CN111637800A - 一种水下爆源冲击波载荷的模拟试验系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下爆源冲击波载荷的模拟试验系统和方法，包括试验爆源、实验模型和固定装置；试验爆源和实验模型通过固定装置固定在水面下，试验爆源沿以实验模型为圆心的圆弧等间距分布且在实验模型两侧对称分布，实验模型位于最外侧两个试验爆源连线的中垂线上；实验模型、试验爆源和水下传感器处于同一水平面上。采用序列引爆阵列式的小当量爆源的方法，通过控制不同小当量爆源的数量、布置间距以及引爆时序，实现峰值和脉宽特征同时满足模拟要求，并消除小当量爆源爆炸模拟带来的后续气泡载荷的影响，最终来模拟得到极大当量爆源的冲击波载荷。本发明提出的方法简单可行，解决极大当量爆源无法轻易获取及实验的问题。

Description

一种水下爆源冲击波载荷的模拟试验系统和方法

技术领域

本发明涉及一种水下爆源冲击波载荷的模拟试验系统和方法，属于水下爆炸模拟试验方法领域。

背景技术

随着各国对海上装备竞争日益凸显，世界各国争相研制高速度、大药量、精确制导的先进水下武器，对舰船构成极大威胁。水下爆炸产生的冲击波载荷，其压力峰值可高达GPa量级，将对舰船结构造成整体性毁伤破坏。随着炸药当量的逐渐增加，极大当量爆源逐渐出现，极大当量爆源相对于小当量爆源有着冲击波峰值更大，脉宽更宽的特点。因此，有效模拟水下极大当量爆源冲击波载荷特性对于舰船安全防护设计具有重大意义。

传统的水下爆炸研究方式主要包括理论计算与实验测试。但直接计算与实验对于极大当量爆源均难以实现。目前较多使用的水下爆炸经验公式无法证明适用于极大当量爆源中，且与实际工况之间有较大的误差。实验测试是最为直接和准确的研究方法，其结果能够为其他相关研究提供可靠的数据基础，许多经典的经验公式也源自于对大量实验结果的总结。但在极大当量爆源的模型实验中，无法顺利实现峰值和脉宽的同步等效，因此实验难以完成。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种简单可靠、能够对水下极大当量爆源冲击波载荷进行准确模拟的水下爆源冲击波载荷的模拟试验系统和方法。

为解决上述技术问题，本发明的一种水下爆源冲击波载荷的模拟试验系统，包括试验爆源、实验模型和固定装置；试验爆源和实验模型通过固定装置固定在水面下，试验爆源沿以实验模型为圆心的圆弧分布且在实验模型两侧对称分布，实验模型位于最外侧两个试验爆源连线的中垂线上；实验模型、试验爆源和水下传感器处于同一水平面上。

