0 引言
薄板结构是装备类目标重要组成部分,在爆炸冲击波载荷作用下薄板结构发生塑性变形或破坏,可能导致装备目标功能受损。随着武器装备智能化发展,小型弹药多弹累积打击是目标毁伤的重要打击形式。薄板结构在多弹药爆炸载荷作用下发生变形或破坏,由于薄板结构塑性变形是一个复杂的动力学响应过程,其变形过程涉及高应变率、材料屈服、塑性大变形等非线性[1],不同载荷形式导致结构应力状态分布不同,从而产生了不同的变形模式,结构在多冲击波累积作用下的变形模式与载荷作用前的变形状态有关。因此,研究薄板结构在爆炸载荷累积作用下的变形特征具有重要意义。
当前,对于单冲击波载荷作用下薄板结构的变形模式,国内外已经开展了大量的研究工作,其主要的变形模式包括:均布载荷作用下出现塑性大变形、拉伸破坏和剪切破坏等变形模式[2],局部载荷作用下出现局部鼓包、颈缩环、冲碟和花瓣型破口等变形模式[3-4];而当爆炸载荷幅值处于一定的范围内,薄板结构将产生反直观的变形模式(变形方向与加载方向相反)[5-7]。
部分学者对结构在多毁伤元累积作用下的毁伤机理和变形模式开展了研究,但主要针对冲击波-破片累积变形[8]、水下爆炸冲击波-水泡累积变形[9]、封闭空间冲击波多次反射后结构变形[10]等。胡宏伟等[11]利用双装药对多层箱体结构进行内部爆炸试验研究,获取了箱体结构在双药柱同时起爆时结构的破坏模式。针对多冲击波累积作用下结构变形的研究比较少,姚术健[12]分析了多次加载下不同尺寸箱体结构的破坏特征,并通过拟合得到多次内爆炸加载下箱型结构变形的累积损伤经验公式;Henchie等[13]采用试验和数值模拟的方法研究了重复均布爆炸载荷作用下钢制薄壁圆板的模态响应;李锡峰等[14]基于量纲分析方法对2次内爆炸载荷作用下舱室结构的损伤规律进行分析,建立了舱壁最大挠厚比与相关参数的关系;李旭东等[15]对多次水下爆炸圆板的挠度增长规律进行分析,讨论了钢板结构厚度减薄率与挠度关系;张斐等[16]开展了圆形薄板在多重水下爆炸冲击作用下的毁伤特性试验研究,获取了圆形钢板在多次水下冲击作用下结构的拉伸变形模式。薄板结构的累积变形状态与载荷作用前的变形状态相关,而现有的研究中对薄板结构的累积变形特征研究鲜有报道。
因此,以周边固支圆形薄板结构为研究对象,开展不同TNT装药量、炸高作用下结构的累积变形试验研究,获取薄板结构在爆炸载荷累积作用下的变形模式,并对薄板结构的变形特征进行对比分析,研究成果将为薄板结构的累积毁伤效应分析提供支撑。
1 试验设计
1.1 炸药状态
试验样品为压装TNT炸药,密度约1.56 g/cm3,炸药质量有200、300、400、500、1 000 g等5种规格,各装药尺寸分别为φ60 mm×46 mm、φ60 mm×69 mm、φ60 mm×92 mm、φ75 mm×73 mm和φ97 mm×87 mm。传爆药为JH-14 炸药,装药尺寸φ20 mm×20 mm,一端留有雷管孔,试验采用8#电雷管在炸药的上端面中心起爆,试验炸药装药的装配示意如图1所示。
图1 试验炸药装药
Fig.1 Diagram of charge construction
1.2 薄板结构设计
试验安装结构由底座、底板、试验薄板、盖板等部分组成。其中,底座外径1 000 m,内孔直径600 mm,厚度15 mm;底板外径680 mm,内孔直径288 mm,厚度16 mm;盖板外径596 mm,内孔直径288 mm,厚度8 mm,材质均为45#钢。试验薄板结构的材质为Q235钢,厚度为0.5 mm,爆炸冲击波载荷作用区域直径为288 mm。试验薄板结构位于底板和盖板之间,通过16个沿轴向均匀分布的螺钉固定,用于模拟周边固支边界;底板通过螺钉与底座连接,底座再通过4根钢钎固定在地面,试验结构安装固定方式如图2所示。试验时,在底座中间区域的地面挖取一定深度的空腔,防止地面土壤对薄板结构变形的影响。
