水下爆炸條件下近藥包表面能量測試技術研究

摘 要：為測量水下爆炸條件下近藥包表面的能量，提出基于預制飛片圓筒的水下爆炸條件下近藥包表面能量測試技術。首先，采用AUTODYN軟件，對水下爆炸條件下自由場和作用在飛片上的能流密度進行數值計算，通過對比兩者隨爆距的變化規律，對預制飛片圓筒間接獲取近藥包表面能量的可行性進行論證。然后，采用激光位移傳感器和探針測量爆炸后的飛片速度，進而將飛片的動能除以面積計算得到作用在飛片上的能流密度。將能流密度的測試值與計算值進行對比，兩者基本一致，表明采用預制飛片圓筒來測量水下爆炸條件下近藥包表面的能量是可行的，同時驗證飛片速度測量系統的有效性，為近藥包表面載荷特性的理論研究和試驗測試提供技術基礎。

關鍵詞：預制飛片圓筒；水下爆炸；近藥包表面能量；測試技術

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2016）10-0001-08

Abstract： In order to measure the energy near the charge surface for underwater explosion， a pre-grooved cylinder was proposed to measure the energy near the charge. At first， the energy density in the free field and on the flyer were calculated with AUTODYN， the changes in energy density as distance changes were compared， which demonstrated the feasibility of energy measurement with pre-grooved cylinder. Then， the laser displacement sensor and probe were used to measure the flyer velocity. Based on the velocity， the energy density on the flyer could be calculated. Then， the measured energy density on the flyer and energy density in the free field were compared， and they were found accordant. The results prove that the pre-grooved cylinder could be used to measure the energy near the charge surface， which could provide technology support for theoretical research and experiment measurement of underwater explosion load characteristics near the charge.

Keywords： pre-grooved cylinder； underwater explosion； energy near the charge； measurement technology

0 引 言

水下爆炸條件下近藥包表面能量由于涉及復雜的物質交換、熱交換、液固汽相互作用等問題，一直以來都是研究難點。目前對于該問題的研究大多采用理論分析和數值仿真，而試驗研究未見報道，究其原因是測試技術的缺失給水下爆炸近藥包表面載荷特性的深入研究帶來了極大困難。

對于近藥包表面能量的試驗測試，較為理想的方式是直接測量自由場壓力時程，然后將其積分得到能量。然而，目前僅能測得6倍藥包半徑（藥包半徑指藥包中心到藥包表面的距離，用R0表示）以外的壓力時程，而R0～6R0范圍內的自由場壓力時程未見報道。鑒于此，直接測量方式目前難以實現水下爆炸條件下近藥包表面能量的測量。

在空爆條件下，Manfred Held[1]利用效應物法研究了柱形炸藥近場動能分布，首先在炸藥周圍布置若干個圓柱鋁筒，然后測量爆炸拋擲下各個鋁筒的位移，再根據時間得到速度，從而得到動能。受此啟發，本文創新性地提出基于預制飛片圓筒的效應物法，首先通過測量獲取爆炸驅動飛片的速度，然后計算得到飛片的動能，再根據飛片面積得到水下爆炸條件下近藥包表面的能流密度。

本文首先采用AUTODYN有限元軟件，對自由場和預制飛片圓筒的能流密度進行了數值計算，通過對比兩者隨爆距的變化規律，對預制飛片圓筒表征近藥包表面能量的可行性進行了論證。在此基礎上，開展了預制飛片圓筒試驗，采用激光位移傳感器和探針測量飛片速度，并將能流密度的測試結果與數值計算結果對比，分析了測試結果的有效性。本文建立的水下爆炸條件下近藥包表面能量測試技術為近藥包表面載荷特性的理論研究和試驗測試提供了技術基礎。

1 測試方法可行性論證

本文采用預制飛片圓筒作為效應物，間接獲取水下爆炸條件下近藥包表面的能量。對于該測試方法的可行性，下面將采用數值計算方法進行論證。具體思路為：1）首先，建立一維Wedge模型，計算水下爆炸R0～6R0距離處的自由場壓力，將計算值與理論值進行對比，從而驗證計算方法的正確性；2）在此基礎上，建立三維預制飛片圓筒模型，為了保證輸入載荷的正確性，將一維自由場壓力計算結果映射到三維模型中，然后計算得到飛片的速度時程；3）將自由場壓力積分得到能流密度，同時將飛片速度轉換為動能，根據飛片面積，得到飛片的能流密度，在此基礎上，將飛片的能流密度與自由場的能流密度進行對比，若兩者隨爆距變化趨勢是一致的，則表明采用預制飛片圓筒間接獲取近藥包表面能量的測試方法是可行的。

