潘建強(qiáng)，盛振新，毛海斌，劉建湖，張顯丕

（中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082）

水下爆炸條件下近藥包表面能量測試技術(shù)研究

潘建強(qiáng)，盛振新，毛海斌，劉建湖，張顯丕

（中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082）

為測量水下爆炸條件下近藥包表面的能量，提出基于預(yù)制飛片圓筒的水下爆炸條件下近藥包表面能量測試技術(shù)。首先，采用AUTODYN軟件，對水下爆炸條件下自由場和作用在飛片上的能流密度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過對比兩者隨爆距的變化規(guī)律，對預(yù)制飛片圓筒間接獲取近藥包表面能量的可行性進(jìn)行論證。然后，采用激光位移傳感器和探針測量爆炸后的飛片速度，進(jìn)而將飛片的動(dòng)能除以面積計(jì)算得到作用在飛片上的能流密度。將能流密度的測試值與計(jì)算值進(jìn)行對比，兩者基本一致，表明采用預(yù)制飛片圓筒來測量水下爆炸條件下近藥包表面的能量是可行的，同時(shí)驗(yàn)證飛片速度測量系統(tǒng)的有效性，為近藥包表面載荷特性的理論研究和試驗(yàn)測試提供技術(shù)基礎(chǔ)。

預(yù)制飛片圓筒；水下爆炸；近藥包表面能量；測試技術(shù)

0　引　言

水下爆炸條件下近藥包表面能量由于涉及復(fù)雜的物質(zhì)交換、熱交換、液固汽相互作用等問題，一直以來都是研究難點(diǎn)。目前對于該問題的研究大多采用理論分析和數(shù)值仿真，而試驗(yàn)研究未見報(bào)道，究其原因是測試技術(shù)的缺失給水下爆炸近藥包表面載荷特性的深入研究帶來了極大困難。

對于近藥包表面能量的試驗(yàn)測試，較為理想的方式是直接測量自由場壓力時(shí)程，然后將其積分得到能量。然而，目前僅能測得6倍藥包半徑（藥包半徑指藥包中心到藥包表面的距離，用R0表示）以外的壓力時(shí)程，而R0～6R0范圍內(nèi)的自由場壓力時(shí)程未見報(bào)道。鑒于此，直接測量方式目前難以實(shí)現(xiàn)水下爆炸條件下近藥包表面能量的測量。

在空爆條件下，Manfred Held［1］利用效應(yīng)物法研究了柱形炸藥近場動(dòng)能分布，首先在炸藥周圍布置若干個(gè)圓柱鋁筒，然后測量爆炸拋擲下各個(gè)鋁筒的位移，再根據(jù)時(shí)間得到速度，從而得到動(dòng)能。受此啟發(fā)，本文創(chuàng)新性地提出基于預(yù)制飛片圓筒的效應(yīng)物法，首先通過測量獲取爆炸驅(qū)動(dòng)飛片的速度，然后計(jì)算得到飛片的動(dòng)能，再根據(jù)飛片面積得到水下爆炸條件下近藥包表面的能流密度。

本文首先采用AUTODYN有限元軟件，對自由場和預(yù)制飛片圓筒的能流密度進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，通過對比兩者隨爆距的變化規(guī)律，對預(yù)制飛片圓筒表征近藥包表面能量的可行性進(jìn)行了論證。在此基礎(chǔ)上，開展了預(yù)制飛片圓筒試驗(yàn)，采用激光位移傳感器和探針測量飛片速度，并將能流密度的測試結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比，分析了測試結(jié)果的有效性。本文建立的水下爆炸條件下近藥包表面能量測試技術(shù)為近藥包表面載荷特性的理論研究和試驗(yàn)測試提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