图2 薄板结构安装示意图
Fig.2 Installation structure diagram of thin plate
1.3 试验工况设计
试验时,在被测薄板结构两侧搭建“门字型”框架,炸药通过尼龙绳悬挂在框架的横杆上,炸药位于圆形薄板结构几何中心的正上方。试验时,通过调整炸药装药质量、炸高来实现不同爆炸冲击波载荷加载。在单次试验变形的基础上,更换装药质量和炸高,进行薄板结构累积变形试验。本研究中的炸高是指炸药底部与薄板结构几何中心(变形后)的间距,试验布设和炸高的示意如图3所示。
图3 试验布设示意图
Fig.3 The schematic diagram of test layout
2 试验结果
在上述安装结构和布设方法的基础上,开展了9组不同装药质量、炸高的结构累积变形试验,炸药装药量、炸高分别如表1所示。试验后,统计薄板结构变形特征,记录结果塑性变形值。试验后结构的变形模式统计如表1所示,不同工况加载状态下结构的变形特征如图4所示。
表1 薄板结构累积变形试验工况
Table1 The cumulative deformation test condition
工况首次加载药量/g炸高/m变形模式二次加载药量/g炸高/m变形模式12001.75反直观变形2001.75局部塑性变形23001.80反直观变形5001.40塑性变形34001.80反直观变形5001.40边界撕裂44001.70塑性变形5001.59塑性变形54001.63塑性变形4001.64塑性变形65001.60塑性变形5001.60塑性变形75001.50塑性变形5001.55边界撕裂82501.55塑性变形2501.57塑性变形910001.98局部撕裂—
图4 不同加载条件下薄板结构变形特征
Fig.4 The deformation pattern of circular thin plate structure under different explosion load
3 结果分析与讨论
3.1 单次爆炸冲击波载荷作用下结构变形模式
由表1试验结果可知,圆形薄板结构在单次爆炸冲击波载荷作用下的变形模式主要包括反直观变形(即变形方向与爆炸载荷作用方向相反的变形特征)、塑性变形和边界局部撕裂等。
由图4可知,圆形薄板结构在爆炸载荷作用下存在2种不同的反直观变形模式,包括结构中间向下凹陷、凹陷边缘处向上凸起的反直观变形模式,如图4 (a)、图4(e)所示;以及结构整体向上凸起,几何中心凸起幅值最大的变形模式,如图4(c)所示。结构塑性变形的变形特点表现为结构整体向下变形,几何中心的塑性变形幅值最大,如图4(g)所示。结构边界局部撕裂变形模式如图4(r)所示,整体表现出塑性大变形模式,在边界处发生局部撕裂的特征。
3.2 反直观变形状态下结构累积变形模式分析
薄板结构在单次爆炸冲击波载荷作用下产生反直观的变形模式,为了获取薄板结构在反直观变形模式下的累积变形特征,在单次加载变形的基础上对薄板结构进行不同装药量、炸高的二次爆炸冲击载荷累积加载试验,结构累积变形模式如表1所示,结构的变形状态如图4所示。
