徐維錚, 黃 宇, 李業(yè)勛, 趙宏濤, 鄭賢旭

管內(nèi)小藥量水下爆炸平面沖擊波形成方法及其應(yīng)用

徐維錚, 黃 宇, 李業(yè)勛, 趙宏濤, 鄭賢旭

(中國(guó)工程物理研究院 流體物理研究所, 四川 綿陽(yáng), 621999)

水下爆炸過(guò)程中存在沖擊波、氣泡、沖擊波繞射等多種效應(yīng)的耦合, 給水下爆炸毀傷機(jī)理的研究帶來(lái)了一定難度。為了對(duì)上述多種效應(yīng)進(jìn)行解耦, 文中提出一種管內(nèi)小藥量水下爆炸平面沖擊波形成方法, 采用數(shù)值仿真和理論分析對(duì)管內(nèi)水下爆炸平面沖擊波的衰減規(guī)律進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明: 在管道端部放置裝藥配合端面起爆, 可在管內(nèi)形成指數(shù)衰減形式的平面沖擊波; 理論模型與數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合較好, 可給出沖擊波超壓峰值隨距離的衰減關(guān)系, 以及不同時(shí)刻沖擊波的陣面位置。最后給出了該試驗(yàn)方法在水下爆炸加載典型結(jié)構(gòu)件毀傷效應(yīng)和流固耦合作用機(jī)理研究的應(yīng)用場(chǎng)景。研究成果可為水下爆炸毀傷評(píng)估提供參考。

水下爆炸; 平面沖擊波; 沖擊加載; 流固耦合

0 引言

隨著現(xiàn)代精確制導(dǎo)武器和高速水中兵器的快速發(fā)展, 艦艇在服役過(guò)程中受到水下爆炸沖擊的威脅越來(lái)越多, 如何提高艦艇結(jié)構(gòu)的抗爆、抗沖擊能力成為了衡量艦艇生命力的重要指標(biāo)之一。

傳統(tǒng)的艦艇結(jié)構(gòu)水下爆炸抗沖擊測(cè)試主要在爆炸水池或爆炸水箱中開(kāi)展。然而此類測(cè)試不僅涉及繁雜的試驗(yàn)協(xié)調(diào)準(zhǔn)備, 同時(shí)試驗(yàn)可控性和重復(fù)性較差; 除了沖擊波載荷外, 無(wú)法有效避免氣泡脈動(dòng)載荷以及自由面、繞射稀疏效應(yīng)對(duì)沖擊波加載過(guò)程的影響。針對(duì)傳統(tǒng)研究方法中所存在的問(wèn)題, 研究者們發(fā)展了在管內(nèi)產(chǎn)生水下爆炸沖擊波的試驗(yàn)仿真方法[1]。

其中一種方法是通過(guò)克級(jí)裝藥在錐形激波管內(nèi)形成水下爆炸沖擊波。Filler[2]首先提出了錐形激波管水下爆炸試驗(yàn)裝置的原理。Coombs 等[3]對(duì)錐形管內(nèi)原始沖擊波和膨脹波的繞射疊加過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算, 認(rèn)為采用該原理可以實(shí)現(xiàn)小藥量下的大沖擊波幅值加載。Zalesak 等[4]在該原理基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了錐形激波管, 用于美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí), 在錐形管內(nèi)裝滿水, 尖頭一端填裝少量炸藥, 寬頭一端放置試件, 見(jiàn)圖1。

圖1 錐形激波管原理和實(shí)物圖Fig. 1 Principle of conical shock tube and on-site picture

Heshmati 等[5-6]采用數(shù)值仿真方法探討了錐形激波管的長(zhǎng)度、錐角和藥量等因素對(duì)沖擊波載荷的影響規(guī)律, 并采用長(zhǎng)3.105 m, 錐角為3.2°的錐形沖擊管, 對(duì)不同厚度、不同材料的金屬板進(jìn)行了水下爆炸加載響應(yīng)試驗(yàn)。Leblanc 等[7-9]采用長(zhǎng)度為5.25 m, 錐角為2.6°的錐形激波管裝置對(duì)含聚脲涂層和玻璃內(nèi)芯的復(fù)合材料層合板的抗爆性能進(jìn)行了研究, 詳細(xì)分析了管內(nèi)發(fā)生的流固相互作用過(guò)程。

