水下近場爆炸沖擊波作用下光測設備防護平臺動態響應特性研究

焦安龍，高浩鵬，張姝紅

(中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連　116041)

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【基礎理論與應用研究】

水下近場爆炸沖擊波作用下光測設備防護平臺動態響應特性研究

焦安龍，高浩鵬，張姝紅

(中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連116041)

以水下爆炸試驗光學測量為研究背景，在水下近場爆炸沖擊波作用下光學設備防護平臺結構設計的基礎上，通過傳統的理論經驗計算與計算機數值仿真計算方法，對防護平臺結構的運動特性進行分析并校核。結果表明平臺結構的運動響應滿足光測設備和試驗需求，驗證了防護平臺結構設計的合理性；防護平臺結構背爆面的密封位置可向中部偏移以提高平臺結構遭遇沖擊波作用時的穩定性。

沖擊波；光測；防護平臺；水下爆炸

電測和光測作為主要測量手段已廣泛應用于水下爆炸試驗中。對于電測方法來講，在傳感器及記錄設備方面都有較深入的研究與應用[1-2]。對于光測方法來講，目前國內外開展的研究及應用集中在高速攝像技術方面，主要在爆炸筒[3-4]中實現，用于測量目標總體毀傷、結構運動響應、結構變形、結構開裂尺寸、氣泡脈動載荷等[5-6]。高速攝像光測技術應用于小當量炸藥在爆炸筒中爆炸測量時，其主要實現方法是[7]：爆炸筒在筒壁處有個特種透明玻璃監視窗，高速攝像機布設于爆炸筒監視窗外側，對爆炸時爆炸筒內的相關現象進行對焦拍攝，在這種工作方式下高速攝像機不會遭遇水下爆炸載荷作用。在海水中實現光學測量的主要問題就是光測設備將遭遇水下爆炸載荷的作用，即涉及光測設備的防護問題。在海水中試驗時，受海水光學特性影響導致光學測量的距離僅有數米，這就要求光測設備與爆源的距離較近，所以光測設備在海水中測量時需要有較好的防護平臺[8]。該防護平臺具有抗強沖擊性能且端部具有較好的透光性能。測量時，由于光測設備布設于爆炸筒外，其對焦后光測設備不會受到水下爆炸的影響；而在海水中試驗時，由于水下爆炸載荷直接作用于防護平臺，導致防護平臺產生剛性位移，直接影響光測設備的對焦。

本文研究海水中近場爆炸時沖擊波作用下光學設備防護平臺的動態響應特性，校核試驗的工況設置，使光測設備能準確測量試驗數據。

1　理論計算

初步設計的防護平臺的簡圖如圖1所示(單位：mm)；圖1中右側前端為特種防彈玻璃以保證光測設備透光性，左側尾部為錐形，平臺主體為圓柱形，主體直徑為300mm。

圖1　防護平臺簡圖

水下爆炸試驗時，當爆源與防護平臺處于同一水平面布放，防護平臺頂部采用絞鏈進行吊裝，防護平臺為負浮力設計，故防護平臺不產生垂直方向運動，因此重點分析水平方向運動特性。設試驗時爆源在防護平臺軸線上，爆源與防護平臺前端距離R=6m，爆源TNT當量W=9kg，根據式(1)[9]可得到沖擊波在防護平臺前端的自由場峰值壓力Pm=1.6×107Pa；設防護平臺為剛體時，沖擊波垂直入射到防護裝置的前端圓形截面的壓力近似為2倍的沖擊波峰值壓力，即p=2Pm=3.2×107Pa。由于沖擊波壓力按照指數方式進行衰減，得到沖擊波正壓作用時間如式(2)所示[10]，計算得到正壓作用時間 t=5.4×10-4s。根據動量定理pSt=mV，可得到沖擊波加載時間內防護裝置的最大位移如式(3)所示，計算得到最大位移L=3.17mm(其中S為防護裝置前端面面積，取直徑為300mm；m為防護裝置質量，取值為105kg。)

(1)

t=2×10-4(W·R)0.25

(2)

(3)

上述計算沒有考慮防護平臺周圍液體水對結構的黏性作用，如果考慮水對結構的黏性及阻力，防護平臺的水平位移將更小。因此防護平臺在水下爆炸沖擊波作用下位移很小，不會影響光學測量設備的正常使用。