由图4可知,在反直观变形状态下,圆形薄板结构的累积变形模式主要包括局部塑性变形、塑性变形和边界撕裂等变形模式。在工况1中,使用相同的装药量和炸高对薄板结构进行二次加载试验,结构产生几何中心局部塑性变形的模式,如图4(b)所示,但相比于首次变形状态,其几何中心凹进的深度和直径均大于首次加载的变形状态,其二次加载后结构中间凹进的直径为126.65 mm,深度为29.48 mm。在工况2中,薄板结构在二次爆炸载荷作用下产生塑性大变形,如图4(d)所示,其几何中心的最大变形量为62.36 mm;而在工况3中,使用与工况2相同的药量和炸高对结构进行二次加载试验,工况3结构发生边界拉伸撕裂的破坏模式,如图4(f)所示。通过对比工况2和工况3试验结果可知,在反直观变形模式下,当首次加载炸药炸高相同的情况下,首次加载装药量越大,二次累积作用下结构更易在边界处发生拉伸撕裂破坏。
3.3 塑性变形状态下结构累积变形模式分析
为了获取薄板结构在塑性变形状态下的累积变形特征,在工况4—工况8首次加载状态下,进行二次爆炸冲击载荷累积加载试验,得到薄板结构累积变形特征,如表1所示。结构累积变形结果如图4(g)—图4(q)所示。
由图4以及表1结果可知,圆形薄板结构在二次爆炸载荷加载作用下的变形模式主要包括塑性大变形和边界拉伸撕裂2种变形模式;当首次加载塑性变形值较小时,二次加载结构以塑性变形模式为主,如图4(g)和图4(i)所示;当首次加载塑性变形值达到一定值后,二次爆炸载荷加载后结构在边界发生拉伸撕裂模式,如图4(o)所示。表2给出了典型工况下薄板结构首次加载和二次加载结构的最大塑性变形值。
表2 圆形薄板结构塑性变形结果对比
Table 2 The contrast of plastic deformation of circular plate structure
工况首次加载药量/g炸高/m变形量/mm二次加载药量/g炸高/m变形量/mm44001.7021.205001.5953.9954001.6329.014001.6433.3365001.6047.855001.6050.4075001.5053.565001.55—82501.5525.442501.5729.04
如表2可知,当二次加载载荷明显大于首次加载载荷时,薄板结构最大塑性变形值增加明显,如工况4首次加载最大塑性变形值为21.20 mm,而二次加载后的塑性变形值为53.99 mm;当首次加载和二次加载载荷相近时,如工况5、工况6、工况8所示,二次加载后最大塑性变形量相比于首次加载后的增加量有限;这主要是金属材料在爆炸载荷作用下发生塑性变形,其微观组织结构发生较大变化,晶体内的位错产生剧烈运动,晶粒堆积,甚至使金属材料内部发生相变,堆积的晶粒与位错带使得材料自身强度硬度提高,导致后序加载时金属薄板产生的变形量减小。另外,如工况7所示,当薄板结构塑性变形值达到一定量值后,二次加载载荷与首次载荷相当的情况下,薄板结构发生边界拉伸撕裂破坏。下面针对薄板结构在累积载荷作用下的变形特征进行具体分析。
1) 累积塑性变形特征分析
为了分析薄板结构的整体变形特征,分别测量了工况5、工况6在首次加载和二次加载试验后距边界5、10、14.4 cm三个位置处的塑性变化结果。假设薄板结构塑性变形结果呈中心对称,通过对不同位置处的变形结果沿径向进行插值,得到薄板结构在工况5、工况6状态下的塑性变形趋势对比,如图5所示。
图5 薄板结构累积变形特征对比
Fig.5 The contrast of cumulative deformation characteristics of thin plate structure
工况5中,两次爆炸载荷加载后,薄板结构距边界5、10、14.4 cm三个位置的位移增加量分别为8.5、9.7、4.32 mm;在工况6中,两次爆炸载荷加载后,薄板结构距边界5、10、14.4 cm三个位置的位移增加量分别为4.09、0.57、2.55 mm。在二次爆炸载荷累积作用下,结构几何中心位置处的变形增加量小于距边界5 cm位置处,靠近边界处的变形量更大,薄板结构在二次爆炸载荷累积作用下的整体变形显得更加圆润。
