船舶进气装置冲击波试验

王明鹤，刘建军

船舶进气装置冲击波试验

王明鹤1，刘建军2

1海军驻大连船舶重工集团有限公司军事代表室，辽宁大连116005
2中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

为评估船舶进气装置承受爆炸冲击波的能力，进行冲击波试验研究。通过对比各爆室的不同装药量，发现冲击波超压峰值与爆室1的装药量成正比关系；冲击波波形与爆室2～爆室7的装药量有关，爆室2的装药量决定了冲击波的完整性。通过分析试验数据，结果表明：爆炸冲击波的冲击波冲量最大值滞后于冲击波超压峰值的最大值；进气装置可以承受超压峰值84.45 kPa爆炸冲击波产生的15 260.84 kPa·ms冲击波冲量的作用力。

进气装置；冲击波峰值；冲击波冲量

期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：王明鹤，刘建军.船舶进气装置冲击波试验［J］.中国舰船研究，2015，10（5）：110-116.

WANGMinghe，LIU Jianjun.Experimental study of shock waves on the ship air inletdevice［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（5）：110-116.

0　引言

冲击波伤害是主要的爆炸伤害之一，唐献述和范俊奇等［1-2］针对爆炸空气冲击波对动物的伤害效应进行了相关试验研究，Biam ino等［3］对支管结构的冲击波衰减特性进行了相关试验研究。随着科学技术的不断进步，各类兵器爆炸当量、冲击波持续作用时间不断加大，使得作战船舶的生存环境大为恶化，因此，近几年来船舶领域也开始越来越重视船舶在抵抗冲击波方面的研究。Zong和Zhang等［4-5］针对水下爆炸空泡对水面船舶结构的影响进行了模拟分析；张臣等［6］针对实船爆炸试验中近水面压力测量方面的问题进行了研究；蒋国岩等［7］开展了舰船模型海上抗爆试验研究。但是，有关船舶半暴露设备抗冲击波方面的试验研究还少见相关报道。

船舶进气装置位于船舶内部的通风通道内，冲击波首先是通过船舷的百叶窗式格栅进入通风室，然后再通过通风通道传递到进气装置门板上。本文拟通过试验方法对进气装置的抗冲击波能力进行试验研究，并对试验结果进行分析，以期对进气装置的结构设计和防护设计提供参考。

1　测试对象

船舶进气装置试验样机高820 mm，宽730 mm，长1 600mm，主体为钢质结构，通过螺栓连接组成。装置主要由箱体组件、门板驱动机构、限位机构、锁紧机构及手动控制箱等部件组成，如图1所示。

图1　船舶进气装置Fig.1　Ship air inlet device

2　冲击波试验设备与检测

2.1试验装置及试验对象布置

试验在爆炸波模拟装置中进行，该设备主要由子爆室段、主爆室段、过渡段、密封段、变截面段、冲击波整形段、试验段和稀疏波消除装置等部分组成，如图2所示。

图2　爆炸波模拟装置结构示意图Fig.2　Structure sketch ofblastwave simulation device

根据以往的载荷试验情况，空气冲击波经过渡段整形后，在离变截面约7.0 m处形成平面波，因此，船舶进气装置的放置部位只需满足上述要求即可，如图3所示。

图3　进气装置布置示意图Fig.3　Arrangementsketch ofair inletdevice

2.2测量原理及测点布置

根据本项试验的目的，在调试试验和正式试验阶段，需测量的试验指标是冲击波超压峰值。试验测试采用DH5960超静态信号测试分析系统及配套的同步时钟盒、应变适调器等设备［8］，测量系统原理图如图4所示。在爆炸波模拟装置试验段壁面上，布设6个空气冲击波压力传感器，如图5所示，以便取其平均值作为冲击波的超压峰值，6个压力测点径向放置。为保证测量结果准确可信，试验前对所有使用的传感器和测量仪器进行了标定，用以提高传感器和测量仪器的精度。

采用的空气压力传感器为CYG4100高频传感器［9］，传感器安装时采用了王幸等［10］研制的隔振装置，用以提高压力传感器的测量精度。所有的传感器都经过了标定，标定参数如表1所示。表中：yLS为传感器输出，mV；ΔPm为压力，MPa。

图4　测量系统原理示意图Fig.4　Schematic diagram formeasure system

图5　空气压力测点布置图Fig.5　Arrangementof air pressuremeasuring points

表1　传感器的标定系数Tab.1　Calibration coefficient of sensors

2.3试验技术方案

表2列出了已有的4种试验工况，这4种试验均是在爆炸波模拟装置中进行的，由每种工况测得的冲击波波形如图6所示。图中，t1表示压力计时开始，t2表示压力计时结束。

分析图6所示的波形可以看出：

1）爆室1的装药量越大，冲击波超压峰值便越大，由于本文试验中需达到70 kPa，故爆室1中的装药量采用0.6 kg。

表2　各试验装药量及延时间隔Tab.2　Loading dose and delay time of b lasting room s

图6　各试验工况的冲击波波形Fig.6　The shock wave curvesofdifferentcases

2）为保持冲击波波形的完整性，爆室1和爆室2中应采用大药量，爆室2中的药量可采用0.4或0.6 kg。爆室3～爆室7宜采用小药量（0.2 kg）。

根据上述分析，通过调试试验，最终确定了各相应爆室的装药量和时间间隔（表 3），得到了相应的冲击波超压时程曲线，如图7所示。依照此种状态，对船舶进气装置进行了抗冲击波试验。

