水下爆炸冲击载荷等效加载实验设备的研制

Along with the wide application of various materials and structures in underwater security protection of naval vessels, it was caused the high value that the study of the dynamic response of the new materials and structure subjected to underwater explosion(UNDEX) loading. At present, the related experimental methods is relatively single, mainly dependent on real ship UNDEX test in the sea and the pool experiment. It has become a pressing needs that how to realize simulation underwater explosion shock environment in the laboratory. The theory, numerical simulation and experimental methods will be carried out in the project to research a novel special equipment. The equipment can produce the equivalent UNDEX loading through the projectile impacting the target chamber which filling water. Thus, an experimental analysis platform of equivalent shock response will established. And the failure mode and absorbing deformation characteristics of the material and the classical structure would be studied on the UNDEX impact loading. It will be verified the effectiveness of the experiment platform with the tank test and numerical simulation technology.The experiment platform maybe replace a certain degree of shock response of UNDEX test, and it will be more convenient, safety and easy control for the shock response analysis of the material and structure. The project will be promoted UNDEX shock analysis of the material and structure and the relevant work has certain scientific significance and application value.

随着各种材料与结构在舰船和潜艇水下防护上的广泛应用，这些材料和结构在水下爆炸冲击载荷作用下的动力学响应研究已引起高度的重视。目前，实验研究方法主要依赖于水下实爆和水池实验，较为不便。因此，如何在实验室中实现模拟水下爆炸冲击波环境，已成为迫切的研究需求。本项目通过理论、数值模拟及实验的方法，研制实验室内专用设备，在不使用炸药的情况下，利用液氮驱动高速弹丸，撞击充水靶仓获取等效水下爆炸冲击波载荷的方法，建立撞击等效水下爆炸冲击响应实验设备。研究不同材料与典结构在水下爆炸冲击载荷作用下的失效模式与吸能变形特性，并结合水下爆炸实验与数值仿真技术验证等效加载实验设备的有效性。冲击加载实验设备的建立能够在一定程度上替代水下爆炸冲击响应实验，使材料与结构的水下爆炸冲击响应研究更加方便、安全，也更具可控性，这将有力地促进水下爆炸冲击下材料与结构的动力学响应研究，相关工作具有科学意义与应用价值。

新材料与结构在舰船和潜艇水下防护上的广泛应用，使得它们在水下爆炸冲击载荷作用下的动力学响应研究引起高度的重视，但实验研究方法主要依赖于水下实爆和水池实验，十分不便。因此，如何在实验室中实现模拟水下爆炸冲击波环境极为有必要。.基于弹性波理论与数值仿真技术，对撞击产生等效水下爆炸冲击波的原理进行了研究，验证了装置的可行性。研制出了一台等效冲击加载实验装置，它由一级轻气炮、水靶舱、方舱、压力采集以及飞片测速系统等组成。通过试验校核了冲击波压力时程，发现撞击速度与活塞厚度分别决定冲击波的压力峰值与脉宽。基于数字图像相关（DIC）方法，搭建了三维动态DIC测试系统。该系统由高速相机、卤素灯、数据采集工作站以及同步触发装置组成，实现了对靶板响应过程的拍摄，可得到干表面的离面位移场的形成与演化过程。.对铝靶板冲击的加载实验与数值模拟发现，在铝板响应前期，位移场是由外向内呈现“环形”过渡演化的，边界存在弯曲现象；当达到最大变形后出现微小的“回弹”。在无边界剪裂的情况下，铝板的最大离面位移与无量纲冲量成线性关系。对蜂窝铝板的冲击实验表明，增加芯层厚度明显增强了蜂窝铝板的抗冲击能力。芯层在受载前期被压垮压实，靶板中心产生大面积变形区，之后蜂窝铝的变形过程与铝板一致，即最大变形由外向中心过渡。蜂窝铝板主要毁伤模式有：芯层压溃整体大变形伴随湿表面褶皱、干表面边界剪裂破坏、湿表面芯层压痕以及整体翘曲。纤维板的冲击实验表明，CFRP与GFRP均呈现脆性破坏特性，在受载初期呈现一定的线弹性。CFRP易产生裂纹撕裂，且断口粗糙，存在分层、纤维拔出等现象，脆性特征显著。GFRP受载后的离面位移场会不断振荡，且材料内部出现层裂区域，载荷越大层裂区域也越大，同时伴随基体开裂与纤维界面脱粘。预制裂纹在靶板破坏过程中起到的关键作用，“十”字预制刻槽的铜板主要有中心局部颈缩、中心镂空和十字形撕裂的破坏模式。泡沫铝板主要有两种破坏模式，即小载荷时约束边界处发生边界剪裂，强载荷下中心区域易发生断裂毁伤且约束边界处发生边界剪裂，中心断裂会产生三条裂纹。.本项目的研究表明，等效冲击加载实验设备的研制能够在一定程度上替代水下爆炸冲击响应实验，使材料与结构的水下爆炸冲击响应研究更加方便、安全，也更具可控性，将有力地促进水下爆炸冲击下材料与结构的动力学响应研究，相关工作具有科学意义与应用价值。