另一種方法是通過(guò)輕氣炮發(fā)射高速飛片撞擊活塞的非裝藥加載方式在管內(nèi)形成水下爆炸沖擊波。Deshpande 等[10]提出了一種非裝藥的水下爆炸沖擊波仿真試驗(yàn)裝置, 并對(duì)形成的沖擊波載荷傳播規(guī)律和參數(shù)進(jìn)行理論分析。Espinosa 等[11]考慮縮比條件和輕氣炮口徑條件的約束, 設(shè)計(jì)了一種“擴(kuò)散型”的非裝藥水下沖擊加載裝置, 該裝置主體為圓錐形水倉(cāng), 通過(guò)輕氣炮系統(tǒng)發(fā)射飛片撞擊圓錐形水倉(cāng)獲得沖擊載荷, 如圖2 所示。項(xiàng)大林[12]、任鵬[13]、楊一方等[14]也對(duì)此類裝置開(kāi)展了設(shè)計(jì)和研究, 并基于該裝置開(kāi)展了典型復(fù)合材料構(gòu)件的沖擊加載特性研究[15-17]。

圖2 非藥式水下爆炸沖擊加載裝置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of non-explosive underwater shock loading device

對(duì)上述研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析可知, 錐形激波管是一種基于裝藥的水下爆炸沖擊波形成方式, 其優(yōu)點(diǎn)是采用較小的藥量能較好地仿真水下沖擊波載荷, 然而其存在如下缺點(diǎn): 1) 裝藥在錐形管內(nèi)爆炸,導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)壁較厚, 結(jié)構(gòu)加工復(fù)雜, 整體裝置笨重等; 2) 沖擊波在試件和管壁之間的多次反射會(huì)導(dǎo)致對(duì)試件的額外加載。

非裝藥水下爆炸沖擊波仿真裝置可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)反復(fù)使用, 為水下沖擊載荷作用下金屬/復(fù)合結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性研究提供了很好的試驗(yàn)手段, 然而其存在如下缺點(diǎn): 1) 裝置復(fù)雜、成本較高, 試驗(yàn)需要較為復(fù)雜的操作流程; 2) 形成的沖擊波波形局部震蕩問(wèn)題較嚴(yán)重, 波形不夠平滑; 3) 沖擊波在試件和活塞之間的多次反射也會(huì)導(dǎo)致對(duì)試件的額外加載。

為此, 文中提出一種管內(nèi)小藥量水下爆炸平面沖擊波形成方法, 采用等直徑圓管模擬水倉(cāng), 避免沖擊波在傳播路徑中的變截面問(wèn)題; 裝藥在圓管端部采用單點(diǎn)/多點(diǎn)起爆方式以在水中形成平面沖擊波。該試驗(yàn)方法可用于開(kāi)展水下爆炸沖擊波加載下典型結(jié)構(gòu)件毀傷效應(yīng)和流固耦合作用機(jī)理研究, 為水下爆炸毀傷評(píng)估研究提供參考。

1 數(shù)值仿真

1.1 數(shù)值計(jì)算模型

由于圓管的對(duì)稱性, 數(shù)值仿真采用二維軸對(duì)稱模型, 圓管長(zhǎng)度為600 mm, 管徑為60 mm; 為在管內(nèi)形成平面沖擊波, TNT 裝藥直徑與管徑相同取值為60 mm, 裝藥高度H0分別為5、10、20 mm, 裝藥左端面采用平面起爆的方式。在數(shù)值計(jì)算中,裝藥位置分為2 種: 1) 裝藥放置在管內(nèi)且管左端面為約束狀態(tài), 見(jiàn)圖3(a); 2) 裝藥放置在管外, 裝藥右端面緊貼管道左端面, 見(jiàn)圖3(b)。

