爆轰产物冲击带破口双层板结构内板壁压研究

盛振新, 刘建湖, 毛海斌, 张显丕, 周章涛, 杨 静

爆轰产物冲击带破口双层板结构内板壁压研究

盛振新1,2, 刘建湖1,2, 毛海斌1,2, 张显丕1,2, 周章涛1,2, 杨 静1,2

(1. 中国船舶科学研究中心, 江苏 无锡, 214082; 2 深海技术科学太湖实验室，江苏 无锡，214082)

针对水下接触爆炸条件下爆轰产物冲击带破口双层板内板壁压载荷特性不清的问题, 开展了理论和试验研究。将舱外附着气泡和爆轰产物气柱射流的演化过程分为3个阶段：1）气泡膨胀和爆轰产物从破口随进过程; 2）爆轰产物形成气柱射流并在结构内运动过程; 3）爆轰产物气柱射流冲击结构内板过程, 构建了爆轰产物气体破口随进动力学方程组, 给出了爆轰产物气体在结构内部运动时速度和密度的衰减规律, 建立了爆轰产物冲击带破口双层板结构内板壁压的理论计算模型, 并且分析了药量、破口半径和舱室宽度对气泡运动和内板壁压的影响规律。同时, 开展了带破口双层板结构的水下接触爆炸试验, 采用高速摄像拍摄了气泡和爆轰产物气柱的运动演化过程, 测量获取了爆轰产物气柱射流作用在内板上的壁压时程。结果表明, 壁压峰值和冲量的理论计算结果与试验测量结果的偏差分别为-5.84%和9.71%。理论计算模型精度满足工程应用要求, 可为舰船结构的毁伤评估和抗爆设计提供理论基础。

爆轰产物; 双层板结构; 水下爆炸; 内板壁压

0 引言

当炸药与双层结构在水下接触爆炸时, 外板在冲击波作用下会瞬间产生破口, 之后在水中形成附着于外板的气泡。在气泡膨胀过程中, 一部分爆轰产物气体通过破口进入到结构内部, 并在舱内高速运动, 对内部设备造成严重毁伤。

Best[1]最早进行了带破口背气结构附近气泡运动的研究, 提出了简单的气泡运动模型, 其主要特点是将气泡假设为半球形, 并认为爆轰产物通过破孔一维流出。Dadvand等[2]和Liu等[3]利用电火花试验及边界元方法研究了带圆孔背气板附近的气泡动态特性, 气泡中心距破口距离大于气泡最大半径时, 在破口处会产生高速的水冢, 不同距离参数和破口大小会导致多种水冢形式的呈现。在带破口的空舱边界下, 气泡膨胀过程中会涌入空舱冲击舱室内板, 并引起舱室内压升高, 气泡收缩过程中舱室内气体被吸入气泡内部[4-5]。陈莹玉[6]通过试验分析了在水下接触爆炸作用下, 外板产生破口后爆轰产物气柱射流和水射流对空舱内板的毁伤特性。

目前的研究主要关注带破口双层板结构附近气泡的运动特性和爆炸产物对结构内板的毁伤效果, 而针对爆轰产物对内板的冲击加载特性研究较少, 同时研究方法主要为试验和数值计算, 没有建立相应的理论模型。对于气泡来说, 带破口结构是一个复杂边界, 同时爆轰产物气体与舱内空气发生物质交换, 整个过程非常复杂, 理论描述模型难度较大; 爆轰产物气体进入到结构内部并冲击内板的过程中, 其运动实际上不是一维的, 速度和密度也持续变化, 由于试验难以测量, 目前尚未掌握爆轰产物气体舱内运动速度和密度的变化规律。

针对此, 文中建立了爆轰产物气体冲击双层板结构的内板载荷理论模型, 分析了药量、破口半径和舱室宽度对气泡运动和内板壁压的影响规律, 并通过水下爆炸试验进行了验证, 以期为舰船结构的毁伤评估和抗爆设计提供理论依据。

1 理论模型

根据现有试验和数值计算的研究成果可知, 带破口双层板结构水下接触爆炸气泡和爆轰产物气柱射流的演化过程主要包括气泡膨胀和爆轰产物从破口随进过程(图1(b))、爆轰产物形成气柱射流并在结构内运动过程(图1(c))和爆轰产物气柱射流冲击结构内板过程(图1(d))3个阶段。

