高速摄像防护结构抗水中爆炸冲击仿真研究

张姝红，陈高杰，高浩鹏，金　辉

(中国人民解放军91439部队，辽宁 大连　116041)



高速摄像防护结构抗水中爆炸冲击仿真研究

张姝红，陈高杰，高浩鹏，金辉

(中国人民解放军91439部队，辽宁 大连116041)

摘要：高速摄像机拍摄水中爆炸图像时，用于安装摄像机的防护结构在水中爆炸冲击波作用下可能产生塑性变形和较大位移，影响到高速摄像系统使用安全和图像拍摄效果；作者设计了高速摄像机水中抗冲击防护结构，为验证防护结构强度设计的合理性和水下爆炸作用下的稳定性，利用ABAQUS软件对防护结构抗水下爆炸冲击性能进行数值仿真计算，用冲击因子设置4个仿真计算工况；计算结果显示：防护结构在60 kgTNT当量装药、0.5的爆炸冲击因子作用下未产生塑性变形，产生的位移小于5 cm，防护结构强度和稳定性满足该条件下摄像机安全防护和水中爆炸图像拍摄使用要求。

关键词：水下爆炸；防护结构；ABAQUS；冲击因子

高速摄像是水下爆炸研究中重要的试验测量手段，可用于装药水下爆炸特性、毁伤能力和目标结构毁伤效果等研究[1-7]。将高速摄像机安装在抗冲击防护结构内布放到开阔水域中，可以拍摄中小当量装药的水下爆炸现象，但由于水下爆炸产生的冲击波具有很强的破坏性，防护结构在水下爆炸冲击波作用下可能产生塑性变形并产生较大的位移，影响内部高速摄像机系统的安全和爆炸图像拍摄效果。为实现摄像机的安全防护，需要对防护结构强度进行设计，确保结构在水中爆炸冲击波作用下不产生塑性变形。大型非线性动力学分析软件ABACUS可以完整地再现水下爆炸冲击波传播过程，可以计算结构在水中非接触爆炸作用下的动态响应[8-9]。考虑水中爆炸图像拍摄时的爆源当量、边界条件、抗爆炸冲击稳定性、水中可实现的拍摄距离、结构材料选取和内部设备、减振装置、功能线缆安装空间要求等因素，设计摄像机防护结构的线型尺寸和抗冲击防护能力，采用ABAQUS分析软件对不同水下爆炸工况条件下的防护结构抗冲击性能进行仿真计算对比，验证防护结构设计方案的正确性，为水下爆炸试验时的工况设计和图像拍摄提供参考。

1防护结构设计

拍摄水中爆炸图像时，高速摄像机通过缓冲减振装置安装在防护结构内，被拍摄的爆源等目标布设在摄像机视角范围内，为保证较好的拍摄效果，目标与摄像机布放在同一水平轴线，根据防护结构的抗冲击能力、海水能见度和爆炸图像拍摄边界条件要求设置水中拍摄距离，即设置合适的爆距，确保拍摄到理想的爆炸图像，并保证高速摄像机的安全。防护结构和爆源在水中布设示意图如图1。

图1　防护结构和爆源在水中布设示意图

防护结构主体设计为圆柱形壳体，长度为650 mm，外径300 mm，厚度15 mm，内部安装减振器、高速摄像机、辅助配套设备和功能线缆；前端为防护玻璃，厚度为25 mm；后端为锥形结构，长度为240 mm，锥形结构尾部外径100 mm，锥形结构用于导流，使防护结构在水下爆炸冲击波和气泡脉动作用下保持稳定，为摄像机提供稳定的承载平台，提高水下爆炸图像拍摄效果[10]；锥形结构与圆柱形壳体之间为24 mm厚的后端盖，中间留有电缆穿舱孔，内部安装减振器和摄像机固定支架；防护玻璃和锥形结构通过螺栓与防护结构主体实现连接安装，连接处采用橡胶圈实现水密；防护结构主体的圆柱壳体、后端盖和尾锥结构采用耐腐蚀不锈钢。图2为防护结构的主要尺寸参数。