圖3 計(jì)算域圖Fig. 3 Computational domain

水下爆炸沖擊波傳播速度較快, 當(dāng)管壁約束足夠強(qiáng)時(shí), 可不考慮管壁對(duì)沖擊波傳播的影響, 因此在數(shù)值計(jì)算中將管壁設(shè)置為剛性壁面, 空氣域邊界設(shè)置為無(wú)反射邊界, 網(wǎng)格尺寸統(tǒng)一設(shè)置為0.5 mm。

采用Autodyn 中二維軸對(duì)稱多物質(zhì)歐拉求解器進(jìn)行求解, 其中水的狀態(tài)采用多項(xiàng)式狀態(tài)方程描述, 其在壓縮狀態(tài)μgt;0 和拉伸狀態(tài)μlt;0 的表達(dá)式分別為

式中:μ=ρ/ρ0?1,ρ為水壓縮后的密度;ρ0為水的初始密度;A1、A2、A3、B0、B1、T1、T2為材料參數(shù), 取值見(jiàn)表1。

表1 水的材料參數(shù)Table 1 Material parameters of water

TNT 炸藥爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)采用Jones-Wilkins-Lee 狀態(tài)(方程描述), 其表達(dá)(式為)

式中:V為相對(duì)比容;A、B、R1、R2、w為炸藥材料參數(shù), 具體數(shù)值見(jiàn)表2。表中ρe為炸藥密度;pCJ為爆轟壓力;DCJ為爆轟速度。

表2 TNT 炸藥的材料參數(shù)Table 2 Material parameters of TNT

空氣的狀態(tài)采用理想氣體狀態(tài)方程描述, 其表達(dá)式為

式中,γa=1.4 為空氣的絕熱指數(shù)。

1.2 數(shù)值仿真結(jié)果與分析

圖4、圖5 分別給出裝藥高度H0=5 mm, 放置于管內(nèi)/管外爆炸工況下, 不同時(shí)刻管道內(nèi)沖擊波傳播過(guò)程壓力云圖。

圖4 典型時(shí)刻壓力計(jì)算云圖(H0=5 mm, 裝藥在管內(nèi))Fig. 4 Computational contour of pressure at typical times with explosives inside the tube(H0=5 mm)

圖5 典型時(shí)刻壓力計(jì)算云圖(H0=5 mm 裝藥在管外)Fig. 5 Computational contour of pressure at typical times with explosives outside the tube(H0=5 mm)

分析圖4、圖5 可知, 2 種裝藥放置方式均能在管內(nèi)形成較好的平面沖擊波。當(dāng)裝藥放置在管外時(shí), 部分裝藥能量用于在空氣中形成沖擊波, 導(dǎo)致只有部分能量用于在水中形成沖擊波, 使得沖擊波傳播速度隨傳播距離衰減較快。

圖6、圖7 分別給出裝藥高度H0=5 mm, 放置于管內(nèi)/管外爆炸工況下, 典型測(cè)點(diǎn)處超壓時(shí)間歷程曲線。

分析圖6、圖7 可知, 2 種裝藥放置方式均能在管內(nèi)形成指數(shù)衰減形式的沖擊波, 可較好仿真真實(shí)水下爆炸沖擊波波形。當(dāng)裝藥放置在管外時(shí),由于能量損失, 沖擊波超壓峰值隨傳播距離衰減較快, 定點(diǎn)位置處的超壓隨時(shí)間衰減速率也較快。

2 沖擊波衰減規(guī)律分析

在文獻(xiàn)[18]研究的基礎(chǔ)上, 基于一維沖擊波理論、水的非線性D-u關(guān)系和能量法對(duì)其建立近似分析模型, 可求解得到管內(nèi)不同時(shí)刻沖擊波陣面的位置和超壓峰值隨傳播距離的衰減計(jì)算公式。