1.1 計算方法驗證

1.1.1 計算模型

圖1為采用AUTODYN軟件建立的一維Wedge模型，水域尺寸為500 mm，網格數量為1 500，裝藥為80 g TNT球藥，半徑為22.7 mm。為了得到自由場壓力，在R0～6R0距離處設置了6個測點。

1.1.2 材料參數

水下爆炸近藥包表面的水在某一時刻某一區域可能是液態、氣態或液態和氣態的混合狀態，因此在數值計算時水采用基于Shock狀態方程的Two-Phase狀態方程，其形式為

1.1.3 計算結果與分析

基于以上模型，計算得到R0～6R0距離處的自由場壓力時程曲線如圖2所示。目前，R0距離處的沖擊波峰壓有文獻實測值[2]，6R0距離處的沖擊波峰壓可根據Cole經驗公式[3]得出，而2R0～5R0距離處的沖擊波峰值壓力無廣泛認可的理論公式。鑒于此，表2中僅將R0和6R0距離處峰值壓力的計算結果與理論值進行對比，偏差分別為5.2%和2.6%，由此可認為數值計算方法是正確的。

1.2 預制飛片圓筒計算

圖3為三維預制飛片圓筒計算模型，圓筒外部為空氣，內部為水，球形藥包位于圓筒正中心?？諝庥驗殚L方形，邊長為3倍藥包半徑，高與圓筒高度相同，網格數量為80×80×80，采用非均勻網格。為了保證輸入正確的載荷，同時節省計算時間，將一維自由場計算模型映射到三維預制飛片圓筒計算模型中。

預制飛片圓筒壁厚為5 mm，由上、下過渡筒和3層預制飛片組成，層與層之間不連接。為了保證每個飛片的尺寸和質量相同，飛片數量根據圓筒直徑確定。為了消除自由面效應，過渡筒的高度大于圓筒直徑。預制飛片圓筒尺寸如表4所示，材料為Q235。

1.3 自由場和飛片能流密度對比

將自由場的能流密度和飛片的能流密度進行對比，結果列于表6中。由于流固相互作用時飛片不可能完全吸收自由場能量，R0～6R0工況條件下，飛片的能流密度均小于自由場的能流密度。

3R0～6R0工況條件下，飛片的能流密度與自由場能流密度的比值在60%～70%范圍內，比較一致。而R0和2R0兩工況條件下能流密度比值差別較大。根據自由場壓力計算結果，R0和2R0距離處的壓力為GPa級，而根據材料力學相關理論，材料在此條件下接近于類流體，但AUTODYN中Q235的狀態方程并沒有考慮這一現象，因此，R0和2R0兩工況的能流密度可能不符合實際情況。

將3R0～6R0工況下的自由場和飛片的能流密度在圖5中表示，從圖中可以看出，自由場和飛片的能流密度隨著爆距的變化趨勢是基本一致的。

綜上，通過測量預制飛片圓筒的飛片速度來間接獲取水下爆炸條件下近藥包表面能量是可行的，但是還需開展以下工作：1）需確定飛片能流密度與自由場能流密度之間的換算關系，可通過數值計算和試驗測試等方式進行研究，目前該項工作正在開展，此處不再介紹；2）需建立可靠的速度測量系統，獲取準確的飛片速度。下文將對第2項工作進行研究。

2 試驗設計

水下爆炸條件下近藥包表面能量的測量難度較大，為了獲取準確的試驗數據，同時保證安全，必須對試驗過程進行精心設計，包括預制飛片圓筒的設計、藥包的精確定位、飛片收集裝置的設計和飛片速度測量系統等。

2.1 試驗總體設計

試驗總體設計如圖6所示，預制飛片圓筒放置在飛片收集裝置內，探針固定在支架上，垂直指向飛片，激光位移傳感器固定在支架上，位于飛片收集裝置外側，激光通過飛片收集裝置上的狹長開孔打在飛片上。

2.2 預制飛片圓筒

預制飛片圓筒如圖7所示，其參數均與數值計算模型一致。試驗時，圓筒內部裝水，因此在底部和預制飛片處進行水密處理。

試驗用裝藥為80 g球形TNT，與數值計算模型一致。

2.3 藥包定位

為了各個方向飛片獲得相同的能量，需精確控制藥包位置，使其位于圓筒中心，為此設計了圖8所示的藥包定位裝置。該裝置由定位盤和定位桿組成，定位盤一大一小形成臺階，小盤直徑與圓筒內徑為負裝配公差。試驗時，藥包上端緊貼定位桿，將定位盤的臺階卡在圓筒上端面，如此定位盤可保證藥包與圓筒同軸，定位桿可保證藥包中心與中間層飛片中心持平。