1　測試方法可行性論證

本文采用預(yù)制飛片圓筒作為效應(yīng)物，間接獲取水下爆炸條件下近藥包表面的能量。對于該測試方法的可行性，下面將采用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行論證。具體思路為：1）首先，建立一維Wedge模型，計(jì)算水下爆炸R0～6R0距離處的自由場壓力，將計(jì)算值與理論值進(jìn)行對比，從而驗(yàn)證計(jì)算方法的正確性；2）在此基礎(chǔ)上，建立三維預(yù)制飛片圓筒模型，為了保證輸入載荷的正確性，將一維自由場壓力計(jì)算結(jié)果映射到三維模型中，然后計(jì)算得到飛片的速度時(shí)程；3）將自由場壓力積分得到能流密度，同時(shí)將飛片速度轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，根據(jù)飛片面積，得到飛片的能流密度，在此基礎(chǔ)上，將飛片的能流密度與自由場的能流密度進(jìn)行對比，若兩者隨爆距變化趨勢是一致的，則表明采用預(yù)制飛片圓筒間接獲取近藥包表面能量的測試方法是可行的。

1.1計(jì)算方法驗(yàn)證

1.1.1計(jì)算模型

圖1為采用AUTODYN軟件建立的一維Wedge模型，水域尺寸為500 mm，網(wǎng)格數(shù)量為1 500，裝藥為80g TNT球藥，半徑為22.7mm。為了得到自由場壓力，在R0～6R0距離處設(shè)置了6個(gè)測點(diǎn)。

圖1　自由場壓力計(jì)算模型

1.1.2材料參數(shù)

TNT采用JWL狀態(tài)方程，其形式如下：

式中：E——單位質(zhì)量內(nèi)能；

V——相對體積；

A、B、R1、R2、ω——與TNT相關(guān)的待定系數(shù)。

具體參數(shù)見表1。

表1　TNT的狀態(tài)方程的參數(shù)

水下爆炸近藥包表面的水在某一時(shí)刻某一區(qū)域可能是液態(tài)、氣態(tài)或液態(tài)和氣態(tài)的混合狀態(tài)，因此在數(shù)值計(jì)算時(shí)水采用基于Shock狀態(tài)方程的Two-Phase狀態(tài)方程，其形式為

通常情況下取s2=0，則有：

式中，c0取1647m/s，S1取1.921。

1.1.3計(jì)算結(jié)果與分析

基于以上模型，計(jì)算得到R0～6R0距離處的自由場壓力時(shí)程曲線如圖2所示。目前，R0距離處的沖擊波峰壓有文獻(xiàn)實(shí)測值［2］，6R0距離處的沖擊波峰壓可根據(jù)Cole經(jīng)驗(yàn)公式［3］得出，而2R0～5R0距離處的沖擊波峰值壓力無廣泛認(rèn)可的理論公式。鑒于此，表2中僅將R0和6R0距離處峰值壓力的計(jì)算結(jié)果與理論值進(jìn)行對比，偏差分別為5.2%和2.6%，由此可認(rèn)為數(shù)值計(jì)算方法是正確的。

表2　計(jì)算峰壓與理論峰壓的對比

圖2　計(jì)算得到的自由場壓力時(shí)程曲線

將圖2中自由場壓力時(shí)程曲線按照

進(jìn)行積分，得到水下爆炸近藥包表面自由場的能流密度，如表3所示。其中θ為沖擊波時(shí)間衰減常數(shù)，根據(jù)壓力從最大衰減到其1/e確定，ρ為水的密度，c為水中聲速。

表3　自由場能流密度

1.2預(yù)制飛片圓筒計(jì)算

圖3為三維預(yù)制飛片圓筒計(jì)算模型，圓筒外部為空氣，內(nèi)部為水，球形藥包位于圓筒正中心?？諝庥?yàn)殚L方形，邊長為3倍藥包半徑，高與圓筒高度相同，網(wǎng)格數(shù)量為80×80×80，采用非均勻網(wǎng)格。為了保證輸入正確的載荷，同時(shí)節(jié)省計(jì)算時(shí)間，將一維自由場計(jì)算模型映射到三維預(yù)制飛片圓筒計(jì)算模型中。

預(yù)制飛片圓筒壁厚為5 mm，由上、下過渡筒和3層預(yù)制飛片組成，層與層之間不連接。為了保證每個(gè)飛片的尺寸和質(zhì)量相同，飛片數(shù)量根據(jù)圓筒直徑確定。為了消除自由面效應(yīng)，過渡筒的高度大于圓筒直徑。預(yù)制飛片圓筒尺寸如表4所示，材料為Q235。

