空中爆炸载荷国内外研究现状与进展

在国外相对比较发达的国家更多的是在使用了实船研究的方法,但由于相关的空爆试验都是有关于军工的,出于涉及机密,能查到有关于空爆实验的文献极少


首先,空中爆炸分为接触性与非接触性,单从基本理论上来讲便有许多不同。其中空中接触爆炸比较特殊,国内外学者对这种爆炸研究相对比较少。同时,研究与军工挂钩,出于保密性的要求,与爆炸有关的文献中也很少有对空中接触爆炸的记载。实船实验中,在爆炸载荷接触舰船表面的瞬间,对于破口处的相关数据。还没有能够测量的实验相关仪器。只有在实验后,对破口半径测量以及对周边板梁和设备的数据测量进行数据整理才能得出相关的实验数据,这就体现了实验的局限性。

由于实验具有测量数据困难、实验方式危险、花费巨大等特点,国内外对空中爆炸载荷的研究少之又少,且多集中在较为简单的非接触性爆炸的研究上。现有的研究成果大都是一些数值方面上的研究。现在可以查阅到的一些关于空中非接触爆炸的相关理论对前人的经验的总结,我们仍然需要对相关的基础理论进行深入研究才能更加深入理解空爆理论。

现代的国际形不明了以及海上格局的不稳定性,致使各国都竞相研究如何改进舰船的抗爆性能,力争占据海战中的主导权。但由于空中爆炸冲击波的相关理论的不成熟以及完成实验需要很大一笔资金,只有很少的研究报告可以参考,可以查阅的相关研究报告也都只是些数值研究,甚至都很难找到可以做类比的数据,同样空中非接触爆炸的研究也出于这种处境。下面简要阐述下国内外关于空爆的相关研究。

1、 理论研究

空中爆炸载荷的计算公式只是国外学者在一些实验和理论上总结得出来的,这些计算公式包括了Brode和Henrhch[5]提出的经验公式,以及这些公式的使用条件。

由于空中爆炸载荷对船舶的破坏多发生在板架结构、精密构件以及一些基本构件上,因此通过对板架结构在爆炸载荷作用下的动态响应可以比较直观的了解舰船的生命力。国内外的学者也有致力于基本结构的研究。例如Cole[8]通过研究爆炸载荷作用下的圆板,得出了相关的圆板永久变形理论。虽然这些研究没有考虑剪切变形及应变率等因素的影响,只考虑了板内塑性弯曲变形能,但也是对爆炸载荷研究的突破。

唐文勇等[9]使用能量法对加筋板的塑性结构模型进行研究计算,推导出来加筋板的静力极限变形结构型式及判别条件,还通过Jones Sawezuk[11]控制方程,得出在指数形式的爆炸载荷作用下,加筋板和平板塑性动态响应的持续时间和最大残余变形的表达式。

2、 实验研究

在国外相对比较发达的国家更多的是在使用了实船研究的方法,但由于相关的空爆试验都是有关于军工的,出于涉及机密,能查到有关于空爆实验的文献极少。梅志远等[11]着手于二次舱室内爆炸模拟破坏效应试验,以之为例,分析指出舱内爆炸载荷作用下舰船舱室结构的破坏机理和典型的毁伤模式,并在这些实验以及结论的基础上,结合现代中小型舰船抗爆结构设计的最新成果,讨论了中小型舰船抗爆结构设计的基本原则和途径。但由于实船实验对实验要求极高的局限性,这种实验研究不被众人所接受。

3、 数值仿真

数值仿真法被广大研究人员所接受。在运用这种方法研究时,不但能随时进行连续的、重复的模拟爆炸过程,而且可以得到与实验结果很接近的结果,这种深刻细致的认识从一定程度上有助于研究人员研究保护结构。Ramajeyathlagam[8]运用有限元程序MSC.MARC数值模拟了在不同炸药量、不同距离下,矩形板的非线性瞬态响应,最后通过计算结果与实验结果形成对比,说明所得计算结果相对精确。

梅志远等[11]讨论了大尺寸加强结构板架在爆炸载荷作用下的应力分布。并得出结论:大尺寸的骨架,比如纵骨和肋骨,在背向爆炸载荷时能够分散爆炸产生的冲击波作用、增强其防护能力、减小板架变形,使结构安全。王世来[22]运用数值仿真法模拟TNT球形炸药的爆炸过程,从中得出结论:在爆距以及炸药量不变的情况下,在水舱内爆炸产生的爆炸载荷作用压力远大于空舱,同时造成的舱壁破坏程度也远远大于空舱。其研究数据还能表现在爆炸载荷下,水舱与舱壁之间产生气穴效应。