图1 带破口双层板结构水下接触爆炸气泡和爆轰产物气柱射流演化过程示意图

为方便理论分析, 进行一定的假设和简化: 1) 外板和内板均为平板, 忽略表面曲率的影响; 2) 结构为完全刚性, 即忽略结构在气泡载荷作用下的变形。

1.1 气泡膨胀和爆轰产物从破口随进过程

1.1.1 气泡运动方程

水下爆炸气泡初始膨胀时, 气泡边界的马赫数近似甚至大于1, 此时需考虑液体的可压缩性。因此, 采用具有2阶马赫数精度的Prosperetti- Lezzi方程[7-9]描述气泡运动

气泡运动初始条件采用Kedrinskii假设[10-12], 在爆轰结束后瞬间形成了冲击波, 爆轰产物-水界面瞬间达成压力和速度的平衡。

气泡边界爆轰产物一侧速度和压力的关系式

气泡边界水一侧速度和压力的关系式

平衡条件为

气泡运动的初始条件

为了准确描述爆炸气泡动力学特征, 采用一种基于JWL状态方程、多方指数随密度变化的状态方程形式[13]。

1.1.2 考虑物质交换的气泡内部压力

为了确定气泡内压力随时间变化过程, 需考虑通过破口情况下爆轰产物的热力学情况[1]。

气体内能变化是由于体积改变时所做的功以及气体穿过破口流出引起摩尔数的改变所致, 即

1.1.3 爆轰产物射流速度

假定气体内部密度均匀, 故压力可以写成密度的函数

将式(8)和式(10)代入式(9), 可得气体流出速度为

式(1)、式(7)和式(11)组成爆轰产物气体破口随进动力学方程组, 计算得到水中爆炸气泡半径、气泡内压力和密度、爆轰产物通过破口速度等参数随时间的演化过程。

1.2 爆轰产物气柱射流在双层板结构内运动过程

1.3 爆轰产物气柱射流冲击内板过程

当气柱射流冲击到壁板上时速度降至零, 同时在气体中产生压缩波。类似于气泡射流压力[15], 气柱射流压力

2 相关参数对内板壁压的影响规律

为了分析爆炸参数和结构参数对内板壁压的影响, 开展了针对不同炸药质量、破口半径和舱室宽度等参数的计算与分析。

2.1 药量对内板壁压的影响

在破口半径为32 mm, 空舱宽度为150 mm, 装药质量分别为1.1, 5和10 g条件下, 舱外气泡运动和内板壁压的计算结果如图2所示。

从图中可知: 1) 爆轰产物通过破口逸出到舱内, 气泡发生能量损失, 会影响气泡的二次膨胀, 药量越小, 影响越明显; 2) 破口尺寸和舱室宽度相同条件下, 爆轰产物舱内运动时速度和密度随距离衰减规律相同, 因此内板壁压峰值相同, 且同时到达内板; 3) 药量越小, 内板壁压随时间衰减越快。

2.2 破口尺寸对内板壁压的影响

空舱宽度为150 mm, 装药质量为1.1 g, 破口半径分别为5.3, 16和32 mm条件下, 舱外气泡运动和内板壁压的计算结果如图3所示。

从图中可知: 1) 破口越大, 通过破口逸出到舱内的爆轰产物越多, 气泡二次膨胀受到的影响越明显; 2) 破口越大, 到达内板的爆轰产物的速度和密度越大, 内板壁压越大, 且最先达到内板; 3) 由=5.3 mm的计算结果可知, 当破口半径与药量半径接近时, 进入舱内的爆轰产物很少, 同时爆轰产物的速度和密度在舱内衰减较快, 爆轰产物气柱射流对内板的冲击压力几乎可以忽略。

2.3 舱室宽度对内板壁压的影响

破口半径为32 mm, 装药质量为1.1 g, 舱室>宽度分别为100, 150 和200 mm条件下, 舱外气泡运动和内板壁压的计算结果如图4所示。从图中可知: 1) 药量和破口尺寸不变的条件下, 舱外气泡运动特性不变; 2) 空舱宽度越大, 到达内板的爆轰产物的速度和密度越小, 内板壁压越小, 且最后到达内板。

图4 舱室宽度对气泡运动和内板壁压影响曲线

3 带破口双层板结构水下接触爆炸试验

3.1 试验布置

试验的总体布置如图5所示, 包括水槽、双层板结构、高速摄像系统及壁压测量系统等。水槽尺寸为1 m×1 m×1 m, 由钢质框架和有机玻璃组成, 内部注满水。

图5 试验总体布置

图6 带破口双层板结构

试验采用单发8号雷管作为药包, 等效药量为1.1 g TNT, 等效半径为5.3 mm, 雷管接触布放于预制破口处, 如图7所示。

图7 药包布置

在内板上布置109C12型压电传感器,用来测量作用在内板上的壁压, 如图8所示。观测装置吊放于观测水槽内, 中心位于水下约0.5 m处。采用高速相机拍摄气泡和爆轰产物的运动及与内板的相互作用过程, 相机与药包布放位置等高。