作为本发明的一种优选方案，试验爆源沿以实验模型为圆心的圆弧等间距分布且在实验模型两侧对称分布。

作为本发明的另一种优选方案，试验爆源设置在距离水面3倍爆炸气泡最大半径的位置。

本发明还包括一种采用上述任一水下爆源冲击波载荷的模拟试验系统的模拟试验方法，包括以下步骤：

S1：确定待模拟爆源的冲击波峰值P_mH和脉宽θ_H；

S2：根据试验爆源的当量w、装药密度ρ和药包的初始半径R₀，确定试验爆源组数N，每组试验爆源的引爆间隔Δt和每组试验爆源冲击波入射角

n＝1,2,...,N；

S3：根据S2得到的组数N和每组试验爆源冲击波入射角

设置试验爆源，n＝1,2,...,N；

S4：实验模型两侧对称的两个试验爆源作为一组试验爆源同时引爆；

S5：每隔间隔时间Δt引爆实验模型两侧对称的一组试验爆源，直至N组试验爆源引爆完毕，则实验模型处收到待模拟爆源引爆的冲击波载荷。

本发明还包括：

S2中根据试验爆源的当量w、装药密度ρ和药包的初始半径R₀，确定试验爆源组数N，每组药包的引爆间隔Δt和每组试验爆源冲击波入射角

具体为：

当引爆实验模型两侧对称的第一组试验爆源之后，每隔Δt引爆实验模型两侧对称的一组试验爆源，那么在Δt＜θ时，一共引爆N组试验爆源时，实验模型处脉宽可以为：

其中，R₀为药包的初始半径，

为爆距与药包半径的比值，C为水中的声速；

第n组试验爆源在实验模型处的冲击波峰值函数满足：

P_n(t)＝p_n(t)·β_n

其中，p_n(t)为单个爆源在此实验模型处的冲击波峰值函数，p_n(t)满足：

其中，P_m为冲击波峰值，θ为脉宽，θ满足：

β_n为冲击波载荷比，β_n满足：

其中k为炸药的多方指数，

ρ为炸药的装药密度；φ_n为第n组试验爆源爆轰波反射角；c_n为第n组试验爆源斜入射后爆轰波的偏转角，

ω_n为第n组试验爆源爆轰波入射角，n＝1,2,...,N；

实验模型处的冲击波峰值P_m发生在最后一组试验爆源爆炸时刻，P_m满足：

P_m＝P₁((n-1)Δt)+P₂((n-2)Δt)+...+P_N(0)

给定试验爆源组数N，每组试验爆源的引爆间隔Δt和每组试验爆源冲击波入射角

三个参数中任意1个或2个参数的取值，令

确定其他未给定的参数值。

本发明的有益效果：本发明基于应力波叠加原理，采用序列引爆一系列阵列的小当量爆源的方法，通过控制不同小当量爆源的数量、布置间距以及引爆时序，实现峰值和脉宽特征同时满足模拟要求，并消除小当量爆源爆炸模拟带来的后续气泡载荷的影响。最终来模拟得到极大当量爆源的冲击波载荷。本发明提出的方法简单可行，可以很好的解决一个极大当量爆源无法轻易获取及实验的问题。

附图说明

图1为本发明的正视方向示意图；

图2为本发明的俯视方向示意图；

1为小当量试验爆源；2为水下自由场传感器；3为实验模型；4为连接装置；5为简易支持横梁；6为水下加速度及应力应变传感器。

具体实施方式

本发明的实验测试装置主要包括多个小当量爆源、实验模型、各类水下传感器、连接爆源及实验模型的装置以及整个实验装置的固定横梁。当序列引爆多个小当量爆源后，在距离实验模型最近的两个爆源起爆得到一个相互叠加的冲击波峰值，然后稍远处的爆源会持续对实验模型施加冲击波载荷。该实验方法通过冲击波(应力波)的追赶实现脉宽增加；通过冲击波的汇聚效应来产生高峰值，最终使实验模型收到一个大峰值宽脉宽的冲击波载荷来模拟一个极大当量爆源引爆的冲击波载荷。

该实验方法首先通过基于平面波假定的冲击因子方法换算极大当量爆源的冲击波峰值和脉宽，然后将已有的小当量爆源通过公式计算得到其具体布置方法及参数，最后按要求引爆各小当量爆源

实验模型放置在据爆源连接线中点一定距离处；在实验模型上放置水下加速度及应力应变传感器，也可在实验模型两侧和模型与爆源连线的对称侧放置水下自由场传感器。

若干小当量爆源以一定圆弧状安置，首先同时引爆实验装置中线对称的一组爆源，使冲击波在到达实验模型时近似模拟为平面波。当引爆一组药包后，以相同的时间间隔引爆其余各组药包。

连接多个小当量爆源、各类水下传感器及实验模型的装置，须保持各部分在水下保持固定。

当装药在水深很浅的地方爆炸时，会导致冲击波后续的截断效应并形成飞溅水冢。当装药在足够深的水中爆炸时，气泡在到达自由表面以前就被溶解了,但气泡有可能到达模型造成气泡载荷。根据临界爆炸深度公式及经验，可以将药包在水中的深度大约设置为3个气泡最大半径距离，以此来消除气泡载荷和截断效应的影响。其中气泡的最大半径为

