焦安龍，高浩鵬，張姝紅

(中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧 大連　116041)

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【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】

水下近場(chǎng)爆炸沖擊波作用下光測(cè)設(shè)備防護(hù)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性研究

焦安龍，高浩鵬，張姝紅

(中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧 大連116041)

以水下爆炸試驗(yàn)光學(xué)測(cè)量為研究背景，在水下近場(chǎng)爆炸沖擊波作用下光學(xué)設(shè)備防護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過傳統(tǒng)的理論經(jīng)驗(yàn)計(jì)算與計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真計(jì)算方法，對(duì)防護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析并校核。結(jié)果表明平臺(tái)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)滿足光測(cè)設(shè)備和試驗(yàn)需求，驗(yàn)證了防護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性；防護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)背爆面的密封位置可向中部偏移以提高平臺(tái)結(jié)構(gòu)遭遇沖擊波作用時(shí)的穩(wěn)定性。

沖擊波；光測(cè)；防護(hù)平臺(tái)；水下爆炸

電測(cè)和光測(cè)作為主要測(cè)量手段已廣泛應(yīng)用于水下爆炸試驗(yàn)中。對(duì)于電測(cè)方法來講，在傳感器及記錄設(shè)備方面都有較深入的研究與應(yīng)用[1-2]。對(duì)于光測(cè)方法來講，目前國(guó)內(nèi)外開展的研究及應(yīng)用集中在高速攝像技術(shù)方面，主要在爆炸筒[3-4]中實(shí)現(xiàn)，用于測(cè)量目標(biāo)總體毀傷、結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)開裂尺寸、氣泡脈動(dòng)載荷等[5-6]。高速攝像光測(cè)技術(shù)應(yīng)用于小當(dāng)量炸藥在爆炸筒中爆炸測(cè)量時(shí)，其主要實(shí)現(xiàn)方法是[7]：爆炸筒在筒壁處有個(gè)特種透明玻璃監(jiān)視窗，高速攝像機(jī)布設(shè)于爆炸筒監(jiān)視窗外側(cè)，對(duì)爆炸時(shí)爆炸筒內(nèi)的相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)焦拍攝，在這種工作方式下高速攝像機(jī)不會(huì)遭遇水下爆炸載荷作用。在海水中實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)量的主要問題就是光測(cè)設(shè)備將遭遇水下爆炸載荷的作用，即涉及光測(cè)設(shè)備的防護(hù)問題。在海水中試驗(yàn)時(shí)，受海水光學(xué)特性影響導(dǎo)致光學(xué)測(cè)量的距離僅有數(shù)米，這就要求光測(cè)設(shè)備與爆源的距離較近，所以光測(cè)設(shè)備在海水中測(cè)量時(shí)需要有較好的防護(hù)平臺(tái)[8]。該防護(hù)平臺(tái)具有抗強(qiáng)沖擊性能且端部具有較好的透光性能。測(cè)量時(shí)，由于光測(cè)設(shè)備布設(shè)于爆炸筒外，其對(duì)焦后光測(cè)設(shè)備不會(huì)受到水下爆炸的影響；而在海水中試驗(yàn)時(shí)，由于水下爆炸載荷直接作用于防護(hù)平臺(tái)，導(dǎo)致防護(hù)平臺(tái)產(chǎn)生剛性位移，直接影響光測(cè)設(shè)備的對(duì)焦。

本文研究海水中近場(chǎng)爆炸時(shí)沖擊波作用下光學(xué)設(shè)備防護(hù)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，校核試驗(yàn)的工況設(shè)置，使光測(cè)設(shè)備能準(zhǔn)確測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1　理論計(jì)算

初步設(shè)計(jì)的防護(hù)平臺(tái)的簡(jiǎn)圖如圖1所示(單位：mm)；圖1中右側(cè)前端為特種防彈玻璃以保證光測(cè)設(shè)備透光性，左側(cè)尾部為錐形，平臺(tái)主體為圓柱形，主體直徑為300mm。

