潛艇水下毀傷試驗綜合測量與分析方法研究

韓大偉，張東俊，王天忠，楊衛東

(中國人民解放軍92337部隊，大連 116023)

0 引言

潛艇以其良好的隱身性能在各海軍強國軍事裝備發展中占有重要地位，但由于受水下操縱難、損管消防難等多種因素制約，在當今信息化條件下水下體系作戰中，其生命力受到巨大威脅。有效評估水下爆炸下潛艇的抗爆抗沖擊能力，對于潛艇裝備作戰運用與改進設計意義重大。實裝試驗無疑是最可靠最直接的檢驗評估手段，但其動用人力、物力、財力成本高且風險和難度較大，大范圍大批次開展的可能性小，試驗樣本量受到大大限制，仿真分析和模型試驗在一些規律性問題的研究上仍不失為輔助分析評估的有效手段。在實船水下爆炸毀傷試驗中，潛艇相比于水面艦船面臨更大難度和更高風險，如何在單次試驗中測量獲取盡可能完備的試驗數據，是擺在試驗設計和測試人員面前的一個重要難題。

以往文獻對艦艇結構水下爆炸理論、仿真與試驗測量技術方法開展了大量研究[1-19]，取得了許多有價值的成果。文獻[1]通過大量試驗數據擬合，給出了水下爆炸壓力場計算的經典公式，文獻[2]完善發展了Cole的水下爆炸理論，提出了水下爆炸沖擊波和氣泡脈動載荷在同一時間維度下的半理論半經驗公式，大量學者針對水下爆炸氣泡產生的沖擊波以及氣泡與其作用邊界的相互作用開展了理論與數值仿真研究[3-7]，文獻[8]基于五方程簡化模型對近水面水下爆炸開展了數值模擬，通過應用MUSCL-Hancock策略獲得了二階精度，與相關文獻中給出的試驗結果吻合良好；文獻[9]基于Mie-Grüneisen狀態方程開展了多介質可壓縮流動的水下爆炸數值模擬，并通過算例驗證了該方法的可靠性；這些都為水下爆炸載荷場的測試測量方法奠定了良好的理論基礎。文獻[10]利用Hopkinson桿作為應力波信號感知元件，給出了一種用于評估高壓電爆氣泡載荷的新的試驗方法和測試系統，提供了一種新的獲取和研究水下氣泡沖擊壁壓的方式方法，文獻[11]利用該試驗系統對一系列尺度的水下電爆氣泡引起的壁壓開展測量試驗，并根據試驗結果指出二次氣泡沖擊壓力同樣需要引起足夠的重視，但該測量方法難以實現開闊水域下的大當量水下爆炸測量工程應用。文獻[12]在分析水下爆炸下水面艦艇結構毀傷模式的基礎上，提出針對艦體結構薄弱環節的測點布置優化方案，為水面艦體結構毀傷測量提供參考，但典型設備和人員戰位處沖擊響應參數測量的缺失無法準確對艦艇功能毀傷情況進行評估；文獻[13]分析了近場爆炸下艦船毀傷測量的關鍵環節，重點提出采用緩沖器對測試模塊進行抗沖擊防護，并通過無線方式對數據進行轉存備份，為近場爆炸毀傷測量提供了思路和參考；文獻[14]對水下爆炸中自由場壓力和船體壁壓進行測量分析，研究結果表明船體壁壓的反射系數與沖擊波的入射角度有關，同時驗證了自由場壓力的水面截斷效應；文獻[15]從實船測量需求、測點管理、測量控制及測量數據庫等多個方面進行了較為全面的論述，為后續實船試驗測量技術研究搭建了較為完整的基礎框架；文獻[16]對水下爆炸氣泡脈動載荷在加筋板塑性變形中所占比例開展仿真與試驗研究，結果表明氣泡脈動載荷在塑性變形中所占貢獻比例一定范圍內隨爆距減小而增大；文獻[17]通過仿真分析結果給出了一種船用柴油機抗沖擊試驗測點布設方案，由于計算時以組合半正弦波替代水下爆炸載荷下甲板處的真實響應作為載荷輸入，結果的準確度有待進一步評估；文獻[18]分析了我國開展水下爆炸毀傷效能試驗與評估的現狀，指出由于多種因素制約試驗結果可信度，亟需開展實戰環境下的水下爆炸毀傷試驗以獲取真實的試驗數據；文獻[19]分析論述國外艦艇抗水下爆炸研究情況時指出，西方國家在20世紀就曾開展了多次潛艇實裝水下爆炸毀傷試驗，但由于保密原因，公開的文獻很少?？v觀已有文獻，對潛艇水下爆炸毀傷試驗測量與分析方法的系統性完備性研究不夠，大多研究還是集中在結構毀傷的測量與分析上，針對與潛艇生命力息息相關的功能毀傷評估需求的測量與分析研究甚少。我國在潛艇抗水下爆炸毀傷試驗與評估方面，無論從技術上還是經驗上，與西方國家還存在較大差距，開展潛艇水下毀傷試驗測試測量與分析方法研究，完善水下爆炸毀傷試驗的理論與技術體系，具有重要的應用價值和軍事迫切性。