表3　最终正式试验子爆室的装药状态Tab.3　Loading dose of differentb lasting room s

图7　调试出的理想超压时程曲线Fig.7　The ideal overpressure time history curve

3　试验结果及分析

冲击波的载荷往往表现为冲量型载荷，工程上采用工程经验模型［11］来计算冲击波的正相冲量，其一般形式如下：

式中：I为冲击波的正相冲量，MPa·ms；C为TNT等效装药量，kg；S为坑道截面积，m2；pi为坑道入口处压力，kPa；p0为大气压力，kPa；A和B为系数，由试验的实测数据确定。

对船舶进气装置的正面进行冲击波试验，其冲击波超压波形如图8所示（图中，t为最大压力时刻），冲量波形如图9所示，超压峰值和冲量的汇总如表4所示，则冲击波超压峰值平均值为84.45 kPa，冲量平均值为15 260.84 kPa·ms。试验表明，在此载荷条件下，船舶进气装置各部件的连接无明显松动，产品无损坏，变形在弹性范围内，并且手动启闭门板正常，无卡阻现象。

图8　正面冲击试验超压时程曲线Fig.8　The overpressure time history curveswith front face shock test

图9　正面冲击试验冲量时程曲线Fig.9　The impulse time history curveswith front face shock test

表4　正面冲击试验超压参数表Tab.4　Peak overp ressure parametersw ith fron t face shock test

图10　侧面冲击试验超压时程曲线Fig.10　The overpressure time history curveswith side face shock test

图11　侧面冲击试验冲量时程曲线Fig.11　The impulse time history curveswith side face shock test

将船舶进气装置样机旋转90°，对船舶进气装置的侧面进行冲击波试验，其冲击波超压波形如图10，冲量波形如图11所示，超压峰值和冲量的汇总如表5所示，则冲击波超压峰值平均值为87.8 kPa，冲量平均值为14 791.998 kPa·ms。试验表明，在此载荷条件下，船舶进气装置各部件的连接无明显松动，样机无损坏，变形在弹性范围内，并且手动启闭门板正常，无卡阻现象。

表5　侧面冲击试验超压参数表Tab.5　Peak overp ressure parametersw ith side face shock test

4　结论

通过上述试验研究，可以得出以下结论：

1）试验中，冲击波波形主要受各爆室装药量和延时时间的控制。为了得到理想的超压时程曲线，发现爆室1装药0.6 kg，延时0 ms；爆室2装药0.4 kg，延时30ms；爆室3～爆室7装药0.2 kg，延时15ms时效果最好。

2）船舶进气装置样机能够承受标准规定超压峰值70 kPa的冲击波载荷，并且各部件连接无明显松动，产品无损坏，变形在弹性范围内，手动启闭门板正常，无卡阻现象。船舶进气装置进行冲击波试验后，能满足使用要求。

3）试验证明船舶进气装置的结构设计和防护设计满足要求，可为后续研究该设备的极限抗冲击波能力提供参考。

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［责任编辑：卢圣芳］

Experim entalstudy of shock waveson the ship air in let device

WANGMinghe1，LIU Jianjun2
1 NavalMilitary Rep resentative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.Ltd.，Dalian 116005，China 2 China Ship Developmentand Design Center，Wuhan 430064，China

To evaluate the resistance of ship air inletdevice under explosion shock waves，an experimental research on the shock wave is conducted.The comparison among different loads reveals that the shock wave overpressure peak is proportional to the load dose of chamber b lasting room 1，the waveform of shock waves is controlled by the load dose of exp losion room 2 to room 7，and the load dose of exp losion room 2 determines the integrity of the shock wave.By analyzing the test data，it is concluded that the maximum shockwave impulse lags behind the shock wave overpressure peak value.Overall，the air inlet device can withstand a maximum of 15 260.84 kPa·ms shock impu lse force generated by the 84.45 kPa exp losion shock wave.

air inletdevice；shock wave peak overpressure；shock wave impulse

U664.1

ADOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2015.05.018

2015-03-23网络出版时间：2015-10-8 10∶43

国家部委基金资助项目

王明鹤，男，1987年生，硕士，工程师。研究方向：舰船动力装置

刘建军（通信作者），男，1985年生，硕士，工程师。研究方向：舰船动力装置。E-mail：liujianjun_1@163.com

网络出版地址：http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151008.1043.006.htm l