您的当前位置:首页正文

加筋板结构在水下爆炸冲击波作用下动态响应的近似相似方法研究

2021-02-08 来源:客趣旅游网
第14卷第11期 船舶力学 Vo1.14 No.1 l 2010年11月 Journal of Ship Mechanics NOV.2Ol0 文章编号:1007—7294(2010)1卜1276—08 加筋板结构在水下爆炸冲击波作用下 动态响应的近似相似方法研究 张振华 2,肖昌润 ,陈 亮。,王 乘 ,黄玉盈 (1华中科技大学土木工程与力学学院,武汉430074;2海军工程大学船舶与海洋工程系,武汉430033; 3海军驻上海江南造船集团军事代表室,上海200023) 摘要:提出了同时考虑流固耦合和材料应变率强化效应时,加筋板结构在水下爆炸冲击波作用下动态响应的相 似条件。在此基础上,提出了该问题的近似相似方法。该方法通过在模型和原型之间建立一个修正模型,达到利 用修正模型的冲击响应近似预报原型响应的目的。最后提出了利用缩比模型试验预报原型冲击塑性变形的模型 化试验方法。文中结论可用于指导利用模型试验预报船体局部板架在水下爆炸冲击波作用下动态响应。 关键词:加筋板;水下爆炸;相似律;冲击波;动态响应;应变率效应 中图分类号:U661.43 文献标识码:A Approximate scaling method of stiffened plate subj ected to underwater explosion blast ZHANG Zhen—hua。,2 XIA 0 Chang-runz,CHEN Liang3,WANG Cheng。。HUANG Yu-ying (1 School of Civil Engineering&Mechanics,Huazhong University of Science and Teehology,Wuhan 430074,Chin ̄ 2 Dept.of Naval Architecture&Ocean Eng..Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China; 3 Naval Military Deputy Office of Shanghai in Jiangnan shipyard group,Shanghai 200023,China) Abstract:The dynamic response scaling law between a model and aprototype stifened plate subjected to an— derwater explosion blast is presented when both liquid-solid coupling and strain rate effect is considered. By this method,a correct model is presented between model and prototype stiffened plate in order to pre— dict the permanent displacement of prototype stiffened plate.Finally,a scaling experiment method is brought forward to predict dynamic reponse of ship local structure subjected to underwater explosion blast. Key words:stiffened plate;underwater explosion;scaling method;blast;dynamic response;strain rate effect 1引 言 舰船结构在水下爆炸作用下的动态损伤一直以来都是考核舰船战时生命力的重要指标之一。相对 实船爆炸试验来说,缩比模型试验具有试验成本低,便于深入研究结构损伤机理的特点。正是由于缩比 模型试验具有这样的优点,研究者们对该问题进行了大量的缩比模型水下爆炸试验W3, 。那么缩比模 型的试验结果在什么情况下可以按照几何相似关系换算到实船上?在准确相似不成立的情况下,能否 提出一种近似模化试验方法从而利用模型试验结果预报实船动态损伤?本文在Oshiro等人的研究基础 收稿日期:2010—03—17 基金项目:国家基础研究973项目资助 作者简介:张振华(1976一),男,博士后,华中科技大学副教授。 第11期 张振华等:加筋板结构在水下爆炸冲击波… 1277 上H,通过对加筋板结构在水下爆炸冲击波作用下动态响应问题的相似畸变进行研究,提出了一种加筋 板在水下爆炸冲击波作用下动态响应的近似相似方法,初步探讨了这些问题的答案。 