本文提出一種潛艇水下爆炸毀傷試驗的綜合測試測量方法，分試驗前、試驗中和試驗后3個階段對測量要素進行了較為全面詳盡的分析論述，并提出了相應的測點布設方案和試驗數據處理方法，通過仿真試驗對綜合測量與分析方法進行探討，指出了測試測量與數據分析時需要注意的問題，對潛艇實裝水下爆炸毀傷試驗的數據采集與分析具有較好的參考價值。

1 測試測量系統總體設計

從時間維度上劃分，可以將整個測試測量系統分為三大部分：(1)試驗前的測試測量；(2)試驗過程中的測試測量；(3)試驗后的測試測量。其中，試驗過程中的測試測量又可以從空間維度上劃分為艇外測試測量和艇內測試測量。

1.1 試驗前的測試測量

試驗前的測試測量是整個試驗測試測量系統的重要組成部分，是試驗數據處理分析的初始基準，也是開展仿真分析、試驗方案預案制定和試驗數據評估的重要依據。水下爆炸下潛艇綜合毀傷試驗前的測試測量內容主要包括潛艇艇體結構尺寸布局，重要系統設備、人員、管系、閥門、水艙、油路、電路等空間布局，材料的靜態、動態力學性能，炸藥重量和體積，以及各測點、炸藥與艇體的相對空間位置等。

1.2 試驗過程中的測試測量

試驗過程中的測試測量是整個試驗測試測量系統的核心部分，該部分的特點是涉及要素多、實時度高、難度大，很大一部分參數的測量采集在秒級甚至毫秒級完成，為分析水下爆炸與結構的耦合響應，艇內艇外測試測量設備數據采集起點統一由炸藥附近的壓力傳感器壓感觸發，確保輸入和輸出置于統一的時間維度下。

1.2.1 艇外測試測量

艇外測試測量一是通過不同測點處壓力傳感器采集沖擊波載荷和氣泡脈動載荷的壓力-時間曲線，完成對艇體外部載荷環境的重構；二是通過水下高速攝像機采集氣泡脈動、射流、艇體迎爆面的動態響應過程等視頻信息，用于試驗后比對分析。

1.2.2 艇內測試測量

艇內測試測量一是通過不同測點處加速度、應變、位移等傳感器記錄水下爆炸下結構的實時動態響應特征；二是通過橫傾儀、縱傾儀、液位計等記錄潛艇的隨動響應特征；三是通過各艙室內部視頻監控記錄艙室破損情況、開機設備的運行情況等視頻信息。

1.3 試驗后的測試測量

試驗后的測試測量是整個試驗測試測量系統不可或缺的部分，該部分測量數據在潛艇抗毀傷評估體系中至關重要。作為試驗中測試測量的補充測量方式方法，試驗后的測試測量主要包括艇體破口和裂紋情況、塑性變形區域和變形量，以及艇載設備、儀器開機運行檢查等內容。

2 測點布設方案

2.1 艇外測陣布設方案

艇外測陣用于完成艇外沖擊環境的測試測量，主要由艇體基座陣、三角固定支架、壓力傳感器和水下高速攝像機(與水下強光源搭配使用)組成,如圖1所示，各測點編號按測量設備類型以首大寫字母作為1級區分，相同類型設備按功能作用以小寫字母作為2級區分，相同類型相同功能作用的測點縱向沿艇首至艇艉方向、環向沿以艇底部為起點的順時針方向順次編號。例如，圖1中Pz2表示第二個用于測量自由場壓力的壓力傳感器。

圖1 艇外測陣示意圖

艇體基座分別沿艇縱向(以中軸線為縱向)和環向等間隔分布，作為艇外傳感器安裝布設的基礎，也可作為水下爆源和潛艇的吊放環，基座的數量和位置可根據艇外測量總體需求選擇。

三角固定支架在潛艇首部和尾部布置，其根部通過螺栓連接于艇體基座，用于搭載艇外測試設備。支架應具備足夠的剛度，并滿足試驗工況下的抗沖擊要求，可通過水下爆炸建模仿真開展校核；為了不影響水下爆炸氣泡的膨脹和收縮，首尾支架之間距離應大于兩倍氣泡最大半徑，TNT水下爆炸產生的氣泡最大半徑Rmax可由式(1)確定[1]:

