舱内爆炸冲击波载荷特性试验研究.pdf

第45 卷第2 2 期2023年11月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.22Nov.,2023舱内爆炸冲击波载荷特性试验研究熊展12，巨圆圆，张春辉，张磊，乔赫廷2(1.海军研究院，北京市10 0 16 1；2.沈阳工业大学机械工程系，辽宁沈阳110 8 7 0)摘要：为研究舱内爆炸冲击波载荷特性，采用1：2 缩比舱室模型开展了舱内爆炸实验，获取正规反射测点、两壁面交汇角隅处反射测点和三壁面交汇角隅处反射测点的压力载荷数据，分析了不同位置测点压力载荷特性。在此基础上，通过对比试验数据与经验公式计算结果，总结出舱内不同位置处压力载荷计算模型。关键词：舱内爆炸；冲击波；载荷特性；计算模型中图分类号：U663.89文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 2-0 0 0 8-0 5Experimental research on loading characteristics of blast shock wave in cabinXIONG Zhan2,JU Yuan-yuan,ZHANG Chun-hui,ZHANG Lei,QIAO He-ting?(1.Naval Research Institute of PLA,Beijing 100161,China;2.School of Mechanical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)Abstract:In order to study the loading characteristics of blast shock wave in cabin,the explosion experiment with 1:2scaled cabin model was carried out.The pressure loading data at the normal reflection measurement points,the reflectionmeasurement points at the intersection of two walls and the reflection measurement points at the intersection of three wallswere obtained,and the pressure loading characteristics at different locations were analyzed.On this basis,by comparing theexperimental data with the calculation results from empirical formula,the calculation model of the pressure loading at differ-ent locations in cabin is summarized.Key words:explosion in cabin;shock wave;loading characteristics;calculation model0引言随着反舰导弹突防能力及毁伤威力大幅提升，反舰导弹已成为水面舰船主要威胁!。反舰导弹战斗部侵彻穿人舰船内部舱室，并在舱室内部爆炸，产生冲击波、准静态压力、破片，对舰船内部结构造成严重破坏2 。开展反舰导弹舱内爆炸载荷特性研究对于舰船水上防护结构设计和评估至关重要3 。与自由场环境相比，由于舰船舱室结构的反射作用，舱室内部爆炸冲击波传播过程非常复杂4。在舱室内壁面上，爆炸冲击波首先会发生正反射、斜反射以及马赫反射等，同时还伴随反射波追赶人射波等。其次，经舱壁反射后的冲击波会在舱壁中心汇聚，再次形成人射脉冲，随后载荷特性将更为复杂5-。针对舰船舱室内部爆炸冲击波载荷分布的问题：FYang等7收稿日期：2 0 2 2-11-0 3基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目(1190 2 3 5 6)作者简介：熊展（1996 一），男，硕士研究生，研究方向为舰艇爆炸毁伤与防护。文献标识码：Adoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.22.002通过有限元仿真，得到了密闭舱室内部典型测点处的超压时程曲线，分析得出当炸药位于箱形结构几何中心时，舱壁中心和角隅处承受的超压最大。朱建方8 对舱室在爆炸载荷下的响应过程进行了数值模拟，得出角隅处是舱室的薄弱区域。李伟等9开展缩比舱室内部爆炸模型试验，分析得出舱内爆炸冲击波在传播过程中遇到舱壁会发生反射并在角隅处汇聚，使角隅处结构发生破坏。侯海量等10 1也针对典型舱室结构开展了舱内爆炸模型实验，对舱内爆炸载荷特性进行了分析，得出舰艇结构除承受初始冲击波作用外，还将承受冲击波多次反复作用，舱室角隅处承受强度远大于壁面反射冲击波的汇聚波作用。目前针对舱室内部典型位置处爆炸载荷特性分析相对较少，没有舱内爆炸冲击波载荷计算模型。因此，有必要开展舱内爆炸冲击波载荷特性及计算模型研究。