圖6 典型測(cè)點(diǎn)位置超壓時(shí)間歷程曲線(H0=5 mm, 裝藥在管內(nèi))Fig. 6 Time-history curves of overpressure at typical locations with explosives inside the tube(H0=5 mm)

圖7 典型測(cè)點(diǎn)位置超壓時(shí)間歷程曲線(H0=5 mm 裝藥在管外)Fig. 7 Time-history curves of overpressure at typical locations with explosives outside the tube(H0=5 mm)

2.1 分析模型

沖擊波陣面質(zhì)量、動(dòng)量和能量關(guān)系采用如下方程進(jìn)行描述

式中:D為沖擊波速度;u為沖擊波后粒子速度;p為沖擊波陣面壓力;E為單位質(zhì)量水的總能量(內(nèi)能和動(dòng)能)。

水的非線性D-u關(guān)系為

根據(jù)式(4)可將總能跳躍關(guān)系表達(dá)為波后粒子速度的關(guān)系, 即

按文獻(xiàn)[18]中思路, 令總能跳躍關(guān)系式為

式中:H為沖擊波傳播距離;S為管道截面積;Q為炸藥爆炸釋放的總能量;α為無(wú)量綱比例常數(shù)。α的求解可根據(jù)爆炸初始界面時(shí)刻取極限得到, 即

在爆炸初始時(shí)刻, 水和爆轟產(chǎn)物界面兩側(cè)滿足壓力和流體速度的連續(xù)條件, 初始界面處水介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)速度u*和壓力p*分別為[19]

式中,γ為炸藥爆轟產(chǎn)物絕熱指數(shù)。聯(lián)立式(9)和式(5), 采用牛頓迭代法可求解得到爆炸初始時(shí)刻水中沖擊波的狀態(tài)參數(shù), 進(jìn)而得到式(8)中無(wú)量綱比例常數(shù)α的數(shù)值。

根據(jù)式(6)和式(7)建立沖擊波波后粒子速度與沖擊波傳播距離之間的關(guān)系

將式(5)代入式(4)中第1 式可得

進(jìn)一步將式(11)代入式(10)可得沖擊波波后粒子速度與傳播距離的關(guān)系

根據(jù)式(12)可知, 可通過(guò)牛頓迭代法獲得沖擊波各物理量與傳播距離的衰減變化關(guān)系, 同時(shí)根據(jù)沖擊波傳播速度和距離的關(guān)系

可得不同時(shí)刻沖擊波陣面的位置。

2.2 分析模型與數(shù)值對(duì)比

圖8、圖9 分別給出3 種裝藥高度, 放置于管內(nèi)/管外爆炸工況下, 不同無(wú)量綱比值H/H0處超壓峰值數(shù)值與理論對(duì)比結(jié)果, 通過(guò)理論與數(shù)值的對(duì)比發(fā)現(xiàn), 當(dāng)裝藥在管外時(shí)β=1/3, 即僅有1/3 裝藥的能量用于在水中形成沖擊波。

圖8 不同無(wú)量綱比值H/H0 超壓峰值數(shù)值與理論對(duì)比曲線(裝藥在管內(nèi))Fig. 8 Curves of numerical and theoretical overpressure at different values of H/H0 with explosives inside the tube

圖9 不同無(wú)量綱比值H/H0 超壓峰值數(shù)值與理論對(duì)比曲線(裝藥在管外)Fig. 9 Curves of numerical and theoretical overpressure at different values of H/H0 with explosives outside the tube

圖10、圖11 分別給出3 種裝藥高度, 放置于管內(nèi)/管外爆炸工況下, 沖擊波陣面位置隨時(shí)間變化關(guān)系數(shù)值與理論對(duì)比結(jié)果, 兩者吻合較好, 說(shuō)明文中給出的管內(nèi)沖擊波計(jì)算模型具有一定的可靠性, 可在后期用于快速給出管道內(nèi)沖擊波傳播規(guī)律, 同時(shí)也可為管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

