PDF《空气隔层对水下爆炸冲击波的缓冲效应》

zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz 振动与冲击第36卷第 3期JOURNALO FV I B R A T I O NA N DS H O C K V o l .

3 6N o .

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1 7 基金项目:国家自然科学基金项目(

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3 7 ;

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8 9 ) ;

中国博士后科 学基金资助项目(

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1 5 M

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9 7 ) ;

中央高校基本科研业务费专项资 金资助(

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5 K F

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0 1 ) 收稿日期:2

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2 3 修改稿收到日期:

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1 5 第一作者 寇晓枫 男, 硕士,

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9 1年生 通信作者 王高辉 男, 博士, 讲师,

1 9

8 6年生 E m a i l : w a n g g a o h u i @w h u . e d u . c n 空气隔层对水下爆炸冲击波的缓冲效应 寇晓枫,王高辉,卢文波,陈明,严鹏(武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室, 武汉

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7 2 ) 摘要:由于水下爆炸对结构的破坏能力比空中爆炸要强得多, 因此针对水下结构的防护越来越受到重视.根据 一维应力波在不同介质交界面的透射反射理论, 从理论上分析了低波阻抗介质( 如空气) 对水下爆炸冲击波传播的影响. 通过建立含空气隔层的水下爆炸全耦合模型, 考虑水下爆炸冲击波与空气隔层及爆轰产物的动态相互作用, 研究了空气 隔层对水下爆炸冲击波的缓冲效应, 揭示了空气隔层的运动发展过程.同时分析了空气隔层厚度及位置对水下爆炸冲击 波缓冲效应的影响.结果表明: 空气隔层距防护对象越近, 防护效果越佳, 具有重要的工程应用价值. 关键词:水下爆炸;

空气隔层;

缓冲效应;

冲击波传播特性;

结构防护 中图分类号:T V

3 1

2 文献标志码:A D O I :

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5 / j . c n k i . j v s .

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1 7 .

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2 Mi t i g a t i o ne f f e c t s o f a i ri n t e r l a y e ro nu n d e r w a t e re x p l o s i o ns h o c kw a v e K O UX i a o f e n g ,W A N GG a o h u i ,L UW e n b o ,C H E NM i n g ,Y A NP e n g ( S t a t eK e yL a b o r a t o r yo f Wa t e r R e s o u r c e s a n dH y d r o p o w e r E n g i n e e r i n gS c i e n c e ,Wu h a nU n i v e r s i t y ,Wu h a n4

3 0

0 7

2 ,C h i n a ) A b s t r a c t : U n d e r w a t e r s t r u c t u r ep r o t e c t i o nr e c e i v e si n c r e a s i n ga t t e n t i o nd u et om o r ed a m a g e si ns t r u c t u r e su n d e r u n d e r w a t e r e x p l o s i o n ,c o m p a r e dt ot h o s eu n d e re x p l o s i o ni na i r .B a s e do nt h et h e o r yo f o n e d i m e n s i o n a l s t r e s sw a v e t r a n s m i t t i n ga n dr e f l e c t i n g a t t h e i n t e r f a c e b e t w e e nt w o m e d i u m ,t h e i n f l u e n c e s o f l o wi m p e d a n c e m e d i u m ,s u c ha s ,a i r o n u n d e r w a t e r e x p l o s i o ns h o c kw a v ep r o p a g a t i o nw e r e a n a l y z e d .T h e f u l l y c o u p l e dm o d e l f o r u n d e r w a t e r e x p l o s i o nc o n t a i n i n g a i r i n t e r l a y e r w a s e s t a b l i s h e d .C o n s i d e r i n g t h e d y n a m i c i n t e r a c t i o na m o n g u n d e r w a t e r e x p l o s i o ns h o c kw a v e ,a i r i n t e r l a y e r a n dd e t o n a t i o np r o d u c t s ,t h e m i t i g a t i o ne f f e c t s o f a i r i n t e r l a y e r o nu n d e r w a t e r e x p l o s i o ns h o c kw a v e w e r e i n v e s t i g a t e d .T h e d e v e l o p m e n t p r o c e s so f a i ri n t e r l a y e rw a sr e v e a l e d .A t t h es a m et i m e ,t h ei n f l u e n c e so f t h i c k n e s sa n dl o c a t i o no f a i r i n t e r l a y e r o ni t s m i t i g a t i o ne f f e c t s o nu n d e r w a t e r e x p l o s i o ns h o c kw a v ew e r ea n a l y z e d .T h er e s u l t s s h o w e dt h a t t h ec l o s e r t h ed i s t a n c eb e t w e e na i r l a y e ra n dt h ep r o j e c t e do b j e c t ,t h eb e t t e rt h ep r o t e c t i o ne f f e c t s .T h er e s u l t sh a di m p o r t a n t e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e s . K e yw o r d s : u n d e r w a t e re x p l o s i o n ;