第45 卷设计1：2 缩尺比舱室模型，开展不同装药量下缩比舱室内爆试验，获取了正规反射测点，两壁面交汇角隅处测点和三壁面交汇角隅处测点的压力载荷数据，分析了舱内不同位置测点处压力载荷特性，并总结了舱内爆炸冲击波载荷计算模型。1 试验模型1.1舱室模型根据船舱典型舱室模型图纸，按照1：2 缩尺比设计缩比舱室模型。其外形尺寸为2 m1.5m1.75m，壁厚8 mm，外部焊接加强筋提高其刚度，材料为45号钢。1.2测点布置由于舱室内部壁面的反射作用使得密闭舱室内的冲击波变得复杂，不同特征点处呈现出不同的反射波形。为获得舱室内部不同位置的冲击波载荷特性，设置典型测点分别为正规反射测点、两壁面交汇角隅处反射冲击波测点和三壁面交汇角隅处反射冲击波测点。测点布置如图1所示，以舱室角隅处为原点建立直角坐标系，其中2 号和3 号为正规反射压力测点，1号为两壁面交汇角隅处压力测点，4号和5 号为三壁面交汇角隅处压力测点。试验时，炸药位于模拟舱室中心，测点位置及爆距见表1。PSL2m图1测点设计图Fig.1 Design of measuring point表1测点位置Tab.1 Measuring point location测点X/m1120.6513041.7350.031.3试验工况开展6 种不同装药量试验，TNT当量分别为10 g、熊展，等：舱内爆炸冲击波载荷特性试验研究单壁面反射超压图2 为单壁面典型反射超压曲线，可看出，2 0 gTNT装药量下2 号测点和3 号测点都有一个较大的首峰峰值，且为最大峰值。2 号测点和3 号测点都发生正规反射。首次起跳压力是冲击波在舱室壁面上发生了正规反射所致，后续多峰现象是由于舱室其他壁面反射的冲击波分别作用于2 号测点和3 号测点所形成的。200150100500-500246 81012141618:20t/ms(a)2号测点200150100500-50024681012214161820t/ms(b)3号测点图2 单壁面典型反射超压曲线Fig.2Typical reflection overpressure curvesat the single wall2.2两壁面交汇角隅处反射超压Y/mZ/m1.361.751.131.750.8250.880.141.751.490.049.20g、3 0 g、6 0 g、90 g 和12 0 g。试验时使用8 7 0 1炸药，密度为1.7 2 g/cm，爆炸威力相当于1.5 倍TNT当量，试验中8 7 0 1炸药分别为6.7 g、13.3 g、2 0 g、40 g、60 g 和 8 0 g。2舱内爆炸压力载荷特性2.1爆距/m两壁面交汇角隅处典型反射超压曲线如图3 所示。1.07可看出，1号测点冲击波峰值压力首次起跳后还未衰1.02减完毕时，会紧接着叠加一个和首峰峰值相当的冲击1.00波，呈现出“双峰”结构，随后较长一段时间内还会出现多个峰值，且衰减比较缓慢。根据1号测点“双1.29峰”超压时间差可判断“双峰”结构是冲击波在上壁1.48面和侧壁面反射形成的，第1个峰值超压由上壁面反射冲击波引起，第2 个峰值超压由侧壁面反射冲击波引起。随着装药量增加，冲击波初始能量越大，其传10图3 两壁面交汇角隅处典型反射超压曲线Fig.3 Typical reflection overpressure curves at theintersection of two walls播速度也就越快，“双峰”结构时间间隔越小。2.3三壁面交汇角隅处反射超压图4为三壁面交汇角隅处典型反射超压曲线。可看出，6 0 gTNT装药量下4号测点和5 号测点呈现出舰船科学技术120200100806040200-20-40-6002468101214161820/ms(a)10 g TNT200150100500-5002468101214161820/ms(b)20 g TNT300250200150100500-50-10002468101214161820t/ms(c)30 g TNT8006004002000-20002468101214161820t/ms(d)90 g TNT第45 卷1000-10004003002001000-1000图4三壁面交汇角隅处典型反射超压曲线Fig.4Typical reflection overpressure curves at theintersection of three walls明显的多峰现象，且接连出现多个峰值。由于三壁面交汇角隅处反射壁面较多，反射冲击波受到更多约束，因而4号测点和5 号测点的峰值超压衰减都非常缓慢。4号测点的多个峰值中往往首峰是最大值，后续多峰是经过其他壁面多次反射所造成。5 号测点相对于4号测点更加接近角隅处，5 号测点超压峰值每次起跳都比上次起跳峰值要高。3舱内爆炸压力载荷计算模型3.1单壁面反射超压载荷模型球状TNT在无限空气介质中，爆炸空气冲击波峰值超压经验公式为0：Pm=0.0 8 40.式中：Pm为冲击波超压，MPa；r 为爆距，m；W 为炸药TNT当量，kg。空气冲击波在壁面正规反射后，峰值超压经验公式：P,=2 Pm+7+APm5(a)4号测点510Time/ms(b)5号测点W6APi10Time/ms1515 0.27。rr熊展，等：舱内爆炸冲击波载荷特性试验研究203050100TNT/g.411因此，1号测点在3 0 g装药量以下发生正规反射，在30g装药量以上发生马赫反射。1号测点冲击波首峰峰值超压试验数据与理论计算结果见表3，试验值与理论计算值对比如图6 所示。