(1)

其中：W為炸藥質量，kg；h為炸藥水下深度，m。

根據Cole經典水下爆炸理論[1]，水下爆炸沖擊以球面波的形式向外傳播，載荷函數形式為：

(2)

為滿足艇外載荷環境的重構需求，通過三角固定支架在艇外布設不少于3個壓力傳感器用于采集水下爆炸自由場的沖擊波壓力-時間曲線，3點不應位于以炸藥中心為球心的同一球面上，且需遠離艇體一定距離以避免艇體對自由場流體的影響；在炸藥附近布設1個壓力傳感器，作為測量系統數據采集起始點的統一觸發信號；在艇體迎爆面縱向布設不少于3個壁壓傳感器，用于測量艇體壁壓。

水下高速攝像機需外加抗沖擊防護罩，并配備強光源以提高水下能見度，原則上應不少于兩臺。其中，測點S1處高速攝像機用于捕捉水下爆炸氣泡脈動過程，如果氣泡行程較長，可以考慮在高速攝像機前方加裝曲面透鏡或增加一臺高速攝像機的方式來增大捕捉視角；測點S2處高速攝像機用于捕捉艇體局部大變形過程、破口和裂紋擴展過程，整體“鞭狀運動”過程，以及氣泡邊緣接觸艇體后產生的水射流等。

2.2 艇內測陣布設方案

艇內測陣用于完成艇內狀態及各關鍵部位沖擊響應的測試測量，主要由各類傳感器、狀態監測設備、數據采集存儲設備及控制模塊等組成，各類設備在艇內需可靠固定，并采取必要的抗沖擊隔振防護措施，通過穿艙電纜與各傳感器和儀器儀表連接。

加速度傳感器布置于艇載重要設備基座處，以及艇員、甲板板等位置，用于測量水下爆炸下重要設備、人員處的沖擊響應，主要設備和它們的基座之間布置位移計，測量其位移響應，通過層次分析法等方法確定引起重要設備和人員毀傷的關聯因素及各關聯因素的貢獻度，以用于潛艇各功能的毀傷分析。

應變計或應變片布置位置包括：各艙室中部、前后各1/4處耐壓殼和肋骨處，離爆源最近的艙室迎爆面適當增加布置數量密度，用于塑性大變形測量；沿潛艇背爆面耐壓殼體母線與艙壁連接點及各艙中點位置布置若干應變片，在艙壁中心位置布置應變片作為其他應變片的參考基準，用于分析艇體在水下爆炸氣泡脈動下產生的“鞭狀運動”；沿潛艇底部龍骨位置縱向布置若干位移計和速度計，用于測定潛艇水下爆炸沖擊下的剛體運動。

每艙艙內安裝若干路監控，用于監視各艙破損情況和主要設備的運轉情況；安裝橫傾儀、縱傾儀、進水、火災、氫氣濃度等監測報警設備傳感器若干，用于艇內狀態監控。

3 數據分析方法與仿真試驗

3.1 艇外沖擊環境反演重構

由于受海流等因素影響，爆源、目標實際位置與預設位置之間可能存在動態偏差，其爆炸瞬間的相對位置往往無法準確測量，需要通過自由場壓力傳感器信號時差進行反演推算。圖1中，假設自由場壓力測點Pz1、Pz2、Pz3與爆源附近測點Pz0的信號時差分別為t1、t2、t3，水下爆炸沖擊波以水中聲波速度c以球面波的形式向外傳播，爆源實際水下爆炸位置點可通過分別以ct1、ct2、ct3為半徑的3個球面的交點確定，然后以此為位置點輸入對水下爆炸沖擊環境進行理論計算，并與試驗測量數據進行比對，修正理論計算結果，完成水下爆炸沖擊波載荷和氣泡脈動載荷的時間歷程與空間分布的反演重構。通過壓力傳感器記錄分析氣泡脈動載荷的幅值、周期和載荷歷程曲線，與水下高速攝像機采集的氣泡動態視頻信息以及理論計算結果進行多維度比對，對理論計算結果進行修正，作為仿真試驗的輸入。以某型潛艇為算例，用于仿真分析的潛艇耐壓殼體直徑9 m，全長87.25 m，水下全排水量4 997 t，分7個耐壓水密艙室，內部雙層甲板。潛艇位于水下30 m，爆炸源TNT當量25 kg，布置于潛艇IV艙中部正下方15 m，水下爆炸載荷形式取Geers-Hunter模型[2]中的沖擊波階段和一次氣泡脈動階段，潛艇迎爆點的載荷歷程如圖2所示。