圖10 沖擊波陣面位置隨時(shí)間變化關(guān)系數(shù)值與理論對(duì)比曲線(裝藥在管內(nèi))Fig. 10 Curves of numerical and theoretical locations of shock waves at different time with explosives inside the tube

圖11 沖擊波陣面位置隨時(shí)間變化關(guān)系數(shù)值與理論對(duì)比曲線(裝藥在管外)Fig. 11 Curves between numerical and theoretical locations of shock waves at different time with explosives outside the tube

3 應(yīng)用實(shí)例

下文首先探討了真實(shí)試驗(yàn)中起爆方式的選擇,接著給出了該試驗(yàn)方法的3 個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

3.1 起爆方式選擇

平面波發(fā)生器是驅(qū)動(dòng)裝藥形成平面波的有效手段, 采用端面起爆方式(即類似平面波發(fā)生器)對(duì)管道內(nèi)沖擊波傳播進(jìn)行數(shù)值仿真。然而在實(shí)際的加載試驗(yàn)中, 希望采取盡可能簡(jiǎn)單的方式獲得所需要的壓力波形, 由于重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域?yàn)楣艿篮蠖?爆炸遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域) 的壓力分布, 為此, 應(yīng)采取不同的起爆方式觀察管道內(nèi)壓力波傳播的歷程。

圖12 給出了單點(diǎn)中心起爆沖擊波傳播云圖及典型測(cè)點(diǎn)壓力。分析可知, 單點(diǎn)起爆后, 在爆炸初期沖擊波陣面呈現(xiàn)近似弧面, 后續(xù)傳播過(guò)程中由于管壁的約束, 逐漸演化為近似平面波進(jìn)行傳播。圖13 給出了多點(diǎn)起爆沖擊波傳播云圖及典型測(cè)點(diǎn)壓力, 分析可知, 多點(diǎn)起爆后, 有效改善了爆炸初期沖擊波陣面的彎曲, 后續(xù)傳播過(guò)程中由于管壁的約束, 逐漸演化為近似平面波進(jìn)行傳播。即采用單點(diǎn)中心起爆或者多點(diǎn)起爆的方式均能有效獲得所需要的波形。

圖12 單點(diǎn)中心起爆沖擊波傳播云圖Fig. 12 Computational contours of shock waves at different times using single point initiation

3.2 爆炸沖擊波載荷作用下典型復(fù)合材料構(gòu)件響應(yīng)與破壞分析

采用高強(qiáng)度鋼作為管道的材料, 管道內(nèi)設(shè)置若干典型壓力測(cè)點(diǎn), 測(cè)量沖擊波壓力時(shí)間歷程曲線;采用激光干涉測(cè)速系統(tǒng)獲得沖擊波加載下典型復(fù)合材料構(gòu)件的沖擊波響應(yīng)速度歷程曲線, 最后采用三維激光掃描成像設(shè)備獲得響應(yīng)與破壞的數(shù)字圖像, 試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖14。

圖13 多點(diǎn)起爆沖擊波傳播云圖Fig. 13 Computational contours of shock waves at different times using multi-point initiation

圖14 典型復(fù)合材料構(gòu)件加載示意圖Fig. 14 Schematic diagram of loading typical composite components

3.3 水下爆炸沖擊波與典型結(jié)構(gòu)件耦合作用分析

水下爆炸沖擊波與典型結(jié)構(gòu)件的耦合作用過(guò)程中不僅存在波系反射結(jié)構(gòu), 同時(shí)會(huì)在構(gòu)件與水交界面處形成局部空化效應(yīng)。為觀察到流固耦合作用過(guò)程中的物理現(xiàn)象, 在管道后端設(shè)置觀察段,管壁材料采用K9 玻璃等高強(qiáng)度透光材料, 結(jié)合LED 長(zhǎng)照明光源和高速相機(jī)可捕捉獲得上述物理現(xiàn)象, 配合壓力測(cè)試和激光干涉測(cè)速可為流固耦合作用機(jī)理研究提供較好的試驗(yàn)數(shù)據(jù), 試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖15。

