攝像防護結構抗水下爆炸沖擊響應試驗研究

張姝紅，周慶飛，金　輝

（91439部隊，遼寧 大連 116041）

攝像防護結構抗水下爆炸沖擊響應試驗研究

張姝紅，周慶飛，金輝

（91439部隊，遼寧 大連 116041）

為驗證高速攝像機抗沖擊防護結構在水下爆炸作用下的穩定性設計和結構強度設計的合理性，在爆炸罐內實施防護結構縮比模型驗證試驗，利用水下爆炸電測系統測量水中爆炸壓力載荷峰值，通過布設在爆炸罐外觀測窗口的高速攝像機拍攝防護結構在水中爆炸作用下的運動圖像，并對運動圖像處理得到防護結構產生的水平位移和垂向位移。試驗結果表明：防護結構在水下爆炸沖擊波及氣泡脈動流場作用下穩定性較好，結構未產生塑性變形，驗證結構強度和穩定性設計合理性，滿足60kg TNT當量裝藥在0.5沖擊因子、沖擊波峰值壓力11.48MPa作用下的水下爆炸工程研究需要。

水下爆炸沖擊波；結構穩定性和強度；模型試驗；高速攝像

0　引　言

高速攝像是水下爆炸試驗測量的重要手段之一，可用于裝藥水下爆炸現象及目標結構毀傷效果的圖像拍攝［1-3］。高速攝像機安裝在留有觀測窗口的抗沖擊防護結構內，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［4-7］。澳大利亞已建有一套水下爆炸試驗高速攝像系統，可布放到水中拍攝8kg TNT當量裝藥的水中爆炸圖像［8-9］。由于防護結構在水下爆炸沖擊波及氣泡脈動流場作用下將產生運動、結構可能產生塑性變形，因此需要對防護結構進行穩定性和強度設計。通過線型設計使防護結構在水下爆炸作用下具有良好的穩定性，防護結構可以為高速攝像機在水下爆炸圖像拍攝時提供穩定的承載平臺；通過強度設計使防護結構在水下爆炸強沖擊作用下不產生塑性變形，可以保證高速攝像機安全。對防護結構抗水下爆炸的穩定性和強度進行設計，并在爆炸罐內實施了防護結構縮比模型試驗，驗證結構線型設計的穩定性和強度設計的合理性。

1　防護結構設計

攝像機水下抗沖擊防護結構的設計需綜合考核外形尺寸、結構強度、攝像機尺寸、攝像機抗沖擊能力、減振防護設計、鏡頭視角、結構內部輔助配套電路安裝和各種線纜走線等空間要求，既要求結構具有足夠的強度，又要求結構內部有足夠的承載空間。

采用流體力學理論設計攝像機防護結構外部線型，防護結構的線型和尺寸設計如圖1所示，中間主體部分為圓柱型殼體，采用0.14m厚907不銹鋼；前端為攝像機視窗，采用0.25m厚的防彈玻璃；視窗與圓柱殼體連接處為弧線形，尾部為錐形，利于流體導流；圓柱殼體與尾錐之間為后端蓋，用于電纜穿艙、減振器安裝、攝像機支架固定及結構內部設備防護等。

圖1　防護結構外部線型

用于水下爆炸圖像拍攝時，高速攝像機安裝在防護結構內，防護結構與爆源布放在水下同一深度，在爆炸沖擊波和氣泡脈動流場作用下，防護結構主要產生水平方向的運動。爆炸理論分析和仿真計算結果顯示：爆源當量為60kg TNT、防護結構前端位置處沖擊因子為0.5、沖擊波峰值壓力為11.48 MPa時，爆炸氣泡脈動流場的流速為1 m/s，在一個氣泡脈動周期內水平方向產生的位移＜0.05m，防護結構不產生塑性變形，基本不影響高速攝像機拍攝效果且保證攝像機的安全［10］。

2　驗證試驗

2.1試驗工況

為驗證防護結構外部線型在水下爆炸沖擊波和氣泡脈動作用下的穩定性，同時驗證結構強度設計合理性，根據幾何相似原理進行了縮比模型驗證試驗，為保證驗證效果，縮比模型控制在1∶5范圍內［11］。高速攝像機防護結構的縮比模型設計與原結構尺寸比例為1∶3，內部安裝高速攝像機縮比質量塊。防護結構縮比模型實物如圖2所示。

圖2　防護結構縮比模型實物

試驗在實驗室爆炸罐內進行，爆源為0.2kg TNT標準藥球，入水深度2.475 m，爆炸沖擊因子（SF）分別為0.2和0.4，對應的爆距（D）、理論峰值壓力和流場流速如表1所示。根據流體力學理論，水中結構體發生振動主要受流體流速影響［12］?？梢钥吹皆?#試驗中，水中爆炸氣泡脈動產生的流場速度為1.24 m/s、沖擊波峰值壓力為11.55 MPa，略大于60 kg TNT、0.5沖擊因子試驗工況下的1m/s氣泡脈動流場速度和11.48MPa的沖擊波峰值壓力；在2#試驗中，氣泡脈動產生的流場速度為4.94m/s，峰值壓力為25.14 MPa，遠大于60kg TNT、0.5沖擊因子試驗工況下的氣泡脈動流場速度和峰值壓力，該工況試驗主要用于對比驗證在爆炸作用下的運動情況和結構強度的對比驗證；理論分析和仿真計算顯示防護結構在爆炸沖擊作用下產生的位移主要由氣泡脈動引起的流場變化作用結果，同時根據水下爆炸試驗沖擊波峰值壓力等效原則，1#試驗可以驗證60kg TNT、0.5沖擊因子、峰值壓力11.48MPa條件下的防護結構運動和毀傷情況。