6090150120(3)(4)表3 试验数据与理论计算结果Tab.3 Experimental data and theoretical valueTNT当量/g10试验数据/kPa85.24142.48理论计算/kPa69.2104.15160.89261.85353.56440.4160050040030020010000204060 80100120TNT/g图6 不同装药量下峰值超压试验值与理论值对比Fig.6Comparison of experimental data and theoretical valueundervarious charges利用正规反射和马赫反射对两壁面交汇角隅处反射冲击波首峰峰值超压进行计算。10 g和2 0 g按照正规反射计算，3 0 g以上装药量按照马赫反射计算，结果表明，试验值约为理论值的1.3 倍左右，正规反射峰值超压Pri和马赫反射峰值超压Pr2分别为：APr1=1.3(2Pm+Pr 2 =1.3 PmG(1+c o s b o)。3.3三壁面交汇角隅处反射超压载荷模型选取三壁面交汇角隅处4号测点进行分析，4号测W点人射角为47.4，=0.41。当装药量为12 0 g时，=0.3820.41。因此，4号测点不会发生马赫反射，采用正规反射经验公式计算反射冲击波首峰峰值超压，其试验值与理论值见表4，试验值与理论计算值对比如图7 所示。可看出，不同装药量下4号测点反射冲击波首峰峰值超压理论估算值和试验数据符合较好，装药量为60g时误差最大为2 4.0%，装药量为12 0 g时误差不到0.05%，平均误差不超过10%。因此，正规反射经验公20试验值理论值64P2m7+Pm3020860450.9379.23535.53(5)(6)9012012Tab.4Experimental data and theoretical valueTNT当量/g10试验数据/kPa48.5486.2593.78177.02 195.51231.69理论计算/kPa50.1873.4293.14143.99189.25231.78300250试验值+理论值2001501005000图7 不同装药量下峰值超压试验值与理论值对比（4号测点）Fig.7 Comparison of experimental data and theoretical valueunder various charges at No.4 measuring point式能够计算三壁面交汇角隅处反射冲击波首峰峰值超压。4结语1）单壁面测点压力载荷呈现明显多峰现象，首峰峰值最大，单壁面反射冲击波首峰峰值超压可采用正规反射经验公式进行计算。2）两壁面交汇角隅处测点压力载荷呈现“双峰”结构，“双峰”结构时间间隔随装药量增加逐渐变小。若发生正规反射，反射冲击波首峰峰值超压为正规反射经验公式计算结果的1.3 倍；若发生马赫反射，反射冲击波首峰峰值超压为马赫反射经验公式计算结果的1.3 倍。3）三壁面交汇角隅处测点压力载荷呈现明显多峰现象，且接连出现多个峰值，峰值超压衰减都非常缓慢。反射冲击波首峰峰值超压可采用正规反射经验公式进行计算。参考文献：1姚迪,罗刚，谢伟，等.裸装药舱内爆炸压力载荷规律研究.武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2 0 19,43(1):2 1-2 5.YAO Di,LUO Gang,XIE Wei,et al.Study on the law of ex-plosive pressure load in bare charge cabinJj.Journal of WuhanUniversity of Technology(Traffic Science and Engineering舰船科学技术表4试验数据与理论计算结果Edition),2019,43(1):21-25.2 HU Y,WU C,LUKASZEWICZ M,et al.Characteristics of203050100TNT/g第45 卷6090150120confined blast loading in unvented structuresJ.ProtectiveStruct,2011,2(1):21-43.【3 张磊，杜志鹏，高鹏，等.水面舰艇舱内爆炸毁伤载荷研究进展.中国科学：物理学力学天文学,2 0 2 1,5 1(12)：1-11.ZHANG Lei,DU Zhipeng,GAO eng,et al.Research progresson damage load of surface ship cabin explosionJ.ScientiaSinica Physica,Mechanica&Astronomica,2021,51(12):1-11.【4徐景林，顾文彬，刘建青，等.圆柱形爆炸容器内爆炸载荷的分布规律.振动与冲击,2 0 2 0,3 9(18):2 7 6-2 8 2.XU Jinglin,GU Wenbin,LIU Jianqing,et al.Distribution lawof explosion load in cylindrical explosion vesselJj.Journal ofVibration and Shock,2020,39(18):276-282.【5 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