圖15 沖擊波與典型結(jié)構(gòu)件耦合作用機(jī)理試驗(yàn)示意圖Fig. 15 Schematic diagram of shock waves coupling with typical structures

3.4 水下爆炸沖擊波與結(jié)構(gòu)物相互作用分析

水下爆炸過(guò)程中不可避免涉及沖擊波與船體結(jié)構(gòu)、港口附近水中結(jié)構(gòu)物的相互作用(涉及沖擊波入射、反射和繞射等復(fù)雜波系), 會(huì)造成船體結(jié)構(gòu)和水中結(jié)構(gòu)物發(fā)生一定的剛體運(yùn)動(dòng)。采用上述試驗(yàn)方法可開(kāi)展水下爆炸沖擊波與結(jié)構(gòu)物的相互作用研究, 結(jié)合高速相機(jī)獲得繞射波系結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與沖擊波強(qiáng)度的關(guān)系, 試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖16。

圖16 沖擊波與結(jié)構(gòu)物相互作用示意圖Fig. 16 Schematic diagram of shock waves interacting with structures

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出一種管內(nèi)小藥量水下爆炸平面沖擊波形成方法, 采用數(shù)值仿真和理論分析相結(jié)合方式對(duì)管內(nèi)水下爆炸沖擊波衰減規(guī)律進(jìn)行了研究,并給出該試驗(yàn)方法的推廣應(yīng)用實(shí)例。研究表明:

1) 裝藥放置在管端部配合端面起爆可在管內(nèi)形成指數(shù)衰減形式的平面沖擊波, 當(dāng)裝藥放置在管外時(shí), 僅有約1/3 能量用于在水中形成沖擊波,導(dǎo)致沖擊波超壓衰減速率加快;

2) 理論模型與數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合較好, 可給出沖擊波超壓峰值隨距離的衰減關(guān)系和不同時(shí)刻沖擊波陣面位置;

3) 該試驗(yàn)方法可用于開(kāi)展水下爆炸加載典型結(jié)構(gòu)件毀傷效應(yīng)和流固耦合作用機(jī)理等研究, 可為水下爆炸毀傷評(píng)估提供一定的參考。

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Formation Method of Planar Shock Waves in Underwater Explosions Using Small Charges inside a Tube and Its Applications

XU Wei-zheng,HUANG Yu,LI Ye-xun,ZHAO Hong-tao,ZHENG Xian-xu

(Institute of Fluid Physics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621999, China)

Shock waves, bubbles, and diffraction effects during underwater explosions, as well as the coupling of these effects, make the investigation of underwater explosion damage complicated. In this paper, an experimental method for forming planar shock waves underwater using small charges inside a tube is presented to decouple these effects. Numerical simulations and theoretical models are used to explore the attenuation rules of planar shock waves in a tube. It is determined that planar shock waves with exponential attenuation forms can be generated by placing the charge at one end of the tube to achieve end-plane detonation. Theoretical results combined with overpressure peak versus distance curves and shock wave location versus time curves coincide well with simulation results. Applications of the proposed experimental method include the analysis of damage effects on typical structures and exploration of fluid-solid coupling mechanisms. The presented results also provide guidance for the damage evaluation of underwater explosions.

underwater explosion; planer shock wave; impact loading; fluid-solid coupling

TJ55; U662.3

A

2096-3920(2022)03-0405-08

10.11993/j.issn.1673-1948.2022.03.018

徐維錚, 黃宇, 李業(yè)勛, 等. 管內(nèi)小藥量水下爆炸平面沖擊波形成方法及其應(yīng)用[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2022,30(3): 405-412.

2022-02-28;

2022-03-18.

中國(guó)工程物理研究院培育基金(PY20200003); 裝備預(yù)先研究領(lǐng)域基金(80928010101) .

徐維錚(1991-), 男, 博士, 主要研究方向?yàn)樗卤?

(責(zé)任編輯: 吳 攀)