Experimental study of cavity characteristic induced by vertical water entry impact of a projectile with a 90° cone-shaped head at different velocities
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摘要: 用高速摄像拍摄了90°锥头弹丸低速入水的空泡形态演变过程，全面讨论了不同入水冲击速度下空泡的闭合方式及其演变过程，分析了空泡闭合时间、闭合点水深和弹头空泡长度随入水速度的变化规律以及不同水深位置空泡直径的变化规律；研究了水幕闭合和近液面空泡收缩上升所形成的射流现象及其相互耦合作用过程，探讨了空泡深闭合后其壁面波动规律。结果表明：随着入水速度的增加，空泡分别发生准静态闭合、浅闭合、深闭合和表面闭合，每种闭合方式对应的一个速度区间；弹头产生空泡的临界入水速度为0.657 m/s；不同水深位置的空泡直径呈现非线性变化；随着水深的增加空泡扩张初速增大，空泡最大直径减小，扩张段缩短，收缩段延长；同一时刻水深越大空泡扩张收缩的加速度也越高；水幕闭合后会产生向上和向下两股射流，向下射流速度较大时会对弹丸运动产生影响；近液面空泡收缩上升时会产生强度正比于空泡体积大小和闭合点水深的射流，并与上两股射流相互耦合形成一股更强的向上射流；空泡深闭合后长度缩短和产生的向下射流使弹丸受力发生改变，弹丸速度因受力产生的变化带动了流体质点速度的波动，进而导致空泡壁面发生波动，壁面波动遵循空泡截面独立扩张原理。Abstract: Experimental studies of the vertical water entry of projectile with 90° cone-shaped head were conducted by using high speed camera. The pinch-off types and evolutionary process of the cavity were comprehensively discussed at different water entry impact velocities. The variations of cavitation closure time, water depth at the closure point and length of the warhead cavitation with water entry velocities, as well as the cavitation diameter at different water depth positions were analyzed. The jet phenomenon caused by the closure of the water curtain and contraction-rising process of the cavity near undisturbed free surface were studied, as well as the coupled effect between them. The cavity wall fluctuation occurring after the deep seal was discussed. The results show that with the increase of water entry velocity, the quasi-static closure, shallow closure, deep closure and surface closure of the cavitation occurs respectively, and each closure mode corresponds to a velocity range; the critical water entry velocity of forming cavitation is 0.657 m/s. The diameter of the cavitation presents a nonlinear increase along with the water depth. The initial cavity expansion velocity increases, the maximum diameter of the cavity decreases, the expansion section shortens, the contraction section lengthens, and the acceleration of the expansion and contraction of the cavity increases along with the increase of the water depth at the same time. When the water curtain closes, there will be upward and downward jets, and when the downward jet velocity is relatively large, the projectile motion will be affected. The strength of a water jet induced by longitudinal upward contraction of the cavity near free surface is proportional to the volume of cavity and pinch-off depth. A large strength upward water jet is induced by the coupling of the above all water jet. The longitudinal contraction of the cavity around the projectile and the impact effect of downward jet on projectile would cause the force change of the projectile after deep seal. The fluctuation of the projectile's velocity because of its force change brings the velocity change of fluid and then leads to the fluctuation of the cavity wall. The fluctuation of cavity wall follows the principle of independent expansion of cavitation section.
