摘要：高速攝像機水下拍攝氣泡脈動影象時需要安裝在防護結構中以保證其抗爆效能滿足試驗要求。文中首先基於流體力學理論設計攝像機水下防護結構外部線型,然後利用聲固耦合法計算了考核工況為60kgTNT當量、衝擊因子0.5時的衝擊響應,並結合實際使用對其抗爆效能進行模擬驗證。結果表明:防護結構流體力學上穩定且無振動產生,抗爆設計滿足攝像機安全防護要求,可用於中小當量炸藥氣泡脈動影象的拍攝。該方法可推廣應用於其它水下結構抗爆抗衝擊性能設計。
關鍵詞： 抗衝擊 數值模擬 水下爆炸 炸藥氣泡脈動影象 爆炸力學 高速攝像機
炸藥水下爆炸會產生衝擊波和氣泡脈動,其中氣泡脈動對水下目標造成鞭狀振盪效應和水射流,嚴重時會引起船體折斷。隨著水中兵器裝藥的不斷改進和發展,氣泡能佔炸藥水下爆炸總能量的比例越來越高,相關研究越來越受到重視[1,2,3]。利用高速攝影技術獲得炸藥水下爆炸氣泡脈動過程的直觀影象是開展此方面研究的重要方法[4,5]。高速攝像機放置在水下進行氣泡影象拍攝時需要安裝在防護結構中,以保證攝像機這種精密電子裝置的安全性[6]。為了節省設計成本,國內外通常採用數值模擬手段對水下結構進行抗水下爆炸設計[7,8,9,10]。文中首先採用流體力學理論設計了防護結構外部線型,再利用聲固耦合法對設計的防護結構進行抗爆效能模擬計算,結果表明衝擊響應滿足攝像機安全防護使用要求,驗證了設計的合理性。
1、防護結構外部線型設計
高速攝像機防護結構在使用時與爆源布放在水下同一深度,在爆炸衝擊波和氣泡脈動流場作用下防護結構主要產生水平方向的運動,容易引起流場中的“渦街”現象,進而使防護結構產生體振動和不穩定,因此需要對外部線型進行設計。採用流體力學理論設計攝像機防護結構外部線型。中間主體部分為圓柱型殼體採用14mm厚907A不鏽鋼[11],前端為攝像機視窗採用25mm厚的防彈玻璃,視窗與圓柱殼體連線處為弧線形,尾部為錐形,利於流體導流。圓柱殼體與尾錐之間為後端蓋,用於電纜穿艙,減振器安裝、攝像機支架固定及結構內部防護等。圖1為設計的水下防護結構在流場中的速度向量圖,可以看出防護結構在氣泡膨脹階段周圍流場分佈上下對稱,在“尾部”形成小強度“駐渦”,未形成“渦街”,在流體力學上穩定,無振動產生。
圖1防護結構速度向量圖
2、聲固耦合法
聲固耦合法採用聲學單元模擬流體,聲學單元與結構單元之間定義基於面的流固耦合,此方法不要求流體網格和結構網格一致。壓力波反射引起的散射波分量和流固耦合分量對沖擊響應計算有很大影響[12]。流固耦合透過指定流體和結構分介面節點分別作為主節點和從節點進行設定,從面透過主面形狀函式插值來獲得作用力。聲學單元被用來模擬聲學介質經歷小的壓力變化,在聲學介質中的解由單一的壓力變數定義,表示吸收表面或輻射到外部無限域的阻抗邊界條件都可以施加到聲學單元表面上面[13]。
引入邊界條件後聲學流體方程可寫為:
式中:p為流體動壓力,V為體積,x為流體質點的空間位置,uf、u˙f和u¨f分別為流體節點的位移、速度和加速度,ρf為流體密度,γ為流體的體積阻力,θi為與流體相關的變數,Kf為流體的體積模量,S為體積Vf的邊界,1k1和1c1為邊界引數,n-表示邊界的內法向方向。
由虛功原理定義的結構方程為:
