水下非接触爆炸作用下浮动冲击平台运动响应试验研究

张永坤 周学滨 李 琛

（海军91439部队 大连 116041）

0 引 言

水下爆炸对结构的冲击响应是人们一直关心的问题，水下爆炸会形成冲击波和气泡脉动，爆炸冲击波作为高频形式载荷，对结构目标的局部毁伤作用明显.气泡脉动作为低频形式载荷，对舰船整体响应作用比较明显.由于水下爆炸和舰船动态响应的复杂性，对舰船水下爆炸动响应的认识深刻程度主要来自对试验现象和试验数据的分析.而试验数据的精度取决于测量技术、品质优良的传感器和高精度记录器的进步.伴随着最新的高精度测试设备及传感器的使用，对试验现象有了更深刻的认识.

John等［1］对水下钢支撑圆柱结构在近距爆炸冲击作用下的动态响应特性进行了试验研究，利用加速度传感器记录了爆炸冲击波及气泡脉动对圆柱结构的冲击变形情况，分析试验数据发现：在近场爆炸情况下，气泡脉动造成的结构变形是初始冲击波产生变形的1.5～16倍，此时气泡的损伤作用占主导部分.

李国华等［2］在浮动冲击平台水下爆炸试验中，对冲击谱进行了试验测量，发现水下爆炸气泡膨胀产生的滞后流对安装频率为数十Hz的舰船设备的冲击振动起着重要作用，冲击波具有的能量对舰船设备冲击振动的贡献是微不足道的，而气泡二次脉动则可能引起船体的整体共振.

李玉节等［3］对船体缩比模型在水下爆炸气泡下的动响应特性进行了试验研究，发现气泡脉动能够诱发严重的船体鞭状响应，证实了李国华等人的结论.在远距离爆炸时，气泡脉动压力可能会激起船体一阶振动.当爆距和船长相当时则会诱导船体的高阶共振，因而会产生严重的鞭状运动效应，使船体发生破坏.当装药在船舯底部爆炸时最为危险，此时船舯应变最大，船首和船尾变形最为严重.

李海涛［4－6］分析了近距离爆炸气泡对船体梁动态响应的影响特性，研究发现近距爆炸条件下，气泡脉动压力对结构的冲击作用明显；在大气压力和气泡内压力联合作用下，船体梁在向下的分布载荷作用下，被叠加成一种中垂弯矩，爆距越小，此中垂弯矩越大.

许维军［7］以某潜艇的基本结构图为基础，建立三维有限元模型，对潜艇结构的冲击环境进行数值实验研究.潜艇的冲击环境是考核潜艇生命力问题的关键.文中利用大型结构分析软件ANSYS／LS－DYNA计算了艇体在不同的炸药当量、不同的起爆位置时的冲击环境，分析了潜艇艇体结构在不同的工况下的冲击响应.通过对潜艇在遭受典型武器攻击后的冲击环境和冲击因子的研究，给出了加速度峰值在潜艇不同部位的分布规律.数据分析表明：潜艇结构的冲击响应峰值在潜艇的不同部位有着不同的趋势，非耐压壳体和耐压壳体之间的各类液舱起到了相当于防爆水舱的作用，使潜艇的冲击环境得到了改善.这对潜艇的抗爆抗冲击性能研究具有一定的参考价值.

为了研究不同工况下，各种冲击因子（爆距、舰船结构）对浮动冲击平台在非接触爆炸作用下的冲击响应，本文采用美国NI公司最新采集设备以及PCB传感器对水下爆炸作用下的冲击加速度、自由场压力、结构应变、速度及位移等5项参数进行了测量，其中前3项测试数据作为冲击响应分析的重点数据，速度和加速度数据只是进行设备功能性考核，不作为数据分析对象.结合水下爆炸的相关理论以及经验公式对试验数据进行分析，给出一定结论.

1 试验情况

1.1 试验目的

研究不同冲击因子（爆距、舰船结构）对浮动冲击平台在非接触爆炸作用下的冲击响应，对水下爆炸作用下的冲击加速度、自由场压力、结构应变、速度及位移等5项参数进行测量.