2　仿真建模

在理論計算的基礎上，基于流固耦合理論，使用ABAQUS軟件通過仿真計算的方法對水下爆炸試驗時沖擊波對防護平臺的水平位移進行校核，并對其運動響應特性進行分析。

2.1工況分析

為了研究防護結構和試驗組織實施中爆源的相對位置對防護平臺運動特性的影響，根據結構中尾部密封部位的不同(如圖1中A和B所示)、爆源位于防護平臺中心軸線或者偏離1 000mm，仿真分析計算中共設置4種工況，如表1所示。其他工況設置如爆源TNT當量、爆距等參數與理論計算的設置一致。

表1　工況設置

2.2有限元建模參數

在三維幾何模型建立的基礎上，對模型進行有限元網格劃分，模型中網格均為六面體單元；考慮到防護平臺在海水中浸泡會受到海水的腐蝕，平臺材料選取316L不銹鋼。材料及網格有限元模型的基本參數如表2所示(其中涉及到網格的參數數值相同于工況1)。為了保證費效比，一般流場尺寸是結構尺寸的6倍，流固耦合面處流場單元尺寸應小于結構單元尺寸；圖2為防護平臺結構及周圍流場耦合的整體有限元模擬圖。圖3是防護平臺與周圍流場的有限元模擬圖，圖3(a)中的表示防護平臺尾部A處密封、圖3(b)圖表示防護平臺B處密封。

表2　有限元模型基本參數

圖2　防護平臺結構及周圍流場耦合的整體有限元模擬圖

圖3　防護平臺及流場網格模擬圖

2.3邊界條件添加

邊界條件主要包括重力與浮力添加、沖擊波載荷添加、流固耦合面的處理、計算流體邊界條件的添加等。重力與浮力附加到整個防護平臺有限元節點上；沖擊波載荷根據水下爆炸載荷半經驗公式計算得到[11]。流固耦合面的處理是在分別建立防護平臺結構和水域的接觸面基礎上，通過Tie進行耦合約束，一般的結構接觸面定義為主面、水域接觸面定義為從面。計算流體邊界條件主要是在水域外邊界上定義無反射條件，表示沖擊波可以穿過該表面而不發生反射，以模擬無限水域，另外在水域外邊界上要施加靜水壓力。

3　結果分析

在仿真模型建立的基礎上，主要對4種工況下防護平臺結構的位移響應進行分析。圖4為工況4中水平方向的位移響應云圖。圖5(a)中為工況1和工況3中防護平臺結構端部中心節點的位移響應曲線(虛線為工況1，實線為工況3)；圖5(b)為工況2和工況4中防護平臺結構端部中心節點的位移響應曲線(虛線為工況2，實線為工況4)；圖5(c)為工況4中防護平臺結構軸向上端部及尾部節點的位移響應曲線(虛線為端部，實線為尾部)；圖5(d)圖為工況4中防護平臺結構水平方向上端部及尾部節點的位移響應模擬(虛線為端部，實線為尾部)。仿真結果與理論計算結果對比可以發現，仿真計算得到的最大位移量小于理論計算值約12%，主要是仿真計算中添加流固耦合約束，附加了一定水的質量。由圖4云圖及圖5中位移響應曲線分析可以發現：當防護平臺結構背爆面密封位置在B處時，其軸向位移量比密封位置在A處時小約9%，其主要原因是密封位置在A處時尾部部分水域被防護結構所包含，使得結構和水之間的阻力和附加質量增大；當爆源離開軸線1 000mm爆炸且防護平臺結構背爆面密封位置在B處時，防護平臺遭受沖擊波作用開始時產生扭轉，即尾部的位移和端部位移數值符號相反，沖擊波進一步作用使平臺產生剛性位移，分析發現防護平臺最大扭轉角度約為0.15°，拍攝距離為6m對焦時會產生約15.8mm的偏移，一般能夠滿足試驗需求。