表1　試驗工況對應參數

2.2試驗布設

防護結構縮比模型和藥球通過橫桿懸浮布放到爆炸罐內，罐內注滿水；爆炸罐留有多個觀測窗口，在爆炸罐外部的觀測窗口布設高速攝像機，記錄爆炸過程中防護結構運動圖像；防護結構前端布設一個壓力測點，對水下爆炸自由場壓力進行測量，并監測藥球是否完全爆轟，試驗布設如圖3所示。

圖3　模型試驗布設示意圖

3　試驗結果及分析

兩次試驗均獲得了自由場壓力和防護結構運動情況的圖像數據。

3.1自由場壓力測量結果分析

根據自由場壓力測量結果判斷，兩次試驗藥球均完全爆轟。圖4為1#試驗自由場壓力測量結果曲線，壓力測點到藥包距離為1.8m，測量曲線中第1個峰值為爆炸沖擊波峰值壓力，第2個峰值為爆炸罐壁反射匯聚產生的壓力，反射壓力大于爆炸沖擊波峰值壓力，產生的氣泡脈動周期與理論值相符。

圖4　1#自由場壓力測量曲線

在沖擊因子為0.2和0.4兩個工況下，防護結構均未產生塑性變形，外觀完好。

3.2防護結構運動測量結果與分析

通過布設在爆炸罐外的高速攝像機拍攝得到防護結構運動圖像，經過處理得到結構在縱向（水平方向）和垂直方向產生的位移。比較兩個工況試驗中高速攝像機拍攝的圖像數據可以看出：防護結構產生的位移隨爆距的拉近而增大，產生的位移以縱向為主，垂向產生較小的位移。由壓力測量結果可知，爆炸時爆炸罐內存在嚴重且復雜的反射現象，導致防護結構位移測量結果存在一定的誤差，但總體趨勢符合仿真計算時的預估運動特點：防護結構縱向的運動特點是在爆炸沖擊波和氣泡脈動作用下做先正向后反向的往復運動，這主要是由于模型在入射沖擊波載荷作用下作正向運動，而后運動的模型在流體阻尼和反射匯聚沖擊波的作用下運動變緩直至運動方向反向；垂向的運動特點是圍繞零線的上下做周期運動（周期約為400 ms），這主要是試驗過程中水下爆炸激起的爆炸罐整體運動所導致。表2為兩個工況條件下由爆炸圖像處理得到的結果。

表2　爆炸圖像處理結果

圖5為沖擊因子為0.2的1#試驗中防護結構水平方向運動位移曲線，爆炸流場速度為1.24m/s，爆炸圖像處理結果顯示防護結構在該工況下產生的最大水平位移約為0.12 m，產生最大位移時刻為爆炸后的1 s時刻，在二次氣泡脈動周期時產生的位移＜0.02m（0.2 kg TNT裝藥、布深2.475m時的氣泡脈動周期理論值約為0.147s）；圖6為沖擊因子為0.4的2#試驗中防護結構水平方向運動位移曲線，爆炸圖像處理結果顯示防護結構在該工況下產生的最大水平位移為0.14m，產生最大位移時刻為爆炸后的1s時刻，在二次氣泡脈動周期時的位置產生的位移＜0.04m；圖7和圖8分別為1#試驗和2#試驗中防護結構垂直方向運動位移曲線，在2個工況下防護結構垂直方向產生的位移較小，主要是爆炸罐在爆炸后的整體運動所引起。

圖5　1#試驗防護結構縱向位移時間曲線

圖6　2#試驗防護結構縱向位移時間曲線

圖7　1#試驗防護結構垂向位移時間曲線

圖8　2#試驗防護結構垂向位移時間曲線

4　結束語

通過防護結構縮比模型試驗，驗證防護結構外部線型和結構強度設計的合理性。試驗主要得到如下結論：

1）結構強度滿足60kg TNT、0.5沖擊因子、峰值壓力11.48MPa水中爆炸作用下的攝像機安全防護使用要求。

2）爆炸流場速度為1.24 m/s時，防護結構在二次氣泡脈動周期內產生的縱向位移不到0.05 m，防護結構在爆炸沖擊波和氣泡脈動作用下穩定性較好，滿足60kg TNT、0.5沖擊因子和1 m/s爆炸流場速度下攝像機拍攝圖像的穩定性使用要求，能為高速攝像機水下爆炸圖像拍攝提供穩定的承載平臺。

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（編輯：徐柳）

Experimental study on dynamic behavior of camera protecting structures in underwater explosion

ZHANG Shuhong，ZHOU Qingfei，JIN Hui
（Unit 91439，Dalian 116041，China）

To prove the stability and strength of high-speed camera protecting structures，the following tests were carried out：place a reduced scale model for protecting structure into an explosion tank，measure the peak value of explosive pressure load of underwater explosion with an electricalmeasurementsystem，shootthemotionimageofthemodelundertheactionof underwater explosion by a high-speed camera on the observation window outside the explosion tank，and process the motion image taken to get the horizontal and vertical displacement values of the model.The experimental results indicate that the protecting structure is steady and no plastic deformation is caused by underwater explosion shock waves and bubble impulses.The protecting structure is strong and stable enough to meet the need for underwater engineering research of 60kg TNT with shock factor of 0.5 and peak pressure 11.48MPa.

underwater explosion shock wave；structural stability and strength；model test；highspeed photography

A

1674-5124（2016）05-0089-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.05.019

2015-11-05；

2015-12-14

張姝紅（1971-），女，遼寧遼中縣人，高級工程師，碩士，主要從事水下爆炸試驗技術。