CN114061391B - 一种削弱水下爆炸壁面反射波的结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种削弱水下爆炸壁面反射波的结构，包括四棱锥吸波体与底板。四棱锥吸波体的表面带有多个孔隙；多个四棱锥吸波体位于底板的内表面，并在内表面形成规则的吸波阵列。当冲击波到达该壁面结构时，一部分在吸波孔隙中多次反射，一部分在削波单元形成的“V”型腔体内多次反射。采用本发明的壁面结构使得反射回的冲击波在反射与传播过程中不断衰减，最终有效削弱壁面反射波的大小，减小反射波对水下爆炸载荷后效的影响。本发明可应用于削弱水下爆炸时的壁面反射波，并用于模拟炸药在无限介质水域爆炸的实验，同时也为有限介质水域实验中获得距离爆源更远的冲击波载荷曲线提供了便利条件。

Description

一种削弱水下爆炸壁面反射波的结构
技术领域
本发明属于兵器科学与技术领域，为一种削弱水下爆炸壁面反射波的结构。
背景技术
随着各国海上军事力量的发展，船体在水下爆炸载荷作用下的响应和毁伤是涉及舰船安全性的重要问题之一。对该类型的问题进行研究时，常常需要对船舶或其中的某个重要结构进行模型简化，并在试验水池中进行小型爆炸模拟实验，最终得到爆炸后的载荷特性、简化模型的结构响应与毁伤模式等。但受试验条件中水池尺寸的限制，做水下爆炸的缩比模型试验时，常常受到水池壁面反射的反射波对载荷特性、简化模型的结构响应的影响，导致试验结果出现与预期相悖的结论。
现阶段国内外学者对减小边界反射效应做出了大量工作，大体分为气泡帷幕法、空气隔层法以及采用吸波材料法。气泡帷幕法的原理是指采用位于水底的喷气式管道在爆炸冲击波到达壁面前，在水域中形成气液两相，使得冲击波的一部分能量在压缩气泡帷幕的过程中消失，从而减小反射波能量，达到减小边界效应的目的。ADOLPH在ORTARIO水电站的爆破施工中，采用该方法取得了良好的效果；伍俊等利用自制水池与气泡帷幕技术，成功验证了该方法的可行性[3]；张志波等通过在三峡大坝边设立用无缝钢管制作的帷幕花管，成功利用气泡帷幕减小冲击波压力。空气隔层法原理是利用了空气波阻抗远小于水的波阻抗，冲击波到达气液交界面时向水中反射稀疏波，向空气中透射压缩波，从而减小反射波能量，达到减小边界效应的目的。贾虎等通过安置成捆的空气塑料管在水池边界上，成功验证了空气隔层对水下爆炸后冲击波能量的衰减作用。在有限水域壁面上采用良好的吸波材料时减少边界效应的有效方法，其中应用最广泛的就是泡沫铝与橡胶材料。
发明内容
本发明目的在于提供一种削弱水下爆炸壁面反射波的结构，具体为一种可以削弱炸药在水下爆炸后，水池、水箱等刚性壁面反射回来的冲击波对爆炸载荷后效影响的结构。
实现本发明目的提供技术方案如下：
一种削弱水下爆炸壁面反射波的结构，通过改变壁面的外形结构，有效降低壁面反射波对实验结果的影响。
为削弱水下爆炸的壁面反射波，在壁面上安装多孔棱锥削波体阵列或者安装浇铸的多孔削波板。当水下爆炸的冲击波作用在该发明结构界面时，一部分冲击波在削波阵列与支撑板构成的反射腔体内进行多次透射、反射，另一部分冲击波在削弱体表面的孔隙中多次反射，使得大量反射波能量在腔体内迅速消耗，最终反射波压力迅速减弱，有效降低壁面效应对实验结果的影响.