1.2 试验海况

本次试验在大连旅顺海域进行，试验过程中海况小于等于2级、海区水深大于等于9m，海底为较平坦的泥沙底，海区流速小于等于2kn.

1.3 试验设备

1.3.1 测量设备

水下爆炸测量设备均为美国NI公司产品，所采用的传感器为PCB传感器.本套测试设备功能强大，可以同时对96路冲击加速度、20路速度、12路位移、96路应变、16路自由场压力及16路壁压进行测量.加速度测量范围为1～10 000 g，自由场压力为0～200MPa，壁压为0～400MPa，冲击速度为0～6m／s，应变为（0～10 000）×10－6，位移为0～100mm.

1.3.2 小型浮动冲击平台

小型浮动冲击平台满足美国海军规范相关冲击要求，其设计承载面积为5.4m×4m，吃水深度0.7m，高6m，承载最大重量为8t；两侧及首尾是高出底部的抗冲击围壁，可以满足3m高的舰载设备安装.

1.4 试验测点布设

本次试验对位移、速度、加速度、应变、自由场压力等参数进行测量.测点分别布放于浮动冲击平台迎爆面及背爆面上，具体的测点布放图见图1～6.图中：D为位移；V为速度；A为加速度；S为应变；p为自由场压力.

图1 自由场压力传感器布设图

图2 自由场压力传感器布设示意图

图3 迎爆面速度测点布设图

图4 背爆面速度测点布设图

图5 迎爆面应变测点布设图

图6 背爆面应变测点布设图

1.5 试验测试方法

试验过程中，远程控制设备布置于码头上，测量系统及传感器布设于浮动冲击平台之上.

爆源采用1kg RDX药球，试验共进行3次，第一炮次设定水平爆距为5.0m，深度为4.7m；第二炮次设定水平爆距为4m，深度为4.5m；第三炮次设定水平爆距为2.5m，深度为4.2m.试验过程中使用视频监控系统对试验场景进行监控.具体测试工况见表1.

表1 试验测试工况

2 试验结果及分析

通过试验测试结果对试验现象进行分析，结合文献［8－12］的方法，总结水下爆炸作用下浮动冲击平台结构响应的变化规律，主要对冲击波压力、结构应变及冲击加速度进行了分析.

2.1 冲击波压力分析

1）冲击波压力时程曲线说明 利用自由场压力传感器获得爆炸冲击压力时程曲线，典型测点冲击波时程曲线见图7，由压力时程曲线何以获得冲击波及气泡的运动参数，不同工况下冲击波压力曲线都存在3个脉动压力峰值，峰值的大小和衰减常数不一致，但都有相似的冲击波衰减特性.

图7 自由场压力－时程曲线图

图7为工况1中近场点P2压力传感器获得的压力时程曲线，可以看出曲线存在3个明显的压力峰值，其中第2，3个峰值为气泡2次脉动的辐射压力，3个压力峰值分别为13.09，2.35和0.71MPa，间隔时间为137和109ms，可见气泡多次脉动的辐射压力逐渐减小，脉动频率加快.

2）冲击因素对冲击波压力的影响 炸药爆炸后，压力时程曲线存在3个峰值，第一峰值是冲击波作用差生，第2，3峰值是气泡脉动造成的.测点P2自由场压力数据见表2.

表2 自由场压力测试数据

由表2可见，随着爆距的减小，冲击波压力峰值逐渐增加，呈非线性规律变化；同时随着爆距变小，气泡的脉动周期变大.冲击波压力峰值和气泡脉动周期的变化规律说明：随着爆距减小，炸药的爆炸威力增强，峰值变大，作用时间延长.