在工况6中,两次装药量均为500 g,炸高均为1.60 m,首次加载变形状态下薄板结构的最大塑性变形量为47.85 mm,二次爆炸作用后结构产生的累积变形为50.40 mm,两次加载后结构变形结果基本保持一致。而在工况9中,1 kg装药量、炸高1.98 m状态下薄板结构的最大塑性变形达到70.5 mm,同时在边界处产生局部撕裂破坏,其最大塑性变形是工况6两次累积作用产生塑性变形的1.39倍;在工况8中两次装药量均为250 g,炸高分别为1.55 m和1.57 m,两次累积作用下的最大塑性变形量仅为29.04 mm,而工况6首次加载产生的最大塑性变形是工况8两次加载累积作用产生塑性变形的1.65倍。可见,在总装药量相等的情况下,单装药爆炸使薄板结构产生的塑性变形幅值明显优于两次装药量累积作用下结构的塑性变形幅值。
2) 薄板结构累积破坏特征分析
为了进一步分析薄板结构累积破坏特征,在工况6累积塑性变形的基础上,对薄板结构进行了第三次爆炸冲击载荷累积加载试验,第三次试验的装药量500 g、炸高1.60 m,装药量和炸高与前序试验保持一致情况下,第三次爆炸载荷加载时工况6在边界处发生撕裂破坏的变形模式,变形结果如图6所示。
图6 第三次爆炸载荷加载薄板结构变形结果对比
Fig.6 Comparison of deformation results of the third explosion load for the thin plate structure
对比工况7以及上述试验结果可知,在结构塑性变形状态下对结构进行累积加载,薄板结构易从边界约束处发生拉伸撕裂破坏;且在相同装药量和炸高接近的情况下,薄板结构在多次爆炸载荷累积作用下易在边界处发生撕裂破坏。如工况6所示,对于单次500 g装药在1.6 m炸高的情况下薄板结构仅发生塑性变形,而500 g装药在炸高1.6 m时进行三次累积加载后薄板结构发生失效破坏;另外,在工况7中,500 g装药在1.5 m炸高时产生塑性变形,而500 g装药在1.55 m炸高累积作用下发生边界拉伸撕裂破坏。可见,在低幅值爆炸载荷的多次累积作用下薄板结构同样也能产生失效破坏。
通过对圆形薄板结构的失效特征进行分析,其产生上述破坏特征的主要原因可能包括两方面:① 由前文分析可知,当薄板结构在爆炸载荷累积作用下发生塑性变形,靠近边界处的塑性变形增加值大于结构中心位置处,薄板在拉伸应力的作用下使板在边界处的厚度进一步减少,在后续爆炸载荷作用下,板结构更容易在边界处发生撕裂破坏。② 首次加载后圆形薄板结构发生向下凹陷的塑性变形,该状态下结构的受载面不在是一个平面。当炸药与受载面存在一定距离时,爆炸载荷以近似相同曲率半径的冲击波载荷持续向前传播,对于塑性变形结构而言,其结构边界处首先受到载荷作用,后续再逐步作用在其他区域,故在边界处更已发生破坏。
4 结论
1) 单次爆炸载荷作用下薄板结构的变形模式包括反直观变形、塑性变形、边界撕裂破坏等;
2) 在反直观变形状态下薄板结构的累积变形模式包括局部塑性变形、塑性变形和边界撕裂等;在塑性变形状态下薄板结构的累积变形模式包括塑性变形和边界撕裂等;
3) 在炸药总装药量相等的情况下,单个装药爆炸使薄板结构产生的塑性变形幅值明显优于两次装药累积作用,使用单个装药爆炸可使结构产生更佳的破坏效果;
4) 在低幅值爆炸载荷多次累积作用下,薄板结构易在边界处发生拉伸撕裂破坏,且低幅值爆炸载荷累积作用下结构也能使结构发生失效破坏。
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