舱内爆炸角隅汇聚反射冲击波超压特性研究_刘博文.pdf

DOI：10.11883/bzycj-2022-0232舱内爆炸角隅汇聚反射冲击波超压特性研究*刘博文1，龙仁荣1，张庆明1，巨圆圆2，钟贤哲1，汪海洋1，刘文近1（1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；2.海军研究院，北京100161）摘要：为研究密闭舱室内爆角隅汇聚反射冲击波超压特性，利用缩比模型进行了某典型舱室内爆试验，得到远离角隅、两面角隅和三面角隅处的冲击波载荷，结合数值模拟研究了 3 种特征位置处冲击波传播规律及载荷特征。研究结果表明：远离角隅处壁面反射冲击波超压曲线呈现单峰结构，反射冲击波以球面波传播；距两面角隅一定范围内冲击波超压曲线呈现双峰结构，两面角隅冲击波超压曲线呈现单峰结构，角隅汇聚反射冲击波以椭球状传播；距三面角隅一定范围内冲击波超压曲线呈现多峰结构，三面角隅冲击波超压曲线呈现单峰结构，角隅汇聚反射冲击波以球面波传播；在合理假设条件下，根据量纲分析及数值模拟结果，得到首次冲击时角隅汇聚反射冲击波载荷经验计算公式。关键词：舱内爆炸；角隅；冲击波；量纲分析中图分类号：O383;O344.7国标学科代码：13035文献标志码：AStudy on the corner overpressure characteristics of concentrated reflectedshock wave due to internal blast in cabinLIUBowen1,LONGRenrong1,ZHANGQingming1,JUYuanyuan2,ZHONGXianzhe1,WANGHaiyang1,LIUWenjin1(1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.Naval Research Institute,Beijing 100161,China)Abstract:Inordertostudythepropagationlawandloadcharacteristicsofshockwaveatthecornerduetotheinternalblastinaclosedcabin,atypicalcabinexplosiontestwascarriedoutusingascaledmodel.Overpressureloadsofshockwaveinone-sided,two-sidedandthree-sidedcornerswereobtained.TheEULER-FCTalgorithmintheAUTODYNsoftwarewasusedtosimulatetheexplosiontestinthecabin,andtheshockwavepropagationlawandloadcharacteristicsatthreecharacteristicpositionswerestudied.Theresultsshowthattheoverpressuretimehistorycurveofthewallreflectedshockwavefarfromthecornerisasingle-peakstructure,andthereflectedshockwavepropagatesinasphericalshape.Withinacertainrangefromthetwo-sidedcorner,theshockwaveoverpressurecurveisadouble-peakstructure.Theshockwaveoverpressuretimehistorycurveattheedgeofthetwo-sidedcornerisasingle-peakstructure.Andthecornerconvergentshockwavepropagatesinanellipsoidshape.Thepeakoverpressureandspecificimpulseofthetwo-sidedcornerconvergentshockwaveareabout1.83timesand3.77timesmorethanthoseofthewallreflectedshockwaveatthesameposition.Withinacertainrangefromthethree-sidedcorner,theshockwaveoverpressurecurveisamulti-peakstructure.Theshockwaveoverpressuretimehistorycurveatthethree-sidedcornerisasingle-peakstructure.Andthecornerconvergentshockwavepropagatesinasphericalshape.Theconvergingabilityofthethree-sidedcornertotheshockwaveisstrongerthanthatofthetwo-sidedcorner.Thepeakoverpressureandspecificimpulseoftheconvergingshockwaveinthethree-sidedcornerareabout7.6timesand10.4*收稿日期：2022-05-30；修回日期：2022-08-17 基金项目：国家自然科学基金（11902356）第一作者：刘博文（1996），男，硕士研究生， 通信作者：龙仁荣（1982），男，博士，副教授，第43卷第1期爆炸与冲击Vol.43,No.12023年1月EXPLOSIONANDSHOCKWAVESJan.,2023012201-1times those of