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压力测量无论对于舰艇结构设计、抗爆性能研究还是对于水中兵器毁伤效能评估和新型武备开发,都具有极其重要的意义。随着水下制导技术、目标跟踪识别技术的发展,水中兵器直接命中目标概率大大提高,舰艇在海上战争或冲突中遭受近场水下爆炸攻击的概率大幅上升。由于近场水下爆炸壁压幅值极高、测量环境恶劣等因素,目前近场水下爆炸壁压测量还存在诸多困难。为此,本文提出一种基于Hopkinson杆近场水下爆炸壁压测量方法,并结合实验室实验条件,设计、建造实验系统。通过开展实验研究,开展了测量方法和实验系统的准确性验证,研究了靶板下方水下高低压电火花气泡、小尺度水下爆炸壁压和高速水射流冲击壁压特性,验证了壁压测量方法和实验系统的正确性和可行性,为近场水下爆炸研究和传感器研究提供了一种新的实验研究方法和途径。
首先本文从理论、数值和实验研究三个方面对国内外近场水下爆炸领域内的研究现状,进行了回顾和阐述,重点对近场水下爆炸壁压构成成分、特点、测量环境进行了归纳和总结,确定了近场水下爆炸壁压测量的难点所在;通过对现有的近场水下爆炸壁压测量实验研究成果进行分析和总结,得出了目前测量方法和技术在测量近场水下爆炸壁压中存在的问题;基于Hopkinson杆壁压测量方法在近距离土中爆炸、空中爆炸和高速沙柱冲击壁压测量中的应用研究,展示了该壁压测量方法在测量高幅值壁压上的优势;结合近场水下爆炸壁压特性,探究与归纳了应用基于Hopkinson杆壁压测量技术测量近场水下爆炸壁压所存在的问题,为后文的开展奠定了基础。
针对开展基于Hopkinson杆近场水下爆炸壁压测量方法实验研究所需的实验环境需求,对水下低压、高压电火花生成的气泡特性进行了探究,归纳、总结电火花气泡尺寸、脉动周期与放电电压、放电电极之间的关系;针对电火花气泡所生成的冲击波压力幅值较低、不能满足实验研究所需的问题,本文提出了小尺度水下爆炸实验方法;优化了水下爆炸实验中的同步触发信号,满足了壁压电信号与水下爆炸过程影像信号联合分析触发同步的需求,为基于Hopkinson杆壁压测量方法的信号真伪判别和气泡壁压的研究奠定了基础。
根据基于Hopkinson杆壁压测量方法的测量原理,结合实验室实验条件,设计并建造了壁压测量实验系统;提出了基于测杆表面粘贴的测杆固定方法,通过开展实验验证了该方法能够在不影响测杆中应力波的传播的前提下实现对测杆的固定;针对实验系统中的应变测量,通过实验研究,改进、优化了应变测量系统,提高了测量信号的信噪比;根据可行性实验中所测得壁压信号的时间分析和电信号、影像信号的联合对比分析,证实了所提出的壁压测量方法和实验系统能够捕获水下电火花气泡、小尺度水下爆炸壁压信号。
在本文所提出的壁压测量方法和测量实验系统开展应用研究之前,开展了测量方法和测量系统的准确性验证研究。基于近距离水下爆炸冲击波的传播特性,提出了基于平行两板间水下爆炸壁压准确性验证实验方法,设计、建造了实验系统。通过开展不同板间距水下爆炸实验,研究了平行两板间水下爆炸气泡运动特性和两板板中心壁压特性。通过对比分析两板上的壁压,得到了满足准确性验证实验研究所需的实验设置;通过开展基于Hopkinson杆壁压测量系统准确性验证实验,验证了测量系统所测得的壁压信号的准确性。
基于所提出的壁压测量方法和实验系统,对靶板下方水下高低压电火花气泡、小尺度水下爆炸壁压进行了实验研究,测得了由电火花放电和药柱爆炸生成的冲击波壁压,研究了冲击波壁压随爆距变化规律;通过对气泡壁压与气泡运动联合分析,探究了不同爆距对水下爆炸气泡壁压的成分以及气泡射流壁压和气泡溃灭壁压的影响;同时,研究了近距离靶板下方气泡二次坍塌壁压形成机理及其特性。
