水下爆炸作用下箱形梁模型响应试验研究

， ，

(海军工程大学 船舶与动力学院，武汉 430033)

水下爆炸气泡对船体结构的破坏作用大致分可为2种情况：第1种是炸药在离舰船较远处爆炸(远场爆炸)，爆炸气泡的脉动压力周期性较强，其基频与船体梁结构的低阶固有频率十分接近，因而容易对船体造成严重的总体结构破损[1-3]；第2种是当炸药在离舰船较近处爆炸(近场爆炸)，气泡受舰船结构边界的影响容易失稳而产生射流作用，并强化主冲击波的破坏或进一步引起舰船结构的局部破裂。

由于水下爆炸气泡问题研究涉及到气体、流体、固体及其相互的耦合作用，难度较大，理论研究往往存在诸多不足。为了研究水面舰船结构在水下爆炸气泡作用下结构响应的过程及规律等，采用箱形梁结构模型模拟水面舰船结构进行水下爆炸试验。

1 试验准备及试验工况

1.1 模型设计

以某型舰为母型，按照1∶50的缩比尺度设计模型，母型舰的主尺度为：船长125.0 m、船宽16 m、型深11.32 m，船外板厚6～12 mm，肋骨间距500 mm，舱壁板厚4～6 mm。鉴于试验条件的限制，不能完全按实船几何缩比建造模型进行水下爆炸气泡作用下的鞭状运动响应试验，采用能表征典型水面结构整体形式的细长体箱形梁模型，其湿模态一阶设计频率为16～24 Hz，材料采用Q235A钢。由于一般船中位置是大多数舰艇主机舱，舱室较大，故在模型中部设有较大舱室用以模拟主机舱。设计模型见图1。

箱形梁模型总长2 500 mm，宽260 mm，高60 mm，吃水30 mm，舱壁数量13，舱壁间距200 mm或 250 mm，船底板厚度2 mm，舷侧板厚度1 mm，舱壁厚度1 mm，模型重量14.0 kg，模型排水量19.5 kg。

采用力锤法测定模型的低阶固有频率，干模态一阶、二阶为40.9、95.2 Hz，湿模态一阶、二阶为20、57 Hz。

a)俯视图

b)横剖面图图1 船体箱形梁模型示意

1.2 试验实施

试验设施、试验模型在爆炸筒内的悬挂方式、炸药在水中的位置见图2。

图2 水下爆炸试验装置示意

1.3 测点及试验工况

水下爆炸气泡作用下模型的鞭状响应试验共设置13个加速度传感器和2个应变片，皆位于模型底板的内表面。布置见图3。

图3 试验模型加速度及应变片测点示意图

试验中变化的参数包括药量、爆距和爆炸位置。爆炸位置有2种，一是位于模型中部正下方，二是位于模型端部正下方，距左端水平距离0.4 m；爆点离模型底部的垂直距离为爆距，离水平面的距离为爆深。试验共进行了5次，工况见表1，采用文献[4]的经验公式估算气泡的第一次脉动频率。

表1 试验工况表

2 箱形梁模型的鞭状响应试验

2.1 气泡脉动的测量及计算比较

采用高速摄像机记录了水下爆炸产生的气泡脉动过程，测定了气泡的最大半径、脉动周期和频率等。

为了与试验结果进行比较，采用文献[4]中的经验公式(估算值)和文献[5]中的数值计算方法(计算值)，对爆炸气泡的脉动频率等特征参数进行了计算，与试验结果比较见表2。

进一步将试验测量结果与数值计算和经验公式估算结果进行比较，见图4。

表2 第一次爆炸气泡的主要参数

a) 气泡第一次脉动的最大半径

b) 气泡第一次脉动的周期图4 气泡脉动参数的比

气泡第一次脉动的最大半径随着药量的增大逐渐增大，增幅很明显。除第三次爆炸外，气泡第一次脉动的最大半径计算值和经验值比试验值略大一些，但误差最大不大于12%。气泡第一次脉动周期的结果，计算值和经验值与试验值也吻合较好。这说明文献[4]和文献[5]提供的方法能够较准确地确定水下爆炸气泡的参数。