the wall reflected shock wave at the same position.Under certain assumptions,according to dimensionalanalysis and numerical simulation of typical compartments under different TNT charge internal explosion conditions,anempiricalcalculationformulaofcornerconvergentreflectedshockwaveloadatthefirstimpactwasobtained.Keywords:internalblast;corner;shockwave;dimensionalanalysis水面舰艇是海军维护国家海洋利益的核心力量，在现代海战中发挥着重大作用。近年来，由于反舰导弹等超视距精确制导武器的普及，目标庞大的水面舰艇成为敌方攻击的主要对象1。反舰导弹战斗部在舰船舱室内部爆炸时，壁面反射冲击波是造成舰船结构破坏的主要原因。冲击波在舱室角隅处发生汇聚，产生强度和比冲量远大于壁面反射冲击波的汇聚反射冲击波，对舱壁的冲击作用增强，使角隅处更易发生变形甚至撕裂破坏2-5。因此，研究密闭舱室内爆角隅汇聚反射冲击波载荷特征和传播规律，为舰船抗爆结构的设计提供载荷输入，对舰船生命力的提升具有重要意义。受舱室空间的约束，舱内爆炸冲击波具有峰值超压大且存在多次反射的特点，根据该特点，Baker 等6对作用至舱壁的冲击波载荷进行了三波简化，即仅考虑爆炸冲击波的前 3 个脉冲。舱内爆炸冲击波载荷属于瞬时脉冲载荷，美军 UFC-3-340-02 三军通用技术标准7在 Baker 的基础上，根据冲量等效原则将作用至舱壁的冲击波载荷简化为两个线性阶段，分别为瞬态三角脉冲载荷阶段和相对平稳的长三角载荷阶段。丁阳等8和陈鹏宇等9均使用 UFC-3-340-02 标准7对壁面冲击波载荷进行简化，并将房间和舱室划分为非角隅区域、两面角隅区域和三面角隅区域，分别建立室内爆炸超压载荷简化模型和舱内爆炸超压载荷简化计算模型。侯海量等2-3进行了典型舱室结构舱内爆炸模型实验，发现舱室板架结构出现沿角隅部位撕裂并发生大挠度外翻的失效模式。利用数值模拟对角隅处冲击波载荷进一步研究，结果发现两面角隅和三面角隅处汇聚冲击波强度远大于壁面反射冲击波，分别为相同部位壁面反射冲击波强度的 5 倍和 12 倍，导致角隅处率先发生破坏。角隅对冲击波的汇聚作用很强，无法使用现有公式直接计算。孔祥韶等10采用双层舱室结构模型进行了不同当量的内爆实验，结果表明，角隅连接结构形式会影响冲击波的汇聚效果。Hu 等11利用 Autodyn 研究了长方体密闭空间内爆壁面及角隅反射冲击波超压的分布情况，得到沿天花板、侧壁面和前壁面的冲击波超压分布曲线，结果表明，天花板角隅处冲击波峰值超压为中心点处的 2 倍以上。姚笛等12利用 Dytran 对舰船典型舱室内爆冲击波的传播与汇聚规律进行了研究，发现立方体舱室两面角隅冲击波峰值超压和三面角隅冲击波峰值超压为面几何中心冲击波峰值超压的 35 倍和 912 倍。载荷与冲击波汇聚过程密切相关，前人研究得到的角隅对冲击波载荷的汇聚效果均不相同，其与舱室尺寸、药量和结构等息息相关。为此，本文利用某典型舱室缩比模型进行舱内爆炸试验，测量远离角隅、两面角隅和三面角隅处冲击波载荷，结合数值模拟详细分析 3 种特征位置处冲击波传播规律及载荷特征；在此基础之上，对角隅处冲击波载荷进行量纲分析，拟合并推导首次冲击时角隅汇聚反射冲击波载荷经验计算公式，以期为舰船舱室抗内爆载荷设计提供参考。1 密闭舱室内爆炸试验1.1 试验舱室爆炸试验根据某典型船舱设计并加工缩尺比为 12 的试验舱室，舱室由钢板焊接而成，其内部尺寸为 2000mm1500mm1750mm。为便于研究不同位置反射冲击波载荷特征且不考虑结构变形，对舱室壁面进行加厚，厚度为 8mm，外部焊接加强筋提高刚度，结构示意图如图 1(a)所示。舱室侧面设置人员进出口；舱室正面和背面分别设置 1 个开窗、顶面设置 2 个开窗，用于补光，如图 1(b)所示。舱室开口处均设有凹槽，用于放置胶圈和防弹玻璃，使防弹玻璃与内舱壁齐平，并用螺栓固定，以避免开口对测试结果的影响。第43卷刘博文，等：舱内爆炸角隅汇聚反射冲击波超压特性研究第1期012201-21.2 试验方法及测点布置试验使用圆柱形 8701 炸药，密度为 1.7g/cm3，爆速为 8300m/s。8701 药柱装药量分别为 40、60 和 80g，按照爆热计算等效为 1.5 倍 TNT 当量。装药一端安装雷管座，并使用导线将其水平悬挂于舱室几何中心处。为获得不同特征点处的舱内爆冲击波载荷，在舱室内壁布置 4 个压力测点。其中 S1 和 S2 远离角隅，S3 靠近两面角隅，S4 靠近三面角隅，由于传感器自身尺寸和加强筋的限制使得角隅处测点无法安装在理想位置，测点位置如图 2 所示，测点具体坐标如表 1 所示。1.3 试验结果分析不同装药量下各测点的冲击波超压曲线具有相同特征，以 120gTNT 当量为例进行分析，S1S4 的冲击波超压曲线如图 3 所示。由图可知，舱内爆炸冲击波载荷非常复杂，由于结构壁面的约束，冲击波在各壁面来回反射，短时间内对舱室结构进行了多次冲击12。表 2 列出了爆炸冲击波首次冲击时，各测点的峰值超压和比冲量。S1、S2 为相同特征位置，且距爆心距离相近，故 S1、S2 的峰值超压和比冲量基本一致。S3 的峰值超压为 S1 的 1.32 倍，比冲量为 S1 的1.63 倍。S4 距离爆心较远，首个压力峰值较小，但第 2 个压力峰值为首个压力峰值的 1.3 倍，比冲量约为 S1 的 1.8 倍。由图 3 和表 2 数据可知，角隅处测点的冲击波峰值超压和比冲量与远离角隅测点相比均得