圖1　防護(hù)平臺(tái)簡(jiǎn)圖

水下爆炸試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)爆源與防護(hù)平臺(tái)處于同一水平面布放，防護(hù)平臺(tái)頂部采用絞鏈進(jìn)行吊裝，防護(hù)平臺(tái)為負(fù)浮力設(shè)計(jì)，故防護(hù)平臺(tái)不產(chǎn)生垂直方向運(yùn)動(dòng)，因此重點(diǎn)分析水平方向運(yùn)動(dòng)特性。設(shè)試驗(yàn)時(shí)爆源在防護(hù)平臺(tái)軸線上，爆源與防護(hù)平臺(tái)前端距離R=6m，爆源TNT當(dāng)量W=9kg，根據(jù)式(1)[9]可得到?jīng)_擊波在防護(hù)平臺(tái)前端的自由場(chǎng)峰值壓力Pm=1.6×107Pa；設(shè)防護(hù)平臺(tái)為剛體時(shí)，沖擊波垂直入射到防護(hù)裝置的前端圓形截面的壓力近似為2倍的沖擊波峰值壓力，即p=2Pm=3.2×107Pa。由于沖擊波壓力按照指數(shù)方式進(jìn)行衰減，得到?jīng)_擊波正壓作用時(shí)間如式(2)所示[10]，計(jì)算得到正壓作用時(shí)間 t=5.4×10-4s。根據(jù)動(dòng)量定理pSt=mV，可得到?jīng)_擊波加載時(shí)間內(nèi)防護(hù)裝置的最大位移如式(3)所示，計(jì)算得到最大位移L=3.17mm(其中S為防護(hù)裝置前端面面積，取直徑為300mm；m為防護(hù)裝置質(zhì)量，取值為105kg。)

(1)

t=2×10-4(W·R)0.25

(2)

(3)

上述計(jì)算沒有考慮防護(hù)平臺(tái)周圍液體水對(duì)結(jié)構(gòu)的黏性作用，如果考慮水對(duì)結(jié)構(gòu)的黏性及阻力，防護(hù)平臺(tái)的水平位移將更小。因此防護(hù)平臺(tái)在水下爆炸沖擊波作用下位移很小，不會(huì)影響光學(xué)測(cè)量設(shè)備的正常使用。

2　仿真建模

在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，基于流固耦合理論，使用ABAQUS軟件通過仿真計(jì)算的方法對(duì)水下爆炸試驗(yàn)時(shí)沖擊波對(duì)防護(hù)平臺(tái)的水平位移進(jìn)行校核，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行分析。

2.1工況分析

為了研究防護(hù)結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)組織實(shí)施中爆源的相對(duì)位置對(duì)防護(hù)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性的影響，根據(jù)結(jié)構(gòu)中尾部密封部位的不同(如圖1中A和B所示)、爆源位于防護(hù)平臺(tái)中心軸線或者偏離1 000mm，仿真分析計(jì)算中共設(shè)置4種工況，如表1所示。其他工況設(shè)置如爆源TNT當(dāng)量、爆距等參數(shù)與理論計(jì)算的設(shè)置一致。

表1　工況設(shè)置

2.2有限元建模參數(shù)

在三維幾何模型建立的基礎(chǔ)上，對(duì)模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，模型中網(wǎng)格均為六面體單元；考慮到防護(hù)平臺(tái)在海水中浸泡會(huì)受到海水的腐蝕，平臺(tái)材料選取316L不銹鋼。材料及網(wǎng)格有限元模型的基本參數(shù)如表2所示(其中涉及到網(wǎng)格的參數(shù)數(shù)值相同于工況1)。為了保證費(fèi)效比，一般流場(chǎng)尺寸是結(jié)構(gòu)尺寸的6倍，流固耦合面處流場(chǎng)單元尺寸應(yīng)小于結(jié)構(gòu)單元尺寸；圖2為防護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)及周圍流場(chǎng)耦合的整體有限元模擬圖。圖3是防護(hù)平臺(tái)與周圍流場(chǎng)的有限元模擬圖，圖3(a)中的表示防護(hù)平臺(tái)尾部A處密封、圖3(b)圖表示防護(hù)平臺(tái)B處密封。

表2　有限元模型基本參數(shù)

圖2　防護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)及周圍流場(chǎng)耦合的整體有限元模擬圖

圖3　防護(hù)平臺(tái)及流場(chǎng)網(wǎng)格模擬圖

2.3邊界條件添加

邊界條件主要包括重力與浮力添加、沖擊波載荷添加、流固耦合面的處理、計(jì)算流體邊界條件的添加等。重力與浮力附加到整個(gè)防護(hù)平臺(tái)有限元節(jié)點(diǎn)上；沖擊波載荷根據(jù)水下爆炸載荷半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到[11]。流固耦合面的處理是在分別建立防護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)和水域的接觸面基礎(chǔ)上，通過Tie進(jìn)行耦合約束，一般的結(jié)構(gòu)接觸面定義為主面、水域接觸面定義為從面。計(jì)算流體邊界條件主要是在水域外邊界上定義無反射條件，表示沖擊波可以穿過該表面而不發(fā)生反射，以模擬無限水域，另外在水域外邊界上要施加靜水壓力。

