水下近场爆炸冲击波作用下光测设备防护平台动态响应特性研究

焦安龙，高浩鹏，张姝红

(中国人民解放军91439部队，辽宁 大连　116041)



【基础理论与应用研究】

水下近场爆炸冲击波作用下光测设备防护平台动态响应特性研究

焦安龙，高浩鹏，张姝红

(中国人民解放军91439部队，辽宁 大连116041)

以水下爆炸试验光学测量为研究背景，在水下近场爆炸冲击波作用下光学设备防护平台结构设计的基础上，通过传统的理论经验计算与计算机数值仿真计算方法，对防护平台结构的运动特性进行分析并校核。结果表明平台结构的运动响应满足光测设备和试验需求，验证了防护平台结构设计的合理性；防护平台结构背爆面的密封位置可向中部偏移以提高平台结构遭遇冲击波作用时的稳定性。

冲击波；光测；防护平台；水下爆炸

电测和光测作为主要测量手段已广泛应用于水下爆炸试验中。对于电测方法来讲，在传感器及记录设备方面都有较深入的研究与应用[1-2]。对于光测方法来讲，目前国内外开展的研究及应用集中在高速摄像技术方面，主要在爆炸筒[3-4]中实现，用于测量目标总体毁伤、结构运动响应、结构变形、结构开裂尺寸、气泡脉动载荷等[5-6]。高速摄像光测技术应用于小当量炸药在爆炸筒中爆炸测量时，其主要实现方法是[7]：爆炸筒在筒壁处有个特种透明玻璃监视窗，高速摄像机布设于爆炸筒监视窗外侧，对爆炸时爆炸筒内的相关现象进行对焦拍摄，在这种工作方式下高速摄像机不会遭遇水下爆炸载荷作用。在海水中实现光学测量的主要问题就是光测设备将遭遇水下爆炸载荷的作用，即涉及光测设备的防护问题。在海水中试验时，受海水光学特性影响导致光学测量的距离仅有数米，这就要求光测设备与爆源的距离较近，所以光测设备在海水中测量时需要有较好的防护平台[8]。该防护平台具有抗强冲击性能且端部具有较好的透光性能。测量时，由于光测设备布设于爆炸筒外，其对焦后光测设备不会受到水下爆炸的影响；而在海水中试验时，由于水下爆炸载荷直接作用于防护平台，导致防护平台产生刚性位移，直接影响光测设备的对焦。

本文研究海水中近场爆炸时冲击波作用下光学设备防护平台的动态响应特性，校核试验的工况设置，使光测设备能准确测量试验数据。

1　理论计算

初步设计的防护平台的简图如图1所示(单位：mm)；图1中右侧前端为特种防弹玻璃以保证光测设备透光性，左侧尾部为锥形，平台主体为圆柱形，主体直径为300mm。

图1　防护平台简图

水下爆炸试验时，当爆源与防护平台处于同一水平面布放，防护平台顶部采用绞链进行吊装，防护平台为负浮力设计，故防护平台不产生垂直方向运动，因此重点分析水平方向运动特性。设试验时爆源在防护平台轴线上，爆源与防护平台前端距离R=6m，爆源TNT当量W=9kg，根据式(1)[9]可得到冲击波在防护平台前端的自由场峰值压力Pm=1.6×107Pa；设防护平台为刚体时，冲击波垂直入射到防护装置的前端圆形截面的压力近似为2倍的冲击波峰值压力，即p=2Pm=3.2×107Pa。由于冲击波压力按照指数方式进行衰减，得到冲击波正压作用时间如式(2)所示[10]，计算得到正压作用时间 t=5.4×10-4s。根据动量定理pSt=mV，可得到冲击波加载时间内防护装置的最大位移如式(3)所示，计算得到最大位移L=3.17mm(其中S为防护装置前端面面积，取直径为300mm；m为防护装置质量，取值为105kg。)

(1)

t=2×10-4(W·R)0.25

(2)

(3)

上述计算没有考虑防护平台周围液体水对结构的黏性作用，如果考虑水对结构的黏性及阻力，防护平台的水平位移将更小。因此防护平台在水下爆炸冲击波作用下位移很小，不会影响光学测量设备的正常使用。

2　仿真建模

在理论计算的基础上，基于流固耦合理论，使用ABAQUS软件通过仿真计算的方法对水下爆炸试验时冲击波对防护平台的水平位移进行校核，并对其运动响应特性进行分析。

2.1工况分析

为了研究防护结构和试验组织实施中爆源的相对位置对防护平台运动特性的影响，根据结构中尾部密封部位的不同(如图1中A和B所示)、爆源位于防护平台中心轴线或者偏离1 000mm，仿真分析计算中共设置4种工况，如表1所示。其他工况设置如爆源TNT当量、爆距等参数与理论计算的设置一致。

表1　工况设置

2.2有限元建模参数

在三维几何模型建立的基础上，对模型进行有限元网格划分，模型中网格均为六面体单元；考虑到防护平台在海水中浸泡会受到海水的腐蚀，平台材料选取316L不锈钢。材料及网格有限元模型的基本参数如表2所示(其中涉及到网格的参数数值相同于工况1)。为了保证费效比，一般流场尺寸是结构尺寸的6倍，流固耦合面处流场单元尺寸应小于结构单元尺寸；图2为防护平台结构及周围流场耦合的整体有限元模拟图。图3是防护平台与周围流场的有限元模拟图，图3(a)中的表示防护平台尾部A处密封、图3(b)图表示防护平台B处密封。