表4　預(yù)制飛片圓筒尺寸

計(jì)算得到的飛片速度時(shí)程曲線如圖4所示，其中3R0～6R0工況的飛片速度存在明顯的爆轟產(chǎn)物二次加載現(xiàn)象，而R0和2R0兩工況的飛片速度沒有此現(xiàn)象，這是因?yàn)闆_擊波和爆轟產(chǎn)物在R0和2R0處尚未完全分離。根據(jù)飛片速度時(shí)程曲線，將飛片速度統(tǒng)計(jì)在表5中，同時(shí)根據(jù)飛片參數(shù)，按照下式

圖3　預(yù)制飛片圓筒計(jì)算模型（R0工況）

圖4　飛片速度計(jì)算結(jié)果

表5　飛片速度及能流密度計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得到其能流密度，其中m為飛片質(zhì)量，ν為飛片速度，s為飛片面積。

1.3自由場和飛片能流密度對比

將自由場的能流密度和飛片的能流密度進(jìn)行對比，結(jié)果列于表6中。由于流固相互作用時(shí)飛片不可能完全吸收自由場能量，R0～6R0工況條件下，飛片的能流密度均小于自由場的能流密度。

表6　自由場和飛片能流密度對比

3R0～6R0工況條件下，飛片的能流密度與自由場能流密度的比值在60%～70%范圍內(nèi)，比較一致。而R0和2R0兩工況條件下能流密度比值差別較大。根據(jù)自由場壓力計(jì)算結(jié)果，R0和2R0距離處的壓力為GPa級，而根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)理論，材料在此條件下接近于類流體，但AUTODYN中Q235的狀態(tài)方程并沒有考慮這一現(xiàn)象，因此，R0和2R0兩工況的能流密度可能不符合實(shí)際情況。

將3R0～6R0工況下的自由場和飛片的能流密度在圖5中表示，從圖中可以看出，自由場和飛片的能流密度隨著爆距的變化趨勢是基本一致的。

圖5　自由場和飛片能流密度隨爆距變化趨勢

綜上，通過測量預(yù)制飛片圓筒的飛片速度來間接獲取水下爆炸條件下近藥包表面能量是可行的，但是還需開展以下工作：1）需確定飛片能流密度與自由場能流密度之間的換算關(guān)系，可通過數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)測試等方式進(jìn)行研究，目前該項(xiàng)工作正在開展，此處不再介紹；2）需建立可靠的速度測量系統(tǒng)，獲取準(zhǔn)確的飛片速度。下文將對第2項(xiàng)工作進(jìn)行研究。

2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水下爆炸條件下近藥包表面能量的測量難度較大，為了獲取準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)保證安全，必須對試驗(yàn)過程進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，包括預(yù)制飛片圓筒的設(shè)計(jì)、藥包的精確定位、飛片收集裝置的設(shè)計(jì)和飛片速度測量系統(tǒng)等。

2.1試驗(yàn)總體設(shè)計(jì)

試驗(yàn)總體設(shè)計(jì)如圖6所示，預(yù)制飛片圓筒放置在飛片收集裝置內(nèi)，探針固定在支架上，垂直指向飛片，激光位移傳感器固定在支架上，位于飛片收集裝置外側(cè)，激光通過飛片收集裝置上的狹長開孔打在飛片上。

圖6　試驗(yàn)總體設(shè)計(jì)

2.2預(yù)制飛片圓筒

預(yù)制飛片圓筒如圖7所示，其參數(shù)均與數(shù)值計(jì)算模型一致。試驗(yàn)時(shí)，圓筒內(nèi)部裝水，因此在底部和預(yù)制飛片處進(jìn)行水密處理。