3　結(jié)果分析

在仿真模型建立的基礎(chǔ)上，主要對(duì)4種工況下防護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)進(jìn)行分析。圖4為工況4中水平方向的位移響應(yīng)云圖。圖5(a)中為工況1和工況3中防護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)端部中心節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)曲線(虛線為工況1，實(shí)線為工況3)；圖5(b)為工況2和工況4中防護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)端部中心節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)曲線(虛線為工況2，實(shí)線為工況4)；圖5(c)為工況4中防護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)軸向上端部及尾部節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)曲線(虛線為端部，實(shí)線為尾部)；圖5(d)圖為工況4中防護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)水平方向上端部及尾部節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)模擬(虛線為端部，實(shí)線為尾部)。仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，仿真計(jì)算得到的最大位移量小于理論計(jì)算值約12%，主要是仿真計(jì)算中添加流固耦合約束，附加了一定水的質(zhì)量。由圖4云圖及圖5中位移響應(yīng)曲線分析可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)防護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)背爆面密封位置在B處時(shí)，其軸向位移量比密封位置在A處時(shí)小約9%，其主要原因是密封位置在A處時(shí)尾部部分水域被防護(hù)結(jié)構(gòu)所包含，使得結(jié)構(gòu)和水之間的阻力和附加質(zhì)量增大；當(dāng)爆源離開軸線1 000mm爆炸且防護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)背爆面密封位置在B處時(shí)，防護(hù)平臺(tái)遭受沖擊波作用開始時(shí)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，即尾部的位移和端部位移數(shù)值符號(hào)相反，沖擊波進(jìn)一步作用使平臺(tái)產(chǎn)生剛性位移，分析發(fā)現(xiàn)防護(hù)平臺(tái)最大扭轉(zhuǎn)角度約為0.15°，拍攝距離為6m對(duì)焦時(shí)會(huì)產(chǎn)生約15.8mm的偏移，一般能夠滿足試驗(yàn)需求。

圖4　工況4防護(hù)平臺(tái)水平方向位移響應(yīng)云圖

圖5　防護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)對(duì)比

4　結(jié)論

以水下爆炸試驗(yàn)光學(xué)測(cè)量為研究背景，在水下近場(chǎng)爆炸沖擊波作用下光學(xué)設(shè)備防護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過傳統(tǒng)的理論經(jīng)驗(yàn)計(jì)算與計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真計(jì)算，對(duì)防護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析校核。結(jié)果表明：仿真計(jì)算結(jié)果與理論經(jīng)驗(yàn)計(jì)算較為吻合；防護(hù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)背爆面的密封處可向中部偏移，這樣在沖擊波作用下平臺(tái)更加穩(wěn)定。在文中分析的近場(chǎng)爆炸工況下，平臺(tái)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)滿足光測(cè)設(shè)備和試驗(yàn)需求。在試驗(yàn)時(shí)防護(hù)平臺(tái)的軸線應(yīng)盡量與爆源保持垂直，即沖擊波入射應(yīng)盡量垂直于端面。文中對(duì)于位移響應(yīng)的研究?jī)H考慮了水下爆炸沖擊波的作用，氣泡載荷頻率較低，當(dāng)氣泡作用防護(hù)平臺(tái)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大位移，但是氣泡作用于防護(hù)平臺(tái)的時(shí)刻要晚于沖擊波，當(dāng)氣泡作用到防護(hù)平臺(tái)時(shí)光測(cè)設(shè)備已工作完畢，故對(duì)于氣泡沒有進(jìn)行分析。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

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

焦安龍(1974—)，男，工程師，主要從事水中兵器及艦船抗沖擊試驗(yàn)總體技術(shù)研究;高浩鵬(1986—)，男，博士，工程師，主要從事水下爆炸試驗(yàn)測(cè)量與數(shù)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：焦安龍，高浩鵬，張姝紅.水下近場(chǎng)爆炸沖擊波作用下光測(cè)設(shè)備防護(hù)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(9):148-151.