削弱水下爆炸壁面反射波的结构，包括底板和削波结构，所述的削波结构的外表面为底板的下表面，内表面由削波体与底板的上表面共同组成，削波体与底板固定连接为不可分离的整体，削波体的表面带有多个孔隙。
进一步的，所述的结构整体采用不易变形、抗冲击性能和抗腐蚀性较好的高强度材料，例如304不锈钢、40#铬等。
进一步的，削波结构为削波阵列，由多个削波体紧密阵列组成，在排列时相邻削波体之间不能留有空隙。
进一步的，削波体采用四棱锥结构，其锥高与底边的比值范围在1:1-3:1。
进一步的，孔隙的下表面为球面，孔隙纵向垂直于底板。
进一步的，孔隙的直径与底边的比值范围在1:25-1:4；孔隙的深度与底边的比值范围在1:20-9:40。
进一步的，孔隙在制造时，需远离棱锥顶端、底端与相邻侧面交界处；孔隙可在削波体的侧面随机排列，但不能穿透棱锥削波体，相邻孔隙之间没有重叠。
本发明与现有技术相比，其具有的显著效果是：1、采用该削波结构不受场地与实验规模限制，可以通过安装削波板或在水箱设计时将壁面设计成相似结构来壁面壁面效应对实验结果的影响；2、采用该削波结构对材料的要求不高，可以采用304不锈钢等高强度材料实现削波；3、采用该相似结构的削波板制备简单，经济性好。
附图说明
图1为削波结构的俯视图。
图2为削波结构的主视图。
图3为削波体和孔隙形状示意图。
图4为水下爆炸1/4模型图。
图5为平板示意图。
图6为削波板或削波壁示意图。
图7为距平板3CM处压力时称曲线图。
图8为距削波板3CM处压力时称曲线图。
图9为壁面为平板时108ΜS、128ΜS时1倍板距(3CM处)平面压力云图。
图10为削波板采用实施例1时108ΜS、128ΜS、141ΜS时1倍板距(3CM处)平面压力云图。
图11为平板、削波板平面上压力时程曲线图。
图12为平板、削波板平面120ΜS压力云图。
图13为距平板3CM处压力时称曲线图。
图14为距削波板3CM处压力时称曲线图。
图15为削波板采用实施例2时108ΜS、128ΜS、141ΜS时1倍板距(3CM处)平面压力云图。
具体实施方案
结合附图对本发明作进一步详细描述，本实例是用来说明本发明的，而不是对本发明进行任何限制的。
本发明提出的一种削弱水下爆炸壁面反射波的结构，通过改变壁面的外形结构或在壁面安装削波板，有效降低壁面反射波对实验结果的影响。该结构主要针对实验规模较小的水下爆炸试验，例如在水箱、水池的缩比模拟试验以及封闭加压罐试验时，在壁面表面形成如图1-3的结构，可以有效降低反射压力的大小。
具体实施方式是，在爆炸水池或水箱壁面上焊接相似的多孔四棱锥阵列或安装削波板。若焊接相似的削波阵列时，需保证削波体紧密排列，相邻棱锥之间没有缝隙；若安装削波板时，将带有尖刺一段的平面正对冲击波入射的方向，并保证板与板之间没有缝隙，最终会在水池或水箱壁面上形成“V”型的腔体。当冲击波到达该结构表面时，一部分冲击波在腔体内多次透射、反射，一部分冲击波在孔隙中反射。反射波能量在腔体内迅速消耗，最终反射波压力迅速减弱,有效降低壁面效应对实验结果的影响.本发明结构整体可以采用四棱锥，还可以根据需要采用长方体或其他规则形状。
下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
在实施例1中选取实际长宽为5CM、5CM，厚度为0.5CM的底板，在其上表面阵列5*5的四棱锥削波体，削波体采用四棱锥结构，其实际长宽高可采用1CM、1CM、1CM。孔隙直径为0.04CM，孔隙深度0.05CM。为对比平板与削波板界面反射波的大小，通过LS-DYNA数值模拟程序模拟TNT炸药在水下爆炸后冲击波分别作用在平板与削波板界面后反射的全过程。
如图4，在LS-DYNA软件中建立三维1/4模型，其中炸药，水域采用欧拉网格，削波板和平板采用拉格朗日网格，利用ALE算法成功模拟炸药爆炸后冲击波在水中，到达板面，反射波在水中传播的三个阶段。其中平板模型如图5所示、削波板或削波壁模型如图6所示，平板厚度为1.5CM。将长宽高为0.6、0.6、0.6CM的炸药放在距离底板20CM远处，起爆后输出一倍板距离(距底板3CM)处的压力时程曲线，如图7所示。