针对高速水射流冲击壁压,提出了基于腔内爆炸高速水射流冲击壁压实验方法。通过开展不同实验设置下的实验研究,探究了高速水射流运动形态。在此基础上开展高速水射流冲击壁压实验研究,给出了高速水射流冲击壁压特性,验证了基于Hopkinson杆壁压测量方法能够对高速水射流冲击“水锤”压力进行测量。
首先本文从理论、数值和实验研究三个方面对国内外近场水下爆炸领域内的研究现状,进行了回顾和阐述,重点对近场水下爆炸壁压构成成分、特点、测量环境进行了归纳和总结,确定了近场水下爆炸壁压测量的难点所在;通过对现有的近场水下爆炸壁压测量实验研究成果进行分析和总结,得出了目前测量方法和技术在测量近场水下爆炸壁压中存在的问题;基于Hopkinson杆壁压测量方法在近距离土中爆炸、空中爆炸和高速沙柱冲击壁压测量中的应用研究,展示了该壁压测量方法在测量高幅值壁压上的优势;结合近场水下爆炸壁压特性,探究与归纳了应用基于Hopkinson杆壁压测量技术测量近场水下爆炸壁压所存在的问题,为后文的开展奠定了基础。
针对开展基于Hopkinson杆近场水下爆炸壁压测量方法实验研究所需的实验环境需求,对水下低压、高压电火花生成的气泡特性进行了探究,归纳、总结电火花气泡尺寸、脉动周期与放电电压、放电电极之间的关系;针对电火花气泡所生成的冲击波压力幅值较低、不能满足实验研究所需的问题,本文提出了小尺度水下爆炸实验方法;优化了水下爆炸实验中的同步触发信号,满足了壁压电信号与水下爆炸过程影像信号联合分析触发同步的需求,为基于Hopkinson杆壁压测量方法的信号真伪判别和气泡壁压的研究奠定了基础。
根据基于Hopkinson杆壁压测量方法的测量原理,结合实验室实验条件,设计并建造了壁压测量实验系统;提出了基于测杆表面粘贴的测杆固定方法,通过开展实验验证了该方法能够在不影响测杆中应力波的传播的前提下实现对测杆的固定;针对实验系统中的应变测量,通过实验研究,改进、优化了应变测量系统,提高了测量信号的信噪比;根据可行性实验中所测得壁压信号的时间分析和电信号、影像信号的联合对比分析,证实了所提出的壁压测量方法和实验系统能够捕获水下电火花气泡、小尺度水下爆炸壁压信号。
在本文所提出的壁压测量方法和测量实验系统开展应用研究之前,开展了测量方法和测量系统的准确性验证研究。基于近距离水下爆炸冲击波的传播特性,提出了基于平行两板间水下爆炸壁压准确性验证实验方法,设计、建造了实验系统。通过开展不同板间距水下爆炸实验,研究了平行两板间水下爆炸气泡运动特性和两板板中心壁压特性。通过对比分析两板上的壁压,得到了满足准确性验证实验研究所需的实验设置;通过开展基于Hopkinson杆壁压测量系统准确性验证实验,验证了测量系统所测得的壁压信号的准确性。
基于所提出的壁压测量方法和实验系统,对靶板下方水下高低压电火花气泡、小尺度水下爆炸壁压进行了实验研究,测得了由电火花放电和药柱爆炸生成的冲击波壁压,研究了冲击波壁压随爆距变化规律;通过对气泡壁压与气泡运动联合分析,探究了不同爆距对水下爆炸气泡壁压的成分以及气泡射流壁压和气泡溃灭壁压的影响;同时,研究了近距离靶板下方气泡二次坍塌壁压形成机理及其特性。
针对高速水射流冲击壁压,提出了基于腔内爆炸高速水射流冲击壁压实验方法。通过开展不同实验设置下的实验研究,探究了高速水射流运动形态。在此基础上开展高速水射流冲击壁压实验研究,给出了高速水射流冲击壁压特性,验证了基于Hopkinson杆壁压测量方法能够对高速水射流冲击“水锤”压力进行测量。