图2　防护结构主要尺寸参数

2仿真计算

2.1有限元模型建立

借助数值仿真手段，根据高速摄像机防护结构设计图对其采用有限元方法建立几何模型，采用数值分析软件ABAQUS中的声固耦合法模拟水下非接触爆炸过程，对不同水下非接触爆炸典型工况的高速摄像机防护结构强度进行仿真计算验证。根据线型设计的结果，首先利用Pro/Engineer软件建立防护结构的三维几何模型，并导出为igs格式文件；将igs文件导入到Hypermesh中建立防护结构和周围水域(图3)的有限元模型，赋予基本的材料属性和单元属性，并导出为inp格式文件；最后将inp文件导入到ABAQUS软件中进行水下爆炸载荷作用下的抗冲击数值仿真。

图3　防护结构周围水域有限元模型

防护装置的网格采用5 mm×10 mm×10 mm左右的六面体网格，其中为保证壳体厚度方向的网格数量，在壳体厚度方向设置的网格尺寸为5 mm，图4为防护结构有限元模型。考虑防护结构形状较为复杂，因此在结构附近的流场网格划分成10 mm×10 mm×10 mm的四面体单元，在结构较远处流场网格划分为80 mm×80 mm×20 mm的六面体单元，不同类型的网格以Tie的方式连接。防护结构的边界设置为自由边界条件，流场外表面设置为无反射边界条件用以模拟无限大流场。流固耦合方式选择Tie方式，采用Total Wave算法，并考虑空化。结构间的相互作用选用接触算法中的Surface to Surface。

图4　防护结构有限元模型

考虑防护结构的加工制作以及组装工艺，防护结构中存在有焊接、螺栓连接以及安装处倒角等设计，因此在仿真计算时，进行一定的简化处理，具体的简化原则：涉及焊接和螺栓连接部分时，认为其为一个整体；安装处的倒角设计是为了便于安装，不影响计算结果，可以略去。

防护结构仿真计算选用的材料特性参数如表1所示，其中不锈钢参数参考机械设计手册牌号为022Cr17Ni12Mo2的不锈钢力学性能参数，玻璃参数参考文献[12]的实验数据。

表1　防护结构材料属性

2.2仿真计算工况

由于一个工况的计算结果只能与该工况的水下爆炸载荷(药量、爆距、方位)相对应,难以由此推知其他工况时结构的响应,冲击因子是从能量等效角度研究水下爆炸载荷的相似性,用少量工况的结果即可较为全面的了解目标结构抗冲击性能。对同一目标结构,如果冲击因子相等，则认为其水下爆炸冲击响应近似相等。

仿真计算使用了一种基于平面波假定的冲击因子描述水下爆炸冲击环境[11]，这种冲击因子的形式：

(1)

式(1)中: W为药包当量(kg)；r为药包与结构外壳之间的最短爆距(m)。

仿真计算设定4个工况，包括两种不同爆源当量和3个不同的冲击因子，爆距由设定的爆源当量和冲击因子计算得到,同时考虑不同试验条件下可实现的水中拍摄距离。其中工况1、2、3的爆源当量相同，但冲击因子不同，对应的爆距不同；工况2和工况4冲击因子相同，但爆源当量不同，对应的爆距不同。每个工况详细信息如表2所示。爆距为防护结构轴线方向上爆源爆心与防护结构前端视窗的距离。

表2　工况设置

3仿真计算结果分析

在有限元计算模型的基础上，设定材料参数并提交计算。图5和图6为工况2和工况4两个典型工况下防护结构的应力云图。表3列出了4个工况下的防护结构最大应力和产生最大位移的幅值。

图5　工况3下防护结构应力云图

图6　工况4下防护结构应力云图

工况编号最大应力值/MPa最大位移值/mm159.227.6275.541.63168.194.84102.934.8

分析4个工况仿真计算结果可以发现：爆源当量相同时，冲击因子越大，爆距越近，应力幅值越大；相同冲击因子的工况下爆源当量越大，应力幅值越大；防护结构在水下爆炸作用下，由于应力波等因素会产生刚性位移，爆源当量相同，冲击因子越大，爆距越近，刚性位移越大；相同冲击因子的工况下爆源当量越小，爆距越近，刚性位移越大。

由仿真计算结果可知:在爆源当量为30 kg TNT、冲击因子为0.78的最严酷工况下，防护结构产生的应力最大，但小于所选不锈钢和防护玻璃的屈服强度，可判定在该工况下防护结构自身的强度是安全的，但将产生94.8 mm的较大刚性位移；爆源当量为60 kg TNT和30 kg TNT、冲击因子为0.5的工况下，防护结构产生的应力均小于材料所选不锈钢和防护玻璃的屈服强度，产生的位移小于50 mm，防护结构稳定性较好。