圖2 水下爆炸載荷時間歷程

3.2 艇體塑性變形及破口

采用ABAQUS聲固耦合算法[20]開展仿真計算，結果表明，在水下爆炸沖擊下，潛艇迎爆面(IV艙中部正下方)產生局部內凹塑性大變形，其它位置未產生明顯塑性變形，如圖3所示，塑性變形區最大變形量為0.246 m，位于迎爆點處肋骨與相鄰肋骨之間耐壓殼體中間位置，塑性變形區域遍及迎爆點處肋骨直至相鄰兩肋距區域，約2.4 m，其中迎爆點處肋骨最大塑性變形量為0.236 m，與迎爆點處肋骨相鄰的第一根肋骨處最大塑性變形量為0.150 m，與迎爆點處肋骨相鄰的第二根肋骨處最大塑性變形量為0.040 m。

圖3 結構局部塑性變形剖視圖

在迎爆點布設測點A，在III艙與IV艙之間的艙壁中部布設測點C，通過A點與C點位移歷程的差值得出迎爆點的相對位移歷程曲線，如圖4所示。由仿真結果可以發現，迎爆點在沖擊波加載階段并未產生塑性變形，僅產生了彈性范圍內的微幅震蕩，而是在一次氣泡脈動階段產生較大塑性變形，之后產生較大幅度震蕩，可見在實艇水下爆炸沖擊響應分析中，氣泡脈動載荷的影響不可忽視，這是因為潛艇作為細長的船體梁結構，在外部沖擊載荷下的垂向/橫向振動效應明顯，整體彎曲振動產生的拉壓載荷與外部沖擊載荷聯合作用下容易產生殼體局部應力超出彈性極限而產生塑性變形。

圖4 迎爆點位移歷程曲線

3.3 潛艇剛體位移響應

潛艇在底部垂直方向受到水下爆炸沖擊作用，平面艙壁中部四周受到約束而不易產生垂向變形，故以III艙與IV艙之間的艙壁中部測點C記錄潛艇剛性位移響應，如圖5所示。

圖5 潛艇的剛體位移歷程曲線

由仿真結果可以看出，潛艇在沖擊波載荷加載階段剛性位移不明顯，剛性位移主要發生在氣泡脈動載荷加載階段，在水下爆炸沖擊后的0.5 s時間內產生了約5 cm左右的剛體位移。

在II艙下甲板中部布設加速度測點，用于提取其垂向加速度響應，仿真計算結果如圖6所示。

圖6 加速度測點響應歷程曲線

沖擊波加載階段(0～1.5 ms)，產生較大幅值的垂向加速度響應，之后衰減，在一次氣泡脈動載荷加載階段(0.3～0.35 ms)垂向加速度響應又有較大幅值的增長。

3.4 艇體“鞭狀運動”重構

水下爆炸沖擊下，潛艇背爆面不易產生塑性變形，在潛艇頂部耐壓殼體與各艙壁交點處布設測點B1～B7，通過各測點與測點C的相對位移響應分析艇體的“鞭狀運動”情況，仿真結果如圖7所示，可以看出，艇體從一次氣泡脈動載荷加載中后段開始產生了明顯的“鞭狀運動”效應，其振型為二階模態，這是沖擊波載荷和氣泡脈動載荷聯合作用的結果。

圖7 艇體“鞭狀運動”效應

4 結束語

本文提出一種潛艇水下爆炸毀傷試驗的綜合測試測量方法，分試驗前、試驗中和試驗后3個階段對測量要素進行了較為全面的分析，并提出了相應的測點布設方案和試驗數據處理方法，通過仿真試驗對綜合測量與分析方法進行探討，通過分析可以發現，在測試測量和數據分析時需著重注意以下幾個方面問題：

1)在依托計算機測量與控制開展的潛艇毀傷試驗中，應設置統一的時間度量，便于數據處理與沖擊響應分析。

2)氣泡脈動載荷雖然幅值不高，但在與沖擊波載荷聯合作用下會對結構沖擊響應產生較大影響，在載荷測量中不可忽視，在沖擊波壓力和動態響應的測量中應設置足夠的采集時長。

3)在依托測點動態應變響應的數據測量與分析時，應避免沖擊位移帶來的影響；同樣，在依托測點沖擊位移的數據測量與分析時，應避免大的動態應變帶來的影響。

本文較為全面地分析闡述潛艇毀傷試驗測量與數據分析方法，對潛艇等水下結構物毀傷試驗的開展具有較好的參考價值，但由于潛艇系統設備復雜，開展典型設備多參數測量并分析其聯合作用下的失效機理是后續測量與分析研究的重難點。