2.4 飛片收集裝置

為了收集飛片，設計了飛片收集裝置，該裝置為邊長1 300 mm，高度1 000 mm的正方形鋼殼，殼體厚度為10 mm，鋼殼內部敷設5 mm×20 mm的木板?？紤]到試驗時會有飛片及其他飛濺物，飛片收集裝置可同時起到防護作用。

2.5 速度測量系統

爆炸驅動下結構的速度通常采用高速攝像[4-6]和激光干涉技術[7-10]測量，鑒于試驗時水先于飛片飛出，高速攝像難以分辨，而激光干涉技術成本較高，因此，本試驗采用激光位移傳感器和探針兩種方式來測量飛片速度。其中，探針用來測量飛片的最大速度，激光位移傳感器用來獲取飛片的加載時程。

激光位移傳感器有效測量范圍為240～440 mm，采樣頻率為400 kHz，其布置方式如圖9所示。

探針采用斷-通原理，當受到飛片撞擊時，探針的兩極導通，產生脈沖信號。兩個探針作為一個速度測點，探針前端具有距離差，根據飛片撞擊探針信號的時間差得到飛片的速度。

試驗時，兩根探針分別通過獨立的外套管將信號線引出。將外套管固定在支架上，對準預制飛片，與飛片的距離約為10 mm，如圖10所示。

根據數值計算結果，3R0～6R0工況條件下，當飛片達到沖擊波階段最大速度時，其位移均小于10 mm，因此試驗時探針前端距筒壁10 mm。而R0～2R0工況條件下的飛片接近類流體狀態，變形較大，導致探針測速結果可能與實際不符，但是試驗時仍然將探針與筒壁的距離布置為10 mm。

2.6 測試結果與分析

2.6.1 飛片收集

試驗后收集到的飛片如圖11所示，其中3R0～6R0工況的飛片均為單個形式，且形狀規則。而R0、2R0工況的飛片發生了較大變形，尤其R0工況的飛片發生了破裂，大小不一，且表面存在燒蝕現象，這表明該工況下的流固相互作用更加復雜，結構接近于類流體，與上文數值計算結果的分析結論是一致的。

2.6.2 探針測試結果

圖12為典型探針測試曲線，飛片撞擊之后，電路導通，電壓瞬間出現上升，由于電路震蕩，上升電壓大于電池供電電壓，之后逐漸平穩。根據前后脈沖的時間差和探針的距離可得到飛片的速度。飛片速度的探針測試結果列于表7中，其中工況1和4中只有兩個測點有效。

2.6.3 激光位移測試結果

R0～2R0工況條件下，由于飛片接近于類流體狀態，發生了較大變形，激光的反射面不平整，因此，激光位移傳感器測得飛片位移時程抖動較大，此處不再介紹。圖13為工況3R0～6R0條件下激光位移傳感器的測試結果，從圖中可以看出，起爆后，飛片從靜止狀態開始運動，當飛片運動到傳感器的盲區，其后續數據無效。

將位移時程曲線進行微分，得到飛片的最大速度，列于表8中。

3 測試方法有效性分析

將3R0～6R0工況條件下的激光位移和探針測試得到的能流密度與計算的能流密度進行對比，結果列于表9中。從表中可以看出，激光位移測試結果與計算值的偏差較小，約為±15%，而探針測試結果與計算值的偏差較大，約為±24%，說明激光位移較探針精度更高。

將能流密度隨爆距變化規律在圖14中表示。從圖中可以看出，激光和探針的能流密度與計算值基本是一致的，表明飛片速度測量系統是有效的。

4 結束語

本文創新性地提出了基于預制飛片圓筒的水下爆炸條件下近藥包表面能量測試技術。首先采用AUTODYN有限元軟件，對自由場和預制飛片圓筒的能流密度進行了數值計算，通過對比兩者隨爆距的變化規律，對預制飛片圓筒間接獲取近藥包表面能量的可行性進行了論證。在此基礎上，開展了預制飛片圓筒試驗，采用激光位移傳感器和探針測量飛片速度，并將能流密度的測試結果與數值計算結果對比，對測試結果的有效性進行了分析。通過本文的研究，得到結論如下：

1）采用預制飛片圓筒間接獲取水下爆炸條件下近藥包表面能量的測試技術是可行的。

2）采用激光位移傳感器和探針測得的飛片速度是有效的。

3）R0和2R0工況條件下，飛片接近于類流體，變形較大，導致飛片速度測量結果可能與實際情況不符。今后將對飛片速度系統進行改進，以獲取更為準確的飛片速度。

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（編輯：李妮）