2.2 振型分析

当爆点都位于模型中部正下方位置时，如第一次爆炸，根据高速摄影观察，伴随爆炸气泡第一次膨胀过程模型中部向上突起，呈现中拱状态，同时伴有刚体位移。模型的振动类似于自由梁的一阶振型，见图5。模型的第一次振动频率与气泡第一次脉动频率基本一致。在气泡的后续膨胀过程中，模型继续振动，但幅度明显降低。

图5 爆点在模型中部时观测到的模型振

第二次爆炸的爆点位置移至模型左端部，爆炸激起的模型振型发生了变化。从试验观测到的模型振动形式看，左端爆炸激起的模型振型较为复杂，与自由梁三阶振动形式类似。

图6 爆点位于左端部时的模型振型

2.3 结构响应的测量及结果分析

2.3.1 不同爆点位置的比较

1) 第一次爆炸试验结果。选取模型端部的1#、中部的7#加速度测点和1#、2#应变测点进行分析，测点的时程曲线见图7。各测点应变信号呈现不同的正峰值和负峰值，为便于分析取三个特征峰值：一是初始峰值，测点响应曲线中出现的第一个峰值，二是除初始峰值以外的最大正峰值，称为正峰值，三是除初始峰值以外的最大负峰值，称为负峰值。由于水下爆炸首先产生冲击波，然后才产生气泡脉动，因此初始峰值应由冲击波引起，而正峰值和负峰值则由气泡脉动引起。

a) 加速度1#测点

b) 加速度7#测点

c) 应变1#测点

d) 应变2#测点图7 第一次爆炸各测点时程曲

由加速度和应变时程曲线可见，各测点的初始峰值很大，说明冲击波使模型产生了很大的初始加速度和应变，比气泡脉动引起的加速度和应变都要大。

2) 爆炸试验结果的比较。比较第一次和第二次爆炸各主要测点的响应值见表3。

由表3可见，冲击波引起的加速度初始峰值明显大于气泡脉动引起的峰值，应变测点的结果亦如此。模型上最大加速度出现的位置与爆点位置基本对应。

表3 各测点加速度峰值的比较 m/s2

由前两次爆炸试验的结果，可以将水下爆炸作用下模型响应分为3个阶段：第一阶段为冲击波作用阶段，冲击波使模型产生了初始振动响应，此阶段常伴有模型的刚体位移；第二阶段为气泡脉动作用阶段，模型在气泡脉动作用下产生振动响应，振动会产生叠加，使模型振动的振幅增大；第三阶段为爆炸作用结束后结构响应的阻尼衰减阶段，结构振动在水的阻尼作用下逐渐衰减。

2.3.2 不同药量的比较

1) 第三次爆炸试验结果。第三次爆炸观察到很清晰的气泡脉动过程，高速摄影记录的第三次爆炸见图8。

a) 32 ms气泡最大半径

b) 52 ms收缩至最小

d) 104 ms第二次收缩

由图8可见，药量增加以后，气泡脉动过程发生了一定的变化。气泡的正常上浮过程由于受到刚性水底的影响发生变化，气泡不再上浮，而是相反地向下运动，就像被水底吸引过去一样。

2) 药量的影响。药量增大以后，各加速度测点的加速度基本上都已过载，那么比较应变测点的应变值也能反映结构响应的大小。不同药量时，应变测点应变值的变化见表4。

表4 不同药量及爆距应变测点应变值的比较

随着药量的增大，结构响应的增大很明显，而且气泡脉动引起的正峰值随药量增大的增幅明显大于冲击波，这说明，随着药量的增大气泡脉动在激发结构响应中的作用将越来越明显。

2.3.3 破坏模式的分析

在第四次爆炸过程，由于药量较大，发现模型的响应发生新的变化。为进一步研究新出现的破坏模式，设计了第五次爆炸试验。由于药量的增大，加速度传感器已不能满足测量的要求，故在第五次爆炸试验时布置了7个应变片，皆位于模型底板的内表面。应变测点布置见图9。