其中R_max为气泡脉动最大半径(m)，W为炸药质量(kg)，H为药包在水中的深度(m)。

结合图1和图2，本发明的一种水下极大当量爆源冲击波载荷的模拟试验方法，包括多个小当量爆源、实验模型、各类水下传感器、连接爆源及实验模型的装置以及整个实验装置的固定横梁。

1.确定极大当量爆源的冲击波峰值和脉宽

水下爆炸冲击波的峰值随时间变化p(t)公式为：

其中P_m为冲击波峰值；脉宽为

R₀为药包的初始半径，m；

为爆距与药包半径的比值；C为水中的声速，m/s；t_p为冲击波截至时间。假设单个当量为a的极大当量爆源在r处的冲击波峰值基于平面波假定的冲击因子方法等效为当量为b的TNT在R处的冲击波峰值，然后将当量为b的TNT在R处的脉宽替换为当量为a的极大当量爆源在r处的脉宽。

2.多个小当量爆源组合的脉宽与峰值公式。

假设在实验装置中心线左右两侧的爆源设为一组药包，当引爆第一组药包之后，每隔Δt依次引爆后续药包，那么在Δt＜θ时，一共引爆N组药包时，模型处脉宽近似为：

参考两爆轰波发生倾斜碰撞时，可认为其中一条爆轰波与刚壁面发生碰撞反射，该处的前后爆轰压力比为：

其中k为炸药的多方指数，

ρ为炸药的装药密度；φ_n为第n组试验爆源爆轰波反射角；c_n为第n组试验爆源斜入射后爆轰波的偏转角，

ω_n为第n组试验爆源爆轰波入射角，n＝1,2,...,N；其中爆轰波入射角

和反射角φ_n的关系为：

考虑的爆轰波与冲击波在传播过程的相似性，借鉴爆轰波的耦合机制，推广冲击波的相互作用过程。故在模型处的冲击波载荷比β_n也可用该公式近似来描述，那么第n组试验爆源在实验模型处的冲击波峰值函数满足：P_n(t)＝p_n(t)·β_n，其中

为两冲击波相遇时冲击波与模型中垂线的夹角，p_n(t)为该组单个爆源冲击波在此处的冲击波峰值随时间变化值。当引爆第一组药包之后，每隔Δt依次引爆后续药包，一共引爆N组药包时，实验模型处的冲击波峰值P_m发生在最后一组试验爆源爆炸时刻为：

P_m＝P₁((n-1)Δt)+P₂((n-2)Δt)+...+P_N(0) (2)

3.确定各小当量爆源的布置及参数。

根据以有的药包确定小当量爆源的当量w、药包的装药密度ρ和药包的初始半径R₀。确定药包的初步安装方式，各小当量爆源将以实验装置中心线为对称轴对称的布置在以R为半径的圆弧上，通过连接装置将爆源连接到水面横梁上。调整不同的

值，计算出与之相对应的P_n(t)值。在爆源组数N，每组药包的引爆间隔Δt以及每组药包冲击波入射角

中选择一个或两个参数给定一组数据，然后联立公式(1)、(2)并代入单个极大当量爆源的冲击波峰值和脉宽，最后通过计算调整这组数据来确定确定需要的爆源组数N，每组药包的引爆间隔Δt以及每组药包冲击波入射角

4.实验具体实施过程。

根据上述所有数据，在水池中放入模型，在以模型为圆心，以R为半径的圆弧上以实验装置中心线为对称轴对称的方式布置各小当量爆源，并以

值来调整药包的放置位置，根据药量和水下爆炸气泡最大半径公式，将爆源放置于水下3个气泡最大半径距离处。然后在实验模型上放置水下加速度及应力应变传感器；由于在药包路径上安置传感器会影响其后续的传播，故在模型左右处安置水下自由场传感器，第一组单侧的药包与模型及该侧水下自由场传感器的距离相同，来测得每组药包的左右侧单个爆源产生的峰值和脉宽，与水下爆炸经验公式进行对比；在模型与第一组药包连接线的对称侧放置水下自由场传感器，验证两个冲击波汇聚是的峰值是否与模型处相同，保持实验模型、水下传感器和爆源处于同一水平面上。最后当引爆一组药包后，以Δt的时间间隔引爆其余各组药包。