加筋板结构如图l所示,其中 为板架长,日为板架宽,板架四周简支。外板厚度为h,L方向有加 强筋m根,B方向有加强筋17,根, 方向加强筋的塑性极限弯矩和塑性极限中面力分别为 和 , 方 向加强筋的塑性极限弯矩和塑性极限中面力分别为 和 。板材密度为 ,材料静态屈服应力为 。 L 图1板架原型 图2板架腺型爆炸工况 Fig.1 Stifened plate prototype Fig.2 Explosion condition of sitfened plate 加筋板结构材料应变率强化效应用Cowper—Symonds模型表示,如(1)式所示。其中 为动态屈服 应力; 为等效应变率;n和b为材料常数。 l  f、b :1+f\口旦1/  (1) 如图2所示,设装药在模型正下方爆炸,爆距为尺,装药量为 。则根据库尔的经验公式,加筋板 外板表面处的冲击波入射压力P为[51: 古 后 ,= 其中p 为冲击波入射峰值压力,0为时间常数,t为时间;Or, ,k,Z为经验系数。根据文献[1】的能量分 析,如果以板架最终塑性变形 为表征其损伤程度的物理参数,则有: W=f(L,B,h,m,n, , , , ,P , ,PwC,尸m,0,Ct,b) (3) 2相似条件 设原型和模型材料相同且几何相似,记模型和原型的尺寸之比为卢 。其中角上标m表示模型, 上角标p表示原型,下角标 表示尺度,即: 表1模型和原型物理量之比 Lm=卢 (4)…Ratioof ph ysics n mem。其中 为模型板边长, 。为原型板边长。因为模型和 原型材料相同,故应力波在模型和原型中的传播速度 相同,即 =C。。则模型与原型的时间度量之比为: = =卢 (5) 同理可以得到模型和原型中其它各物理量的比 例关系,如表1所示: 以外板厚度h、板架材料密度p 和屈服强度 为 l278 基本物理量,则(3)式可以化为无量纲形式: =船舶力学 第l4卷第11期 / 鲁 n, ,孝2,参3, Ny., 2, ,参譬,6) 表2自变量相似参数 Tab.2 Similarity parameters of self-variables ㈣ (6)式右边各无量纲参数为自变量相似参数,如表2所示分别对应Ⅱ 到//, 。各相似参数的物理意 义也是很明确的,口 、玎2、 和 表征结构的几何特性;玎5、 、仃6和 表征结构内广义力;皿表征 流固耦合作用;仃。。和HI 表征水下爆炸冲击波载荷;H1:和Ⅱ。 表征材料应变率强化特性。要使得模型 与原型的最终塑性变形相同,需要使得原型和模型在表2中的各相似参数相等。 设板架单位面积质量为m。考虑流固耦合效应,设A=(p cO)/m,V 为板架中心最大速度,则阍: : A吉 (7) P 从 的表达式中可以看到,水下爆炸冲击波压力峰值 、时间常数0和水阻抗PwC均包含在板架 运动的最大速度 。当中。而材料应变率强化模型参数0和6则包含在材料动态屈服应力 中。这样 (3)式就可以转化为: =f(L,B,h,m,几, , , , ,Ps,O"d,V。) (8) 以外板厚度h、板架材料密度Ps和动态屈服强度 为基本物理量,则(3)式可以化为无量纲形式: = ,鲁 n,务, , ,孝, ) 表3自变量相似参数 Tab.3 Similarity parameters of self-variables 对(9)式中的相似参数重新进行列举,如表3所示,这样相似参数就由13个减少到9个。 因为极限弯矩和极限中面力中包含了动态屈服应力,所以在几何相似的条件下可以保证模型和原 型的前8个相似参数相同,即: 一一  一一  一一  一一  一一  一一  一一 玎8 一 (10) 如果能使得模型和原型的相似参数口相同,则模型和原型满足准确的几何相似关系。由此得到模 型和原型的准确相似条件,即当模型和原型同时满足如下3个条件时,加筋板结构在水下爆炸冲击波 作用下模型和原型的动态响应满足准确的几何相似关系: (1)模型和原型结构几何相似且材料相同; (2)在模型和原型的爆炸工况中,装药尺寸和爆距满足几何相似关系; (3)原型和模型的相似参数,J相同。 第1l期 张振华等:加筋板结构在水下爆炸冲击波… 1279 3相似畸变 下面讨论由于材料应变率强化效应引起的模型和原型之间的相似畸变。此时表1中的屈服应力 全部用(1)式中的动态屈服应力 代替。由于应变率强化效应的影响,模型与原型中的应变率并不 相同,这使得材料的屈服应力不同。根据前面的分析,着重对相似参数仃进行讨论。模型和原型的Ⅱ之 比为: ,, .. ..。。.. m + P om , ●一6 P fI J\ \、● ●●●/ 如果模型和原型的材料相同,则(11)式可以化为: 一一f\  印』\  (12) 由此可知,要使得模型和原型相似,必须使得(12)式等于1。但由于应变率效应使得问题变得比较 复杂。