試驗(yàn)用裝藥為80 g球形TNT，與數(shù)值計(jì)算模型一致。

2.3藥包定位

為了各個(gè)方向飛片獲得相同的能量，需精確控制藥包位置，使其位于圓筒中心，為此設(shè)計(jì)了圖8所示的藥包定位裝置。該裝置由定位盤和定位桿組成，定位盤一大一小形成臺(tái)階，小盤直徑與圓筒內(nèi)徑為負(fù)裝配公差。試驗(yàn)時(shí)，藥包上端緊貼定位桿，將定位盤的臺(tái)階卡在圓筒上端面，如此定位盤可保證藥包與圓筒同軸，定位桿可保證藥包中心與中間層飛片中心持平。

圖7　預(yù)制飛片圓筒

圖8　藥包定位裝置及其安裝

2.4飛片收集裝置

為了收集飛片，設(shè)計(jì)了飛片收集裝置，該裝置為邊長1 300 mm，高度1 000 mm的正方形鋼殼，殼體厚度為10 mm，鋼殼內(nèi)部敷設(shè)5 mm×20 mm的木板?？紤]到試驗(yàn)時(shí)會(huì)有飛片及其他飛濺物，飛片收集裝置可同時(shí)起到防護(hù)作用。

2.5速度測量系統(tǒng)

爆炸驅(qū)動(dòng)下結(jié)構(gòu)的速度通常采用高速攝像［4-6］和激光干涉技術(shù)［7-10］測量，鑒于試驗(yàn)時(shí)水先于飛片飛出，高速攝像難以分辨，而激光干涉技術(shù)成本較高，因此，本試驗(yàn)采用激光位移傳感器和探針兩種方式來測量飛片速度。其中，探針用來測量飛片的最大速度，激光位移傳感器用來獲取飛片的加載時(shí)程。

激光位移傳感器有效測量范圍為240～440mm，采樣頻率為400 kHz，其布置方式如圖9所示。

圖9　激光位移傳感器及其布置

探針采用斷-通原理，當(dāng)受到飛片撞擊時(shí)，探針的兩極導(dǎo)通，產(chǎn)生脈沖信號(hào)。兩個(gè)探針作為一個(gè)速度測點(diǎn)，探針前端具有距離差，根據(jù)飛片撞擊探針信號(hào)的時(shí)間差得到飛片的速度。

試驗(yàn)時(shí)，兩根探針分別通過獨(dú)立的外套管將信號(hào)線引出。將外套管固定在支架上，對準(zhǔn)預(yù)制飛片，與飛片的距離約為10mm，如圖10所示。

圖10　探針布置

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，3R0～6R0工況條件下，當(dāng)飛片達(dá)到?jīng)_擊波階段最大速度時(shí)，其位移均小于10mm，因此試驗(yàn)時(shí)探針前端距筒壁10mm。而R0～2R0工況條件下的飛片接近類流體狀態(tài)，變形較大，導(dǎo)致探針測速結(jié)果可能與實(shí)際不符，但是試驗(yàn)時(shí)仍然將探針與筒壁的距離布置為10mm。

2.6測試結(jié)果與分析

2.6.1飛片收集

試驗(yàn)后收集到的飛片如圖11所示，其中3R0～6R0工況的飛片均為單個(gè)形式，且形狀規(guī)則。而R0、2R0工況的飛片發(fā)生了較大變形，尤其R0工況的飛片發(fā)生了破裂，大小不一，且表面存在燒蝕現(xiàn)象，這表明該工況下的流固相互作用更加復(fù)雜，結(jié)構(gòu)接近于類流體，與上文數(shù)值計(jì)算結(jié)果的分析結(jié)論是一致的。

圖11　收集到的飛片

2.6.2探針測試結(jié)果

圖12為典型探針測試曲線，飛片撞擊之后，電路導(dǎo)通，電壓瞬間出現(xiàn)上升，由于電路震蕩，上升電壓大于電池供電電壓，之后逐漸平穩(wěn)。根據(jù)前后脈沖的時(shí)間差和探針的距離可得到飛片的速度。飛片速度的探針測試結(jié)果列于表7中，其中工況1和4中只有兩個(gè)測點(diǎn)有效。