式中:σ為結構應力張量,ps為作用於結構溼表面的壓力,n為結構表面的外法向方向,ρs為結構材料密度,αc為質量阻尼因子,u¨m為結構節點的加速度,t為作用於結構溼表面的阻力。
公式(1)和(2)是關於耦合變數um和p的變分方程。引入以下插值函式,流場內p=Hppp,p=1,2,…直到流體的節點數;結構內um=NNuN,n=1,2…直到結構的節點數。從而δp=HPδpp,δum=NPδuN,上標Q、P表示流體的壓力自由度,M、N表示結構的位移自由度,可得到以下離散的流固耦合方程:
式中:
式中:PN為應變轉換張量,βN:σ為張量的二次縮並,SPMfs和SQNfs分別為作用於流體和結構的耦合項。
3、模擬計算
3.1模擬模型
防護結構有限元模型如圖2所示,中間圓柱形主體部分和尾椎部分採用四邊形殼單元(S4R)模擬,所用鋼材料的屈服強度為410MPa,出現明顯塑性變形值取0.08[11];柱體與尾椎之間的螺栓連線簡化為面面(Surface-to-Surface)接觸;玻璃觀察視窗由於為脆性材料,簡化為剛體;流體採用六面體聲學單元(AC3D8R)模擬。結構溼表面與流體幹表面之間的網格不一致,採用Tie約束建立兩者之間的聲固耦合約束,流體域由一個圓柱體和兩個半球體組成,半徑為結構半寬的6倍,以減小流體慣性質量的影響,外邊界新增無反射邊界條件。計算採用總波公式,聲學介質表現為非線性,在衝擊波載入時更接近於結構載荷,此時聲學介質邊界指定為載入面,在聲學介質中產生與聲學總壓力相等的響應。
圖2有限元模型
為了校核模擬模型能夠正確計算,需要對防護結構模型進行模態分析,得到結構模型的模態振型,如圖3所示為結構的一階振型,可以看出結構沒有異常變形,驗證了建模的正確性。
圖3一階模態圖
3.2考核工況
根據防護結構極限使用要求,結構強度應滿足60kgTNT當量,衝擊因子0.5時攝像機安全,衝擊因子定義為C=W−−√/R,式中W為炸藥TNT當量(kg),R為炸藥與結構的最短距離。據此設計考核工況為炸藥位於首端面縱向15.5m處爆炸,此時衝擊波峰值壓力約11.48MPa。衝擊波載荷計算採用GeersandHunter半經驗半解析公式[14],衝擊波載入的壓力雲圖如圖4所示。
圖4衝擊波載荷壓力雲圖
3.3結果分析
防護結構1ms和5ms時刻的vonMises應力雲圖如圖5所示，可以看出結構總體應力低於材料屈服強度，最大應力出現在尾椎的端蓋處，約為181.3MPa。最危險處的應力時程曲線和等效塑性應變曲線如圖6和圖7所示，最大塑性應變約為128με，不會產生明顯的塑性變形，對結構強度沒有影響。該結構在實爆試驗[15]中的可靠應用也進一步驗證了結果的合理性。
圖5防護結構應力雲圖
圖6最危險處應力時程曲線
圖7最危險處等效塑性應變時程曲線
4、結論
文中用流體力學理論和聲固耦合法研究了高速攝像機水下防護結構的外部線型設計和抗爆效能模擬,得到如下結論:
1)採用此外部線型的防護結構流場分佈未形成“渦街”,在流體力學上穩定;
2)防護結構抗爆設計滿足考核工況下攝像機安全防護要求,可以用於60kg以下TNT當量炸藥氣泡脈動影象的拍攝;
3)模擬方法結合實際試驗驗證可有效應用於水下結構抗爆設計,節省試驗週期、降低試驗風險。