这时原型和模型的仃之比是应变率和冲击速度的函数,不等于1,模型和原型产生了相似畸变。 4近似相似方法 根据Oshiro的研究结果,为了达到利用模型动态响应预报原型响应的目的,可以在模型和原型之 间建立一个过渡模型,其结构尺寸和材料与模型完全相同,称其为修正模型,与修正模型相关的物理 量用上标c表示, 印表示修正模型的物理量与原型的比值。建立修正模型的目的是,通过调整修正模 型受冲击时最大速度,使得修正模型的仃与原型的仃值相同,从而达到利用修正模型预报原型冲击 响应的目的。 (a)模型 (b)修正模型 (c)原型 (a】Model (b)Corrected model (C)Prototype 图3修正模型的建立 Fig.3 Bring forward of corrected model 欲使修正模型与原型相似须满足: /ccp cp2一//: :l (13) P 。 因为修正模型和原型的材料密度相同,故 =1,由(13)式有: (14) 1280 设板架中心外板边缘的应变为r刀: =船舶力学 第14卷第11期 告 2=丁Woh =告 2:丁Woh 百,rr) (15) 有效应变率 为: :李 。瓣 (16) 设B--TL,则: 杀 (17) 在几何相似的情况下,h/L为常数,故可以认为有效应变率与冲击速度成正比,与结构主尺度成反 比,即: 。c 由(18)式可知: = , (18) 每 cl9 (20) 将(19)式代人(14)式变为: 根据表2可知,加筋板1和加筋板4的冲击速度是相同的,故卢cp 和卢cm  日等/ ̄,, 可以通过对模型板 架进行冲击试验测量得到,而 、D和p是已知参数。所以可以通过对(2o)式叠代求得 ,进而得到 对修正模型的冲击速度。这样修正模型和原型近似相似,故通过试验测量修正模型的最终变形后,可 以得到原型的最终变形。 关于修正模型冲击速度的调整方法,考虑流固耦合效应,可以通过装药量不变,仅调整爆距R来 达到用修正冲击速度对修正模型进行加载的目的。 士 :乒:堕 :尼 P册A A (21) 其中k=R /R 。通过求解(21)式可以得到k,进而得到修正模型工况中的爆距R。 5算 例 以某型船船体局部结构加筋板为原型。原型为一边长为10m的正方形板架,四周简单支撑,外板厚 度10ram。横向和纵向各有加强筋5根,横向和纵向加强筋尺寸相同。加筋腹板尺寸为8mmxl O00mm, 加筋面板尺寸为8mmxl O00mm。模型共有2个,模型1几何缩比为1:10,模型2几何缩比为1:3。模型 和原型的结构材料均为普通钢,屈服应力为250MPa。普通钢Cowper—Symonds应变率强化模型中 第11期 张振华等:加筋板结构在水下爆炸冲击波… 1281 40/s,b=5。结构具体尺寸见表4。 表4加筋板原型和模型尺寸 Tab.4 Dimensions of model and prototype stiffened plate 加筋板原型的爆炸工况取船体局部板架受水下爆炸冲击作用的典型工况。装药量l O00kg,爆距分 别为8m,lOm,12m和14m。表5显示了加筋板原型的爆炸工况、冲击波入射参数和板架最大运动速度。 板架最终塑性变形可利用能量守恒原理求得,即利用板架的动能等于板架的塑性变形能的条件求解。 表5原型爆炸工况 Tab.5 Explosion condiiton of prototype ̄ffened plate 表6显示了利用模型1预报原型最终塑性变形的结果。根据几何缩比关系,装药量为lkg,相对原 型8m的爆距,模型l的爆距为0.8m。此时模型1的最大冲击速度为77.6m/s,与原型相同,这与表1中 的对应关系相符。利用能量法得模型1在该工况下的最终塑性变形为0.076 5m。根据几何缩比关系,预 报原型的最终塑性变形为0.765m,与原型实际变形0.831 5m的误差为8.69%。 表6模型l预报原型变形结果(几何缩}匕1:10) Tab.6 The deformation of prototype stifened plate predicted by model 1 根据(20)式调整模型l的最大冲击速度,冲击速度的调整可以通过控制装药量和爆距来实现。由 (20)式得到速度修正系数 为1.059,可知对修正模型的冲击速度为82.2m/s,利用能量法可求得此时 修正模型的最终塑性变形为0.083 2m,按照几何缩比关系预报原型变形为0.832m,与原型实际变形 0。831 5m的误差为0.06%。误差比未进行修正的预报结果减小了2个数量级。 表7显示了利用模型2预报原型最终塑性变形的结果。根据几何缩比关系,装药量为37kg,相对 原型8m的爆距,模型2的爆距为2.67m。此时模型2的最大冲击速度为77.6m/s。利用能量法得模型2 在该工况下的最终塑性变形为0.267 lm。