舱段结构在气泡射流作用下的毁伤效果(2)
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【摘要】图4 工况2 中应变及水中压力曲线Fig.4 Strain and water pressure curves in case 2 图5 工况3 中应变及水中压力曲线Fig.5 Strain and water pressure curves in case 3 需要注意的是
图4 工况2 中应变及水中压力曲线Fig.4 Strain and water pressure curves in case 2
图5 工况3 中应变及水中压力曲线Fig.5 Strain and water pressure curves in case 3
需要注意的是,工况2 测点E 的应变曲线中,在2.23 和2.52 s 左右结构均出现了幅值较大的应变阶跃,而且该时刻的阶跃值较因初始冲击波作用产生的应变阶跃值大,而对应时刻的气泡脉动压力与冲量都较第1 次气泡脉动小得多。因此可以得出,应变的阶跃现象不是由于单纯的气泡脉动载荷产生的。
为分析该阶跃的成因,由Geers-Hunter 模型[14]计算得出工况2 中在前2 个气泡脉动周期结束时,气泡上升的距离为3.70 m,此时气泡距离舱段底部小于2.20 m,与气泡半径相当,由边界效应,气泡坍塌将产生指向舱底的射流,据此推断,应变阶跃是射流冲击载荷引起的。工况3 中未出现应变阶跃,这是由于在气泡上浮至水面、大部分气泡脱离水体的过程中,结构的阻挡使得少量气体滞留在模型底部水中,尽管也能形成射流,但能量却小得多。虽然工况3 中并无明显的阶跃,但是射流冲击载荷对外底板结构的影响依然明显,该影响表现为应变信号中最后2 次幅值较小的信号脉冲,分别在工况3 中7.56与7.80 s 左右。
图6 为工况4 测点E 的应变信号,与图4 ~5 中应变信号不同的是,图中只有2 次信号脉冲:第1 次明显是初始冲击波产生的,第2 次则发生在3.63 s左右。工况4 中气泡溢出并没有完整的气泡脉动过程,由于药包放置较浅,大部分的气泡能以水柱的形式射出水面,只有很小一部分气泡被结构阻挡在模型底部水中,是这一小部分气泡载荷的作用使结构产生了第2 次应变脉冲 s 之后没有气泡载荷再作用于舱段外底,表现为没有脉动信号的出现。通过工况2 ~4 的应变信号对比可以得出,气泡射流冲击载荷对船体结构造成的动态响应非常剧烈。
图6 工况4 应变曲线Fig.6 Strain curve in case 4
2.3 射流影响范围分析
图7 为工况2 中A、B、C、D 等4 个典型测点的应变曲线。测点B 所在的外底板区域b 位于药包正上方,受到气泡射流冲击载荷的直接作用,因此阶跃幅值较其他几个测点明显。由于测点B 与测点E都位于区域b,且关于药包位置对称,结合图4 测点E 应变曲线,可以看出两者应变变化趋势基本一致。测点A、C 分别位于测点B 所在板格的旁边2 个板格,由于偏离药包正上方,因此结构动态响应较测点B小,但依然能从应变信号中看出小幅的应变阶跃。结合图3,可以发现,船体外板板格受射流冲击作用影响较大的区域为区域a、b。由此可以推断,相对于中远场中气泡脉动载荷会引起整船的“鞭状运动”,中近场水下爆炸产生射流冲击载荷只是对船体局部结构造成损伤。
2.4 外板变形情况分析
所有工况实验结束之后,双层底外板变形情况如图8 所示。由图中可以观察到,舱段外板仅有位于区域a、b 中间的4 个板格发生了较明显的塑性变形,这与射流影响范围分析得出的结论一致。其中,测点B 所在板格挠度最大,为9.6 cm,测点E 所在板格最大挠度为8.7 cm。而测量得到区域a 中部2 个板格的最大挠度为3.8 cm。
由表1 可知,工况1 ~2 中药包距区域b 较近,而工况3 ~4 中药包距区域a 较近。若仅从冲击因子的角度考虑,区域a 外板变形程度应较区域b 大,然而实际上并非如此,说明外板肯定还受到了除冲击波以外其他形式的载荷作用。由前节分析,该载荷即为射流冲击载荷。
另外,仔细观察区域a、b 中间的板格,其变形模式有不同之处。区域a 在板格边缘出现方形的塑性铰线,如图8(b)。塑性铰线范围内板格变形曲率相对较平缓。而区域b 并无较清晰的塑性铰线,且中间两板格呈现变化较为连续的“大鼓包”的变形模式。区域a 最大凹陷处位于板格中央,区域b 最大凹陷均在靠近实肋板的纵骨上。区域a 与区域b 不同的外板变形情况正好体现出射流冲击载荷特性与冲击波载荷特性的区别:在中近场水下爆炸作用下,整个船体外板将受到球面波作用,区域a 中将2 块板格尺寸相对较小,可以近似认为板格受到均布面载荷作用,因此产生了较为明显的塑性铰变形;而射流冲击载荷作用范围小,能量较为集中,工况2 下,射流集中作用于区域b 中间实肋板附近,导致最大变形位置并非在板格中心点。这种变形模式的不同再一次验证了前节中的结论。
图7 工况2 典型测点应变曲线Fig.7 Strain curves of typical measuring points in case 2
图8 外板变形情况Fig.8 Plastic deformation of the out plate 文章来源:《固体力学学报》 网址: http://www.gtlxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0205/397.html 上一篇:帽型梁落锤轴向冲击实验及有限元分析
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