为了实现该模拟试验方法的便捷实施及快速计算，实验中保持每个小当量爆源的各项参数、与模型的距离R均相同。该实验方法通过冲击波的追赶实现脉宽增加；通过冲击波的汇聚效应来产生高峰值，最终使实验模型收到一个大峰值宽脉宽的冲击波载荷来模拟一个极大当量爆源引爆的冲击波载荷。

Claims (5)

1.一种水下爆源冲击波载荷的模拟试验系统，其特征在于：包括试验爆源、实验模型和固定装置；试验爆源和实验模型通过固定装置固定在水面下，试验爆源沿以实验模型为圆心的圆弧分布且在实验模型两侧对称分布，实验模型位于最外侧两个试验爆源连线的中垂线上；实验模型、试验爆源和水下传感器处于同一水平面上。

2.根据权利要求1所述的一种水下爆源冲击波载荷的模拟试验系统，其特征在于：试验爆源沿以实验模型为圆心的圆弧等间距分布且在实验模型两侧对称分布。

3.根据权利要求1或2所述的一种水下爆源冲击波载荷的模拟试验系统，其特征在于：试验爆源设置在距离水面3倍爆炸气泡最大半径的位置。

4.一种采用权利要求1或2所述的水下爆源冲击波载荷的模拟试验系统的模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定待模拟爆源的冲击波峰值P_mH和脉宽θ_H；

S2：根据试验爆源的当量w、装药密度ρ和药包的初始半径R₀，确定试验爆源组数N，每组试验爆源的引爆间隔Δt和每组试验爆源冲击波入射角

S3：根据S2得到的组数N和每组试验爆源冲击波入射角

设置试验爆源，n＝1,2,...,N；

S4：实验模型两侧对称的两个试验爆源作为一组试验爆源同时引爆；

S5：每隔间隔时间Δt引爆实验模型两侧对称的一组试验爆源，直至N组试验爆源引爆完毕，则实验模型处收到待模拟爆源引爆的冲击波载荷。

5.根据权利要求4所述的一种采用权利要求1或2所述的水下爆源冲击波载荷的模拟试验系统的模拟试验方法，其特征在于：S2所述根据试验爆源的当量w、装药密度ρ和药包的初始半径R₀，确定试验爆源组数N，每组药包的引爆间隔Δt和每组试验爆源冲击波入射角

具体为：

当引爆实验模型两侧对称的第一组试验爆源之后，每隔Δt引爆实验模型两侧对称的一组试验爆源，那么在Δt＜θ时，一共引爆N组试验爆源时，实验模型处脉宽可以为：

其中，R₀为药包的初始半径，

为爆距与药包半径的比值，C为水中的声速；

第n组试验爆源在实验模型处的冲击波峰值函数满足：

P_n(t)＝p_n(t)·β_n

其中，p_n(t)为单个爆源在此实验模型处的冲击波峰值函数，p_n(t)满足：

其中，P_m为冲击波峰值，θ为脉宽，θ满足：

β_n为冲击波载荷比，β_n满足：

其中k为炸药的多方指数，

ρ为炸药的装药密度；φ_n为第n组试验爆源爆轰波反射角；c_n为第n组试验爆源斜入射后爆轰波的偏转角，

ω_n为第n组试验爆源爆轰波入射角，n＝1,2,...,N；

实验模型处的冲击波峰值P_m发生在最后一组试验爆源爆炸时刻，P_m满足：

P_m＝P₁((n-1)Δt)+P₂((n-2)Δt)+...+P_N(0)

给定试验爆源组数N，每组试验爆源的引爆间隔Δt和每组试验爆源冲击波入射角

三个参数中任意1个或2个参数的取值，令

确定其他未给定的参数值。

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