4个工况的仿真计算结果显示：防护结构前端应力都较后端大，前端玻璃视窗与主体结构过渡处应力较大，后部锥形结构与主体连接处有一定的应力集中，在这些应力较大的地方应予以处理，如采取结构加强、圆弧过渡、开泄压槽等方式。

4结论

在爆源不大于60 kg TNT装药、冲击因子为0.5的爆炸冲击作用下防护结构未产生塑性变形，产生的位移小于50 mm，对图像拍摄效果影响较小，结构强度和稳定性设计满足60 kg TNT装药、冲击因子为0.5的水中爆炸条件下图像拍摄使用要求。

在水下爆炸作用下，防护结构前端应力大于后端，前端玻璃视窗与主体结构过渡处应力较大，后部锥形结构与主体连接处有一定的应力集中，在这些应力较大的地方在结构设计和加工时应予以重视。

参考文献：

[1]荣吉利,李健,杨荣杰,等.水下爆炸气泡脉动的实验及数值模拟[J].北京理工大学学报,2008,28(12):1035-1038.

[2]朱锡,牟金磊,洪江波，等.水下爆炸气泡脉动特性的试验研究[J].哈尔滨工程大学学报,2007,28(4):365-368.

[3]尹群,陈永念,湖海岩.水下爆炸研究的现状和发展趋势[J].造船技术,2003,256(6):6-12.

[4]黄晓明,朱锡,牟金磊,等.圆柱壳在水下爆炸作用下鞭状响应试验研究[J].哈尔滨工程大学学报,2010,31(10):1278 -1285.

[5]金辉,周华,沈晓乐,等.炸药水下爆炸气泡运动特性研究[J].兵工学报,2013，34(S1)：147-151.

[6]张阿曼,姚熊亮.近壁面气泡的动态特性研究[J].中国造船,2008,49(1):1-9.

[7]黄超,汪斌,姚熊亮，等.实验室尺度水下爆炸气泡实验方法[J].传感器与微系统,2011，30(12):75-81.

[8]姚熊亮,刘东岳,张阿漫,等.潜艇结构水下爆炸动态响应仿真研究[J].哈尔滨工程大学学报,2008,29(9):902-906.

[9]汪俊,刘建湖,李玉节.加筋圆柱壳水下爆炸动响应数值模拟[J].船舶力学,2006，10(2)：126-137.

[10]高速摄影防护结构在水下爆炸作用下的动态特性分析[J].兵工学报,2013,34(S1):253-257.

[11]姚熊亮,曹宇,郭君,等.一种用于水面舰船的水下爆炸冲击因子[J].哈尔滨工程大学学报,2007,28(5):501-509.

[12]段卓平,关智勇.冲击载荷下有机玻璃动态屈服强度的实验确定[J].爆炸与冲击，2003,23(S):117-118.

(责任编辑周江川)

本文引用格式：张姝红，陈高杰，高浩鹏，等.高速摄像防护结构抗水中爆炸冲击仿真研究[J].兵器装备工程学报，2016(5):53-56.

Citation format:ZHANG Shu-hong,CHEN Gao-jie,GAO Hao-peng,et al.Simulation on Behavior of Protecting Structure for High-Speed Camera to Underwater Explosions Shock[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):53-56.

Simulation on Behavior of Protecting Structure for High-Speed Camera to Underwater Explosions Shock

ZHANG Shu-hong,CHEN Gao-jie,GAO Hao-peng,JIN Hui

(The No.91439thTroop of PLA,Dalian 116041,China)

Abstract:The protecting structure for the camera tends to have plastic deformation and come into being displacement under shock wave caused by under-water explosion when the camera is taking photo of the explosion images,which will influence the system safety and shooting effect.A Protecting structure was designed to satisfy the camera safety demand.To proof the strength and the stability of high-speed camera protecting structure,four loading cases were set up and numerical calculations were performed on the protecting structure with ABAQUS software.The results show that protecting structure doesn’t have plastic deformation with 60 kg TNT and shock factor of 0.5 and can satisfy the safety protection and shooting demand of underwater explosions.

Key words:underwater explosion; protecting structure; ABAQUS; shock factor

doi:【装备理论与装备技术】10.11809/scbgxb2016.05.013

收稿日期：2015-10-17；修回日期：2015-11-25

作者简介：张姝红(1971—)，女，高级工程师，主要从事水下爆炸试验技术研究。

中图分类号：TJ03

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)05-0053-04