表2　有限元模型基本参数

图2　防护平台结构及周围流场耦合的整体有限元模拟图

图3　防护平台及流场网格模拟图

2.3边界条件添加

边界条件主要包括重力与浮力添加、冲击波载荷添加、流固耦合面的处理、计算流体边界条件的添加等。重力与浮力附加到整个防护平台有限元节点上；冲击波载荷根据水下爆炸载荷半经验公式计算得到[11]。流固耦合面的处理是在分别建立防护平台结构和水域的接触面基础上，通过Tie进行耦合约束，一般的结构接触面定义为主面、水域接触面定义为从面。计算流体边界条件主要是在水域外边界上定义无反射条件，表示冲击波可以穿过该表面而不发生反射，以模拟无限水域，另外在水域外边界上要施加静水压力。

3　结果分析

在仿真模型建立的基础上，主要对4种工况下防护平台结构的位移响应进行分析。图4为工况4中水平方向的位移响应云图。图5(a)中为工况1和工况3中防护平台结构端部中心节点的位移响应曲线(虚线为工况1，实线为工况3)；图5(b)为工况2和工况4中防护平台结构端部中心节点的位移响应曲线(虚线为工况2，实线为工况4)；图5(c)为工况4中防护平台结构轴向上端部及尾部节点的位移响应曲线(虚线为端部，实线为尾部)；图5(d)图为工况4中防护平台结构水平方向上端部及尾部节点的位移响应模拟(虚线为端部，实线为尾部)。仿真结果与理论计算结果对比可以发现，仿真计算得到的最大位移量小于理论计算值约12%，主要是仿真计算中添加流固耦合约束，附加了一定水的质量。由图4云图及图5中位移响应曲线分析可以发现：当防护平台结构背爆面密封位置在B处时，其轴向位移量比密封位置在A处时小约9%，其主要原因是密封位置在A处时尾部部分水域被防护结构所包含，使得结构和水之间的阻力和附加质量增大；当爆源离开轴线1 000mm爆炸且防护平台结构背爆面密封位置在B处时，防护平台遭受冲击波作用开始时产生扭转，即尾部的位移和端部位移数值符号相反，冲击波进一步作用使平台产生刚性位移，分析发现防护平台最大扭转角度约为0.15°，拍摄距离为6m对焦时会产生约15.8mm的偏移，一般能够满足试验需求。

图4　工况4防护平台水平方向位移响应云图

图5　防护平台结构位移响应对比

4　结论

以水下爆炸试验光学测量为研究背景，在水下近场爆炸冲击波作用下光学设备防护平台结构设计的基础上，通过传统的理论经验计算与计算机数值仿真计算，对防护平台结构的运动特性进行分析校核。结果表明：仿真计算结果与理论经验计算较为吻合；防护平台结构背爆面的密封处可向中部偏移，这样在冲击波作用下平台更加稳定。在文中分析的近场爆炸工况下，平台结构的运动响应满足光测设备和试验需求。在试验时防护平台的轴线应尽量与爆源保持垂直，即冲击波入射应尽量垂直于端面。文中对于位移响应的研究仅考虑了水下爆炸冲击波的作用，气泡载荷频率较低，当气泡作用防护平台时会产生较大位移，但是气泡作用于防护平台的时刻要晚于冲击波，当气泡作用到防护平台时光测设备已工作完毕，故对于气泡没有进行分析。

[1]黄正平.爆炸与冲击电测技术[M].北京：国防工业出版社，2006.

[2]陈辉，潘建强，唐佳炜，等.水下非接触爆炸条件下舰船冲击环境测试相关技术研究[J].计算机测量与控制，2011，19(11)：2635-2638．

[3]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．

[4]倪宝玉，张阿漫.气泡高速摄影和载荷测试技术综述[J].力学与实践，2013，35(6):11-18.

[5]唐孝容，高宁，郝建中，等.高速摄影技术在常规战斗部实验中的应用[J].弹道与制导学报,2010,30(3)：105-106.

[6]张海鹏，岳永威，苏罗青，等.水下爆炸作用下舰船总纵强度模型实验方案研究[J]．振动与冲击，2012,31(6):175-180.

[7]黄晓明,朱锡,牟金磊,等．近距水下爆炸作用下箱形梁模型中垂破坏试验研究[J].振动与冲击，2011，30(2)：19-23．

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

[9]崔秉贵.目标毁伤工程计算[M].北京：北京理工大学出版社，1995.

[10]张挺．爆炸冲击波测量技术(电测法)[M]．北京：国防工业出版社，1984．

[11]宗智，赵延杰，邹丽.水下爆炸结构毁伤的数值计算[M].北京：科学出版社，2014.

(责任编辑杨继森)

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

焦安龙(1974—)，男，工程师，主要从事水中兵器及舰船抗冲击试验总体技术研究;高浩鹏(1986—)，男，博士，工程师，主要从事水下爆炸试验测量与数值仿真研究。

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：焦安龙，高浩鹏，张姝红.水下近场爆炸冲击波作用下光测设备防护平台动态响应特性研究[J].兵器装备工程学报，2016(9):148-151.