从图7、8中可看出，当壁面为平板时，在一倍板距离(3CM处)反射波与入射波的峰值压力大小几乎相当；而当壁面采用削波板时，在一倍板距(3CM处)反射波的峰值压力大小仅为入射波峰值压力的40.9％。对比反射波峰出现的时间，发现削波板使得同一位置处反射波峰值出现的时间滞后，表明冲击波确实在“V”型腔体与孔隙内多次反射，消耗掉大部分反射波的能量。最终随着反射波距离板越来越远，反射波的大小也会逐渐在水中衰减，因此采用该削波板或相似的削波结构可以有效的削弱壁面效应。
对比9、10两幅图，可清晰的看到壁面为平板时几乎是刚性壁面反射，入射波与反射波在同一时刻的压力几乎大小相等。而采用削波结构后，反射波到达1倍板距平面的时间滞后，且炸药轴线方向上反射波压力仅为入射波的40.9％。对比1倍爆距平面上，反射波最大时的压力云图可知该削波结构对于等距平面上的反射波均有不同程度的削弱，削弱幅度最明显的区域即为近场区域。
如图12所示，对比同一时刻平板面与削弱板面反射波的压力云图，可看到刚性壁面上反射波与入射波叠加，使得该平板上的压力增大为约1.5倍。采用削波板结构后，可看到入射球面波进入削波空腔后，压力出现骤减，反射回来的压力仅剩23.3％。而没进入空腔的入射波也不会在削波体处产生入射波与反射波叠加的现象，压力大小保持不变。
实施例2
在实施例2中选取实际长宽为5CM、5CM，厚度为0.5CM的底板，在其上表面阵列10*510的四棱锥削波体，削波体采用四棱锥结构，其实际长宽高可采用0.5CM、0.5CM、1CM。为对比平板与削波板界面反射波的大小，通过LS-DYNA数值模拟程序模拟TNT炸药在水下爆炸后冲击波分别作用在平板与削波板界面后反射的全过程。
如图4，在LS-DYNA软件中建立三维1/4模型，其中炸药，水域采用欧拉网格，削波板或平板采用拉格朗日网格，利用ALE算法成功模拟炸药爆炸后冲击波在水中，到达板面，反射波在水中传播的三个阶段。其中削波板模型如图13所示。将长宽高为0.6、0.6、0.6CM的炸药放在距离底板20CM远处，起爆后输出一倍板距离(距底板3CM)处的压力时程曲线，如图14所示。
从图7、14中可看出，当壁面为平板时，在一倍板距离(3CM处)反射波与入射波的峰值压力大小几乎相当；而当壁面采用削波板时，在一倍板距(3CM处)反射波的峰值压力大小仅为入射波峰值压力的43.8％。对比反射波峰出现的时间，发现削波板使得同一位置处反射波峰值出现的时间滞后，表明冲击波确实在“V”型腔体内多次反射，消耗掉大部分反射波的能量。最终随着反射波距离板越来越远，反射波的大小也会逐渐在水中衰减，因此采用该削波板或相似的削波结构可以有效的削弱壁面效应。
从图8、14中得出，当底板大小一定时，减小削波体尺寸，增大棱锥阵列的数量的方式会减弱削波效果。
对比9、15两幅图，可清晰的看到壁面为平板时几乎是刚性壁面反射，入射波与反射波在同一时刻的压力几乎大小相等。而采用削波结构后，反射波到达1倍板距平面的时间滞后，且炸药轴线方向上反射波压力仅为入射波的43.8％。对比1倍爆距平面上，反射波最大时的压力云图可知该削波结构对于等距平面上的反射波均有不同程度的削弱，削弱幅度最明显的区域即为近场区域。

Claims (1)

1.一种削弱水下爆炸壁面反射波的结构，其特征在于：
包括底板和削波结构；
所述的削弱水下爆炸壁面反射波的结构的外表面为底板的下表面，内表面由削波体与底板的上表面共同组成，削波体与底板固定连接为不可分离的整体，削波体的表面带有多个孔隙；
所述的削弱水下爆炸壁面反射波的结构整体采用不易变形、抗冲击性能和抗腐蚀性较好的高强度材料，304不锈钢或40#铬；
削波结构为削波阵列，由多个削波体紧密阵列组成，在排列时相邻削波体之间不能留有空隙；削波体采用四棱锥结构，其锥高与底边的比值范围在1:1-3:1；
孔隙的下表面为球面，孔隙纵向垂直于底板；
孔隙的直径与底边的比值范围在1:25-1:4；孔隙的深度与底边的比值范围在1:20-9:40；
孔隙在制造时，需远离棱锥顶端、底端与相邻侧面交界处；孔隙可在削波体的侧面随机排列，但不能穿透棱锥削波体，相邻孔隙之间没有重叠。
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