2.2 应变数据分析

1）应变－时程曲线说明 试验测得的应变曲线见图8，由图8可见，结构应变响应分为4个阶段：（1）初始冲击波作用，造成结构瞬态响应峰值；（2）冲击波作用完成后，结构响应很快衰减，结构开始进入自由振动；（3）气泡崩溃形成的脉动压力造成明显的结构应变峰值点，其大小与冲击波形成的应变相当，由此可见，气泡脉动压力造成的整体损伤作用明显；（4）气泡溃灭后，船体梁又进入低阶自由振动状态，并以一阶运动为主.

2）不同参数对应变数据的影响 水下爆炸测量过程中，部分应变片受损，经过对试验测试数据的分析，得到3种工况测点应变数值，见表3.其中，第1个峰值为初始冲击波引起，第2个峰值为第1次气泡脉动造成.

表3 应变测试数据 ×10－6

在表3中，测点1为迎爆面应变数值，测点2为背爆面应变数据，测点3为迎爆面下一层甲板应变数据.由过表中的数据可知：工况3峰值高于工况2，工况2应变峰值高于工况1.数据说明：随着水下爆炸距离变小，应变峰值增加，呈现非线性增加特点；迎爆面应变峰值高于背爆面峰值；同一结构上（迎爆面）不同甲板上应变峰值比较接近.

图8 应变－时程曲线

2.3 加速度数据分析

1）加速度－时程曲线（说明船模运动状体）采用PCB加速度传感器对浮动平台迎爆面、背爆面、平台艏部、平台尾部、不同甲板结构的冲击加速度值进行了测量.典型冲击加速度－时程曲线见图9，由图可见，冲击加速度存在一个峰值，然后迅速衰减.

图9 加速度时程曲线

2）不同参数对加速度影响（爆距、舰船结构）为了分析试验过程中，不同的爆距、舰船结构等影响因子对冲击加速度的影响，分别选取冲击平台迎爆面首部、迎爆面尾部、背爆面首部、背爆面尾部上层甲板、背爆面尾部中层甲板、背爆面尾部下层甲板的加速度数值进行分析，具体的冲击加速度值见表4.

表4 冲击加速度测试数据 g

由表4可知，同一工况条件下，上层甲板加速峰度值低于中甲板加速度峰值，中层甲板加速度峰值低于底层甲板加速度峰值；迎爆面加速度峰值高于背爆面加速度峰值；船首、船尾加速度峰值变化不明显.（不同板架结构对加速度影响）产生不同甲板、爆炸面、首尾位置加速度变化规律的原因有2点.（1）由于爆距的影响，爆距越大，加速度峰值越小，爆距相近加速度峰值相近；（2）是浮动冲击平台结构对加速度峰值的影响，甲板层数越多，板架结构的支撑越强，响应的加速度值越小.

从表4还可以得知：对于同一测点而言，工况1加速度峰值低于工况2，工况2加速度峰值低于工况3，反映出爆距对加速度峰值的影响，加速度数据表明：加速度峰值随爆距减小而增大，其变化呈非线性变化.

2.4 速度及位移数据说明

本次试验过程中，对于冲击速度以及位移只是进行了功能性考核，有数据记录，也反映出浮动冲击平台结构的一些变化规律，但测点数据比较少，故对此两项数据没有进行分析.

3 结 论

1）随着爆距的减小，炸药威力逐渐增强，冲击波压力峰、应变峰值以及加速度峰值呈非线性增加趋势，反映出了测试参数随爆距的变化规律.

2）同一测量工况下，迎爆面上冲击波压力峰、应变峰值以及加速度峰值高于背爆面测试参数峰值，一方面是爆距的因素，另一方面是浮动冲击平台结构的影响因素.

3）随着爆距减小，冲击波压力峰值变大，气泡脉动周期变化大.说明随着爆距减小，炸药的爆炸威力增强，峰值变大，作用时间延长.

4）随着水下爆炸距离变小，应变峰值呈现非线性增加；迎爆面应变峰值高于背爆面峰值；同一结构上（迎爆面）不同甲板上应变峰值比较接近.

5）同一工况条件下，甲板越高，加速度峰值越小；迎爆面加速度峰值高于背爆面加速度峰值；船首、船尾加速度峰值变化不明显.

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