a i ri n t e r l a y e r ;

m i t i g a t i o n e f f e c t ;

s h o c k w a v ep r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ;

s t r u c t u r ep r o t e c t i o n 由于水的密度大, 可压缩性小, 对冲击波的传递效 率高[

1 ] .因此在相同药量下, 水下爆炸的破坏能力比 空中爆炸较强[

2 -

3 ] .在预留岩坎、 围堰拆除以及扩机 工程等水下爆破产生的水下冲击波可能对水下建筑物 ( 如水工大坝结构物) 的安全性能造成影响.同时, 近 年来随着精确制导武器的快速发展和国内外意外恐怖 袭击的日益频繁, 当炸药或炸弹在水下爆炸时将对水 下建筑物的安全性能造成巨大威胁.因此, 如何有效 提高水下建筑物的抗爆防护性能, 降低水下冲击波的 破坏效应, 其研究成果具有重要的工程实用价值和理 论意义. 当冲击波传播到两种介质交界面时会发生反射和 透射现象, 而两种介质的波阻抗之比对冲击波传播具 有重要的影响.由于空气的波阻抗比水小很多, 当水 下冲击波传播到空气与水的交界面时, 水下冲击波将 主要在介质交界面处发生反射, 其透射系数较小, 只有 少部分能量透射到空气介质当中[

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5 ] , 可有效缓冲水 下冲击波.因此, 在工程实践中可采用空气隔层来削 弱水下爆炸冲击波的破坏效应.目前, 空气隔层的主 要应用形式有气泡帷幕[

6 ] , 还有舰船的防雷舱[

7 ] 等. 关于空气隔层衰减水下爆炸冲击波这一方面, 已经有 一些实验或者数值模拟成果.如贾虎等[

8 ] 通过实验分 析表明空气隔层可以有效衰减冲击波峰值压力, 可以 有效降低水下爆炸冲击波的破坏效应;

姚熊亮等[

9 ] 编 制了多介质水下爆炸计算程序, 结果表明, 无论是接触 爆炸还是非接触爆炸, 空气隔层均可有效衰减冲击波;

邵鲁中等[

1 0 ] 通过海边浅层水中钻孔爆破试验, 实测得 到了水下冲击波波形曲线及压力数据, 表明气泡帷幕 对特定频率的冲击波有良好的削弱效果;

周睿等[

1 1 ] 基 于实验结果, 采用爆炸相似律理论, 得到了适用于工程 实际计算的经验表达式.以上研究主要体现在空气隔 层对水下爆炸冲击波的峰值衰减方面, 然而有关水下 爆炸冲击波与空气隔层及爆轰产物的动态相互作用、 空气隔层的运动发展过程、 冲击波的缓冲机制等方面 的成果较少. 本文首先从理论上分析了空气隔层对水下冲击波 传播的影响.然后基于显式动力分析程序 A U T O D Y N , 建立了二维数值计算模型, 分析了自由场中水下爆炸 冲击波的传播特性, 并与其相应的经验公式进行对比, 验证了数值计算的可靠性.最后通过建立含空气隔层 的水下爆炸全耦合模型, 研究了水下爆炸冲击波在水 与空气界面及水与爆轰产物界面处的传播规律和特 性, 揭示了空气隔层缓冲水下爆炸冲击波的机理, 得到 了空气隔层的运动发展过程, 并研究了空气隔层厚度 及位置对于水下爆炸冲击波缓冲效应的影响.研究成 果可以为水下结构的防护设计提供参考.

1 水下爆炸的空气隔层缓冲理论及状态方程

1 .

1 空气隔层缓冲水下爆炸冲击波的理论分析 应力波在传播过程中, 遇到两种介质的交界面时, 应力波的一部分会从交界面反射回来, 另一部分透过 交界面进入第二种介质.因应力波的入射角不同, 有 垂直入射和倾斜入射两种情况, 下面只考虑垂直入射 的情况. 以一维弹性波为例, 如图 1所示, 设弹性波从一种 介质 1传播到另一种介质

2 , 介质与介质的交界面为 A- A .当应力波到达交界面是垂直入射时, 就会产生 垂直反射和垂直透射.其反射应力波大小 σ r 、 透射应 力波大小 σ t 与入射应力波大小 σ i 之间的关系为[

1 2 ] σ r=R r σ i (

1 ) σ t=R t σ i (

2 ) 式中: R r为应力波的垂直反射系数, R t为应力波的垂直 透射系数, 且Rr=1-n 1+n , R t =

2 1+n , ........