试论水下爆炸冲击环境相似性

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[摘 要]随着我国科学技术水平不断提高，先进的航海工具逐渐出现在人们的视野当中，成为交通领域重要组成部分。由于水下环境无法用肉眼来观测，会受到很多危险因素的影响，给舰船的运行带来巨大困难，尤其是在受到爆炸型武器的冲击之后。爆炸会产生一定的冲击，冲击力过大时会将船体破坏，严重时会将舰船击沉。为了保证舰船的质量，提高舰船的抗冲击性能，文章对水下爆炸冲击环境相似性进行了研究，对冲击环境及冲击因子进行了分析，更加全面的了解舰船结构的冲击响应特性，以期为舰船生命力的研究提供思路。

[关键词]水下爆炸；冲击环境；相似性；冲击因子

中图分类号：U661.43 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）42-0108-01

一、 研究目的及意义

随着水中兵器的迅速发展，我国舰船遭受爆炸的冲击力和冲击时间明显增加，使得爆炸冲击环境越来越恶劣。近几年来，爆炸引起的冲击破坏问题已经成为现代舰船制造重点研究的问题，对舰船企业的发展有着重要的意义。在非接触爆炸冲击的环境下，即使舰船结构没有处于爆炸环境范围之内，也会受到加速度或者位移等因素的影响，一旦所承受的力度大于舰船的承受范围，船舰之内的主要武器电子设备和机电设备就会受到损坏，导致舰船失去作战能力。因此，对舰船的结构及设备在非爆炸的的环境下进行冲击特性研究和试验，是非常有意义的，可以实现船舰生命力和作战力的提高。

为了更好的研究出水下爆炸冲击环境对舰船结构的破坏力强度，经常使用冲击因子来计算，从而得出准确的数据。冲击因子是描述爆炸冲击力强度的重要参数，与炸药重量及爆炸的范围有着密切的联系。由于条件因素的限制，在进行水下爆炸冲击环境相似性研究时，会设置相似的爆炸环境，利用相似冲击因子（利用相似的爆炸结构产生相似的损伤，从而获得相似冲击因子）来描述冲击力的强度。根据爆炸的实际状况，需要考虑到炸药和结构之间的空间关系，从而确定影响因素。

在实际研究的过程中，由于每次舰船水下爆炸冲击环境特性研究实验需要巨额经费，同时我国环境保护方面的一些限制，导致无法对每一艘舰船进行爆炸试验，只能采用相应的模拟实验进行研究，从而获得相似的结果信息。因此，研究人员需要克服实物与模型之间的物理量、力学等方面的相似关系，才能将模拟试验得出的研究成果应用到实际爆炸冲击环境当中，才能实现模拟试验的价值。

二、 水下爆炸冲击环境相似性研究

1、 结构冲击因子计算步骤

文章以上述图片内容为模拟的爆炸冲击环境，以此来研究结构水下爆炸冲击环境的相似性，对其冲击因子进行计算分析，获取所需信息。首先，我们需要计算出该结构在爆炸冲击环境中的冲击波遮挡率、遮挡面积以及冲击波的能量，从而获得圆通遮挡和舰船遮挡冲击波能量与爆炸距离之间的关系；其次，对它们之间的关系进行分析，得出平面波的情况；最后，根据相关的计算公式计算出新型冲击因子。

根据对相关实验的分析，发现常用冲击因子会受到冲击波球面特征的影响，影响程度会随着冲击距离的接近而逐渐增大。因此，在模拟水下爆炸冲击环境的时候，需要将爆炸冲击波作为球面波，增加实验结果的准确度。

2、 常用冲击因子与新型冲击因子

因为传统的冲击因子无法满足模拟爆炸冲击环境的需求，所以需要研究新型冲击因子与常用冲击因子的有效性。在爆炸距离为30m，药量为30kg、100kg、270kg、400kg、530kg相同条件下，得出常用冲击因子C1和新型冲击因子C2的值，在设定6m、9m、12m、15m、18m、24m的概况，验证情况如图表所示：

3、 对新型冲击因子的讨论

作为爆炸冲击环境研究的重要参数，新型冲击因子应该具有两个作用：

（1） 在确定模拟爆炸冲击环境时，冲击因子应该能准确的将水下爆炸冲击环境描述出来。无论是在那种工况条件下，只要冲击因子相等，该结构的冲击相应可以被认为是相似的，冲击响应会随着冲击因子的变化而变化。只有满足着样的条件，冲击因子才能应用于爆炸冲击环境的研究。在设计实验时，只需少量的工况便可将冲击因子的数值分析出来，因此在进行爆炸实验的时候需要考虑到实际成本和安全问题。

（2） 实际结构与缩比模型之间的比较和转换。在传统的冲击因子记录中，往往只包含常用的爆炸距离、炸药量的信息，这种情况很难将定义的冲击因子应用到不同模型之间、更无法在实际结构与缩比模型之间的比较和转换中应用。但是新型冲击因子远优于常用的冲击因子，不仅包含了爆炸距离的信息、炸药量，还包含了结构尺度信息，因此有极大的可能应用于上述研究当中。但是，还需要对新型冲击因子的动力进行研究，以便解决结构动力相似的问题。

三、结论

基于冲击波超压的常用冲击因子无法将圆筒结构水下爆炸冲击环境很好的反应出来，结构冲击响应会随着爆炸距离的增大而增大。基于平面波假设进行遮挡能量分析的常用因子在远场爆炸条件下可以反映出爆炸荷载的相似性，但是受到爆炸距离的影响，近场爆炸时平面波的假设将不成立，因此基于平面波假设的冲击因子无法应用于水下爆炸冲击环境的描述。而基于球面冲击波的冲击因子可以反映水下爆炸冲击波荷载，可以作为水下爆炸冲击环境相似性的研究参数。

参考文献

[1]张振华，朱锡，白雪飞水下爆炸冲击波的数值模拟研究[J].爆炸与冲击，2002.

[2]刘建湖舰船非接触爆炸动力学的理论与应用[D].无锡：中国船舶科学技术研究所，2002.