根据几何缩比关系,预报原型的最终塑性变形为0.801 3m,与 原型实际变形0.831 5m的误差为3.77%。 由(20)式得到速度修正系数卢 为1.026,可知对修正模型的冲击速度为79.6m/s,利用能量法可求 得此时修正模型的最终塑性变形为0.277 3m,按照几何缩比关系预报原型变形为0.831 9m,与原型实 际变形0.831 5m的误差为0.05%。误差比未进行修正的预报结果减小了2个数量级。 1282 船舶力学 表7模型2预报原型变形结果(几何缩比1:3) 第14卷第11期 Tab.7 The deformation of prototype stiffened plate predicted by model 2 通过以上算例可以看到,利用本文提出的通过调整修正模型冲击速度的近似相似方法,可以大幅 减小由于相似畸变引起的预报误差。 6近似模型化试验方法 下面根据本文提出的近似相似方法,对利用小模型冲击试验预报大模型冲击响应的模型化试验步 骤进行说明: (1)根据所要研究原型结构的尺寸和试验条件确定试验模型的几何缩E 型材料相同,几何相似并具有相同的约束条件; ,保证原型和试验模 (2)采用Cowper—Symmods材料动态强化模型,利用hopkinsen杆试验确定结构材料的动态性能 参数0和b。 (3)根据几何相似条件确定试验模型工况的装药量和爆距; (4)对试验模型进行冲击试验,测量其关键部位的应变率 ; (5)加工制作与试验模型的材料、几何尺寸和约束条件完全相同的修正模型; (6)对(20)式进行叠代求解得 ,进而得到对修正模型的试验冲击速度 (7)利用(21)式计算修正模型的爆炸工况; ; (8)对修正模型进行水下爆炸冲击试验,测量其关键部位的动态响应(最终变形); (9)利用修正模型1和原型的几何相似关系确定原型的最终变形。 根据以上步骤就可以在实验室内只须通过对两个小模型进行水下爆炸试验来预报大型结构的最 终变形,从而节约实船结构试验的巨额费用。 7结 论 本文针对加筋板结构在水下爆炸冲击波作用下动态响应问题,根据相似定律提出了加筋板结构在 水下爆炸冲击波作用下动态响应的3个相似条件。在Oshiro等人工作的基础上,提出了同时考虑应变 率效应和流固耦合时加筋板结构在水下爆炸冲击波作用下动态响应的近似相似方法,并从理论上证明 了其有效性。最后提出了该问题的模型化试验方法,该方法可以用于指导预报实船局部板架结构在水 下爆炸冲击波作用下塑性变形的模型试验。 参考文献 [1】张振华.舰船结构水下抗爆能力研究【D1.武汉:海军工程大学,2004 第11期 张振华等:加筋板结构在水下爆炸冲击波… 1283 【2】 朱锡,张振华,刘润泉.水面舰艇舷侧防雷舱结构模型抗爆试验研究【J].爆炸与冲击,2004,24(2):133—139. 【3】 朱锡,白雪飞,黄若波.船体板架在水下接触爆炸作用下的破口研究fJ1.中国造船,2003,44(1):46—52. [4] Oshim R E,Alves M.Scaling impacted structures[J].Archive of Applied Mechanics,2004(68):130-145. 【5] Robea Cole.Underwater Explosions[M].Dover Publications,New York,1948. [6] R ̄endran R.Narasimhan K.Deformation and fracture behaviour of plate specimens subjected to underwmer explosion-a re— view[J].Intemational Journal fo Impact Engineering,2006(32):1945—1963. [7】 陈铁云,陈伯真.船舶结构力学[M].第一版.上海:上海交通大学出版社,1997:206. 【8】 张效慈.水下爆炸试验模型律的若干问题『J].船舶力学,2009,13(5):783—787. Zhang Xiaoci.Some problems for model law of underwater explosion tests[J].Journal of Ship Mechanics,2009,13(5): 783-787. Zhang Xiaoci.SeMing law for experiment of underwater explosion with several independent geometircal scales[J].Journal of Ship Mechanics,2008,12(3):490-499. 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容