图9 第五次爆炸应变测点布置

伴随爆炸气泡的第一次膨胀，8 ms时模型受冲击波作用中部向上突起，呈现中拱振型。16 m时模型仍呈现中拱振型，但模型中部与端部高度差变小。32 ms时模型中部达到最大位移，相对于爆炸的起始时刻其中部位移约为120 mm，模型端部位移为92 mm，模型中部相对于端部拱起约28 mm。随后，模型向下回落，但由于受水面起伏以及反射的影响，40 ms后的模型中部位移及模型振动的周期已无法通过高速摄影来判读。爆炸结束后观察到模型已发生永久变形，呈现出中垂变形形式沉没于水中。高速摄影记录的第五次爆炸过程见图10。

a) 8 ms模型变形

b) 32 ms模型中部位移最大

c) 40 ms气泡膨胀至最大

d) 72 ms气泡收缩

爆炸结束后模型呈现出整体中垂形式的永久变形，模型舷侧出现多处褶皱，可以推断模型是在中垂状态下发生大变形，模型中部舷侧顶部进入塑性，进而引起模型的总体失稳，中部发生弯曲折断破坏。这种破坏模式，不同于鞭状响应引起的结构变形破坏模式。从图10d)可以看出，模型中部在气泡强大的吸力作用下，随着水流向气泡中心运动，模型两端在水的阻力作用下运动速度没有中部快，这样中部运动速度快而两端运动速度慢，必然造成模型中部发生向下弯曲大变形，进而出现破损。

整个破坏过程可以这样描述：在爆炸响应的第一阶段，模型受到冲击波初始激励产生了初始振动；在爆炸响应第二阶段，气泡开始收缩并带动周围流场向气泡中心运动时，在模型中部产生了一个负压区，由于模型距气泡较近，在强大的负压作用下模型呈现中垂变形。模型在第二阶段的中垂变形超过了模型在冲击波作用阶段的中拱变形，并且使模型中部舷侧顶部进入塑性，进而导致模型出现总体失稳产生永久变形，模型发生中部折断破坏。

3 结论

1) 水下爆炸气泡脉动的气泡最大半径、气泡脉动周期等参数，能够采用经验公式或数值计算较准确地估算。气泡第一次脉动最大半径随着爆深的减小、药量的增大会逐渐增大。

2) 模型在水下爆炸气泡作用下的响应可以分为三个阶段：第一阶段为冲击波激励响应阶段，冲击波使模型产生了初始的振动响应，此阶段常伴有模型的刚体位移；第二阶段，为气泡脉动作用阶段，模型在气泡脉动形成的压缩波作用下产生振动响应，振动产生叠加使得模型振动的振幅增大；第三阶段为爆炸作用结束后结构响应的衰减阶段，结构振动在水的阻尼作用下逐渐衰减。

3) 不同的爆点位置，气泡脉动能够激起不同振动形式的鞭状运动。当爆点位于结构中部时，结构振形为自由梁的一阶振动形式，结构中部应变最大，端部次之；当爆点位于结构端部时，结构振形为自由梁的高阶振动形式，结构最大变形出现在端部。

4) 当炸药药量较大时，气泡收缩并带动周围流体运动，在模型底部产生一个负压区，使模型呈现中垂变形状态，发生塑性变形并造成破坏。

[1] 张效慈，李玉节，赵本立．深水爆炸水动压力场对潜艇结构的动态影响[J]．中国造船，1997(4)：61-68．

[2] 李玉节，潘建强，李国华，等．水下爆炸气泡诱发舰船鞭状效应的实验研究[J]．船舶力学，2001，5(6)：75-83．

[3] 李玉杰，张效慈，吴有生，等．水下爆炸气泡激起的船体鞭状运动[J]．中国造船，2001，42(3)：1-7．

[4] 恽寿榕，赵衡阳．爆炸力学[M]．北京：国防工业出版社，2005．

[5] 方斌，朱锡，陈细第，等．水平刚性面下方水下爆炸气泡垂向运动的理论研究[J]．爆炸与冲击，2006，26(4)：345-350．