對圖像拍攝效果影響較小，結構強度和穩定性設計滿足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，防護結構前端應力大于后端，前端玻璃視窗與主體結構過渡處應力較大，后部錐形結構與主體連接處有一定的應力集中，在這些應力較大的地方在結構設計和加工時應予以重視。

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(責任編輯周江川)

本文引用格式：張姝紅，陳高杰，高浩鵬，等.高速攝像防護結構抗水中爆炸沖擊仿真研究[J].兵器裝備工程學報，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】10.11809/scbgxb2016.05.013

收稿日期：2015-10-17；修回日期：2015-11-25

作者簡介：張姝紅(1971—)，女，高級工程師，主要從事水下爆炸試驗技術研究。

中圖分類號：TJ03

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)05-0053-04