圖4　工況4防護平臺水平方向位移響應云圖

圖5　防護平臺結構位移響應對比

4　結論

以水下爆炸試驗光學測量為研究背景，在水下近場爆炸沖擊波作用下光學設備防護平臺結構設計的基礎上，通過傳統的理論經驗計算與計算機數值仿真計算，對防護平臺結構的運動特性進行分析校核。結果表明：仿真計算結果與理論經驗計算較為吻合；防護平臺結構背爆面的密封處可向中部偏移，這樣在沖擊波作用下平臺更加穩定。在文中分析的近場爆炸工況下，平臺結構的運動響應滿足光測設備和試驗需求。在試驗時防護平臺的軸線應盡量與爆源保持垂直，即沖擊波入射應盡量垂直于端面。文中對于位移響應的研究僅考慮了水下爆炸沖擊波的作用，氣泡載荷頻率較低，當氣泡作用防護平臺時會產生較大位移，但是氣泡作用于防護平臺的時刻要晚于沖擊波，當氣泡作用到防護平臺時光測設備已工作完畢，故對于氣泡沒有進行分析。

[1]黃正平.爆炸與沖擊電測技術[M].北京：國防工業出版社，2006.

[2]陳輝，潘建強，唐佳煒，等.水下非接觸爆炸條件下艦船沖擊環境測試相關技術研究[J].計算機測量與控制，2011，19(11)：2635-2638．

[3]朱錫,牟金磊,洪江波,等．水下爆炸氣泡脈動特性的試驗研究[J].哈爾濱工程大學學報，2007，28(4)：365-368．

[4]倪寶玉，張阿漫.氣泡高速攝影和載荷測試技術綜述[J].力學與實踐，2013，35(6):11-18.

[5]唐孝容，高寧，郝建中，等.高速攝影技術在常規戰斗部實驗中的應用[J].彈道與制導學報,2010,30(3)：105-106.

[6]張海鵬，岳永威，蘇羅青，等.水下爆炸作用下艦船總縱強度模型實驗方案研究[J]．振動與沖擊，2012,31(6):175-180.

[7]黃曉明,朱錫,牟金磊,等．近距水下爆炸作用下箱形梁模型中垂破壞試驗研究[J].振動與沖擊，2011，30(2)：19-23．

[8]JOHNMBRETT,MICHAELBUCKLAND,TERRYTURNER，etal.AnexperimentalFacilityforImagingofMediumScaleUnderwaterExplosions[R].DSTO-TR-1432．

[9]崔秉貴.目標毀傷工程計算[M].北京：北京理工大學出版社，1995.

[10]張挺．爆炸沖擊波測量技術(電測法)[M]．北京：國防工業出版社，1984．

[11]宗智，趙延杰，鄒麗.水下爆炸結構毀傷的數值計算[M].北京：科學出版社，2014.

(責任編輯楊繼森)

DynamicResponseCharacteristicsAnalysisforDefensePlatformofOpticalMeasurementSubjectedtoUnderwaterExplosionBlastWave

JIAOAn-long,GAOHao-peng,ZHANGShu-hong

(TheNo. 91439thTroopofPLA,Dalian116041,China)

Underthebackgroundofopticalmeasuringinunderwaterexplosiontest,andonthebasisofthestructuredesignofopticalmeasurementdefenseplatformsubjectedtounderwaterexplosionblastwave,thekinematicscharacteristicsofdefenseplatformwereanalyzedandcheckedbytheoreticalcalculationandnumericalcalculationmethods.Theresultsshowedthatthekinematicresponseofplatformstructuresatisfiestheneedsofopticalmeasurementandtest;andtheresultsverifiestherationalofplatformstructuredesign.Itcanimprovethestabilityofdefenseplatformsubjectedtounderwaterexplosionblastwavethatthesealerlocationproperlymovedtocentralsection.

blastwave；opticalmeasuring；defenseplatform；underwaterexplosion

2016-04-29；

2016-05-20

焦安龍(1974—)，男，工程師，主要從事水中兵器及艦船抗沖擊試驗總體技術研究;高浩鵬(1986—)，男，博士，工程師，主要從事水下爆炸試驗測量與數值仿真研究。

10.11809/scbgxb2016.09.034

format:JIAOAn-long,GAOHao-peng,ZHANGShu-hong.DynamicResponseCharacteristicsAnalysisforDefensePlatformofOpticalMeasurementSubjectedtoUnderwaterExplosionBlastWave[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):148-151.

TB532

A

2096-2304(2016)09-0148-04

本文引用格式：焦安龍，高浩鵬，張姝紅.水下近場爆炸沖擊波作用下光測設備防護平臺動態響應特性研究[J].兵器裝備工程學報，2016(9):148-151.