图8 传感器布置

3.2 试验结果与分析

3.2.1 高速摄像

另外, 在15972 μs时刻气泡达到最大值, 半径为101 mm。

图9 气泡运动及爆轰产物演化过程

根据经典水下爆炸气泡半径计算公式

计算得到1.1 g TNT在水深0.5 m处的气泡最大半径为164 mm。试验得到相对无限水域气泡最大半径减小了38.4%, 说明气泡内的爆轰产物从破口进入到舱内, 并抑制附着在外板的气泡的膨胀运动。

3.2.2 内板壁压

压力传感器测得爆轰产物作用在内板上的壁压时程曲线如图10所示。从图中可以看出, 在经过一个陡峭的上升沿后, 压力达到峰值4.97 MPa, 然后急剧衰减, 之后衰减越来越慢, 最后趋近于零。从压力曲线可以看出测量结果有较明显震荡, 这是由于压力传感器安装基础振动引起的。

4 结束语

文中以带破口双层板结构为对象, 将水下接触爆炸气泡和爆轰产物气柱射流的演化过程分为3个阶段, 同时, 开展了带破口双层板结构的水下爆炸试验, 将试验结果与理论计算结果对比可知: 1) 气泡内的爆轰产物从破口进入到舱内, 会抑制附着在外板的气泡的膨胀运动; 2) 爆轰产物形成的气柱射流在舱内运动时发生扩展, 会引起密度衰减; 3) 爆轰产物冲击内板壁压峰值和冲量与试验测量结果偏差分别为-5.84%和9.71%, 表明理论计算模型精度满足工程应用要求, 可为舰船结构的毁伤评估和抗爆设计提供理论基础。

表1 内板壁压峰值和冲量对比

爆轰产物气体在结构内部高速运动, 会对结构和设备造成严重毁伤, 内板壁压载荷作为结构毁伤的输入, 后续将在文中工作基础上开展爆轰产物对带破口双层板结构内板毁伤效应的研究。

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Study on the Wall Pressure Generated by Detonation Products on the Inner Panel of a Double-layer Structure with a Hole

SHENG Zhen-xin1,2, LIU Jian-hu1,2, MAO Hai-bin1,2, ZHANG Xian-pi1,2, ZHOU Zhang-tao1,2, YANG Jing1,2

(1. China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China; 2. Taihu Laboratory of Deepsea Technological Science, Wuxi 214082, China)

To investigate the characteristics of wall pressure generated by detonation products on the inner panel of a double-layer structure with a hole, we conducted theoretical and experimental studies were conducted. The evolution process of the underwater contact explosion bubble and detonation product jet was divided into three stages: 1) bubble expanding and detonation products entering through the hole, 2) detonation product jet moving in the structure, and 3) detonation product jet impacting the inner panel. Dynamic equations of the detonation products passing through the hole were constructed, the attenuation laws of the velocity and density of detonation products moving in the structure were derived, and a theoretical calculation model for wall pressure on the inner panel of the double-layer structure was established. The effects of charge weight, break radius, and cabin width on bubble motion and wall pressure were analyzed. Additionally, an underwater contact explosion test on a double-layer structure was conducted. The evolution process of the explosion bubble and detonation product jet was photographed using a high-speed camera and the time history of wall pressure on the inner panel was recorded. The results indicate that the deviation in the peak pressure and impulse between the theoretical calculation results and test measurement results were −5.84% and 9.71%, respectively. The accuracy of the theoretical calculation model can meet the requirements of engineering applications, thereby providing a theoretical basis for the damage assessment and shock-resistant design of ship structures.

detonation products; double-layer structure; underwater contact explosion; wall pressure on inner panel

盛振新, 刘建湖, 毛海斌, 等. 爆轰产物冲击带破口双层板结构内板壁压研究[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(3): 391-397.

TJ6; U674.7; O383

A

2096-3920(2022)03-0391-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.016

2021-12-14;

2022-03-16.

盛振新(1986-), 男, 博士, 高级工程师, 主要研究方向为爆炸载荷理论及试验.

(责任编辑: 杨力军)