圖12　典型工況探針測試結(jié)果

表7　探針測試飛片速度結(jié)果

2.6.3激光位移測試結(jié)果

圖13　工況3R0、4R0、5R0、6R0的飛片位移

R0～2R0工況條件下，由于飛片接近于類流體狀態(tài)，發(fā)生了較大變形，激光的反射面不平整，因此，激光位移傳感器測得飛片位移時(shí)程抖動(dòng)較大，此處不再介紹。圖13為工況3R0～6R0條件下激光位移傳感器的測試結(jié)果，從圖中可以看出，起爆后，飛片從靜止?fàn)顟B(tài)開始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)飛片運(yùn)動(dòng)到傳感器的盲區(qū)，其后續(xù)數(shù)據(jù)無效。

將位移時(shí)程曲線進(jìn)行微分，得到飛片的最大速度，列于表8中。

表8　激光位移飛片速度結(jié)果

3　測試方法有效性分析

將3R0～6R0工況條件下的激光位移和探針測試得到的能流密度與計(jì)算的能流密度進(jìn)行對比，結(jié)果列于表9中。從表中可以看出，激光位移測試結(jié)果與計(jì)算值的偏差較小，約為±15%，而探針測試結(jié)果與計(jì)算值的偏差較大，約為±24%，說明激光位移較探針精度更高。

表9　能流密度對比

將能流密度隨爆距變化規(guī)律在圖14中表示。從圖中可以看出，激光和探針的能流密度與計(jì)算值基本是一致的，表明飛片速度測量系統(tǒng)是有效的。

圖14　能流密度隨爆距變化規(guī)律

4　結(jié)束語

本文創(chuàng)新性地提出了基于預(yù)制飛片圓筒的水下爆炸條件下近藥包表面能量測試技術(shù)。首先采用AUTODYN有限元軟件，對自由場和預(yù)制飛片圓筒的能流密度進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，通過對比兩者隨爆距的變化規(guī)律，對預(yù)制飛片圓筒間接獲取近藥包表面能量的可行性進(jìn)行了論證。在此基礎(chǔ)上，開展了預(yù)制飛片圓筒試驗(yàn)，采用激光位移傳感器和探針測量飛片速度，并將能流密度的測試結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比，對測試結(jié)果的有效性進(jìn)行了分析。通過本文的研究，得到結(jié)論如下：

1）采用預(yù)制飛片圓筒間接獲取水下爆炸條件下近藥包表面能量的測試技術(shù)是可行的。

2）采用激光位移傳感器和探針測得的飛片速度是有效的。

3）R0和2R0工況條件下，飛片接近于類流體，變形較大，導(dǎo)致飛片速度測量結(jié)果可能與實(shí)際情況不符。今后將對飛片速度系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以獲取更為準(zhǔn)確的飛片速度。

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（編輯：李妮）

Research on the measurement technology of energy near the charge for underwater explosion

PAN Jianqiang，SHENG Zhenxin，MAO Haibin，LIU Jianhu，ZHANG Xianpi
（China Ship Scientific Research Center，Wuxi 214082，China）

In order to measure the energy near the charge surface for underwater explosion，a pre-grooved cylinder was proposed to measure the energy near the charge.At first，the energy density in the free field and on the flyer were calculated with AUTODYN，the changes in energy densityasdistancechangeswerecompared，whichdemonstratedthefeasibilityofenergy measurement with pre-grooved cylinder.Then，the laser displacement sensor and probe were used to measure the flyer velocity.Based on the velocity，the energy density on the flyer could be calculated.Then，the measured energy density on the flyer and energy density in the free field were compared，and they were found accordant.The results prove that the pre-grooved cylinder could be used to measure the energy near the charge surface，which could provide technology supportfortheoreticalresearchandexperimentmeasurementofunderwaterexplosionload characteristics near the charge.

pre-grooved cylinder；underwater explosion；energy near the charge；measurement technology

A

1674-5124（2016）10-0001-08

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.001

2016-04-13；

2016-05-25

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51409234）

潘建強(qiáng)（1971-），男，江蘇丹陽市人，研究員，碩士，主要從事爆炸與沖擊測試技術(shù)研究。