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砌体填充墙被广泛地应用于建筑物的外墙或钢筋混凝土框架内。但是, 由于它抗爆能力弱, 容易受到爆炸荷载的破坏, 且墙体的破坏与否对主体结构承受的爆炸荷载有一定影响[1], 因此, 填充墙的抗爆性能及其加固技术成为工程结构抗爆研究的重要方向。
近年来, 随着恐怖活动的增多, 为此开展了许多研究, 如:S.T.Dennis等[2]、S.C.Woodson等[3]进行了一系列比例为1/4的单向混凝土砌体墙的抗爆实验; C.D.Eamon等[4]、D.L.Thornburg[5]和J.S.Davidson等[6]进行了多次全尺寸的混凝土单向砌体墙抗爆实验; K.Martin[7]采用有限元分析方法研究了单向未加固砌体墙在面外静荷载作用下的失效模式; M.Wang等[8]运用有限元程序AUTODYN分别计算了实心砖墙和空心砖墙在外爆炸荷载作用下的破坏情况。
本文中, 先开展砌体填充墙的野外抗爆实验, 测得作用在墙上的爆炸荷载, 观测墙体的破坏形态与特征以及碎块的飞散和分布情况等, 然后利用LS-DYNA有限元软件, 对爆炸荷载作用下砌体填充墙实验模型的响应及损伤破坏进行详细分析与讨论。
1. 实验
砌体填充墙抗爆实验在野外进行, 模型采用浇注框架填充墙, 炸药在一定距离处爆炸, 测量不同装药量条件下墙体上的荷载及墙体变形和破坏情况。模型的平面布置如图 1所示, 该单层封闭框架模型为8×1跨, 层高1.5m, 在梁柱围成的框架处前面及两侧用砖墙填充, 以面向模型中心的墙体为实验墙, 两侧的砌体填充墙防止爆炸波绕射后对实验墙背面的影响。炸药在模型中心起爆, 实验模型如图 2所示。
1.1 模型制作
按设计图纸进行现场施工制作, 实验模型的基础、梁、板、柱整体浇注。砌体填充墙在模型建成进行填充砌筑, 墙的尺寸为2.00m×1.50m×0.19m。砖采用P型粘土空心砖, 尺寸为90mm×90mm×190mm, 强度等级为MU15, 砌砖上下错缝, 灰缝宽度为(10±2)mm, 砌墙砂浆采用M7.5水泥混合砂浆, 墙体与柱子间配拉结筋, 2根∅6mm沿柱高隔500mm布置, 拉筋伸入墙内500mm, 如图 3所示。
1.2 实验测量
测试内容包括墙面的压力、墙体的变形及砖墙破坏后的飞散情况。墙上的压力测点布置如图 4所示, 共8个测点, 所有的压力传感器均设置在铁管里, 铁管通过预埋砌筑在墙中。墙体的变形测点布置在墙背面, 共4个测点, 如图 5所示, 位移计固定在钢板上, 钢板锚固在两侧墙、顶板和地面上。
1.3 装药量
炸药安放在模型中心地面上, 装药为裸装TNT集团装药, 通过装药量变化实现不同比例距离上的爆炸, 各炮次的装药量和比例距离见表 1。
表 1 装药量Table 1. Explosive quantitiesNo. Q/kg Z/(m·kg-1/3) 1 0.2 10.00 2 3.9 3.72 3 3.9 3.72 4 8.6 2.87 5 34.2 1.81 6 4.8 3.48 7 4.8 3.38 8 4.8 3.48 9 4.8 3.48 10 10.7 2.66 11 21.2 2.12 12 30.0 1.89 2. 实验结果分析
2.1 墙上荷载
第1炮为试炮, 测得的墙上压力曲线如图 6(a)所示, 与TNT在空气中爆炸的经验曲线形状相同。第2炮后墙体没有破坏, 也没有发生明显变形, 图 6(b)是测得的经过滤波后的墙上压力曲线。从图 6可以看出, 冲击波先到达墙底部P5, 最后到达顶部P1。
表 2~3为第1、2炮各测点的冲击波的峰值压力、冲量。从表 2~3可以看出, 墙上的压力峰值和冲量都从墙底部到顶部、从中间到两边衰减。将实验结果与TM5-855-1[9]计算结果进行比较, 其中计算中假设墙体为刚体。可以看出, 实验测得的各测点的压力峰值、冲量与计算结果相差不大, 证实实验结果是可靠的。
表 2 第1炮各测点的压力峰值和冲量Table 2. The peak pressures and impulses of No.1测点 pm/Pa I/(MPa·ms) 实验 计算 实验 计算 P1 28.02 29.9 34.757 33.25 P2 28.80 30.3 42.193 33.75 P3 29.40 30.6 43.726 34.14 P4 30.00 31.0 45.560 34.40 P5 - 31.2 - 34.53 P6 29.41 30.6 45.706 34.09 P7 28.21 30.5 36.857 34.18 P8 29.73 30.3 39.543 33.74 表 3 第2炮各测点的压力峰值和冲量Table 3. The peak pressures and impulses of No.2测点 pm/kPa I/(MPa·ms) 实验 计算 实验 计算 P1 181.5 181 256.0 259.8 P2 - 185 - 271.8 P3 181.0 189 264.1 275.6 P4 - 191 - 278.2 P5 240.0 192 306.5 279.6 P6 231.0 188 303.4 275.2 P7 202.0 187 277.7 273.9 P8 218.5 185 235.4 271.9 2.2 墙的破坏
2.2.1第5炮
图 7是第5炮墙的破坏情况, 墙的变形明显, 迎爆面砖块表面发生剥落, 墙顶部与梁交界处全线透光, 这是因为实验墙是在框架浇注完后砌的, 墙顶部与梁交接处的砂浆是填塞进去的, 可能导致墙体顶部强度降低, 墙体的顶部破坏严重。墙体中上部砖块与砂浆分离发生内凹, 破坏模式类似于弯曲破坏, 右侧墙体整体内移2.5cm。墙体背面裂缝明显, 可以看到自上而下的裂缝, 裂缝以墙中心上下八字展开, 主要出现在砂浆处, 可见裂缝主要是由砂浆层的破坏引起的。从测点位移曲线(见图 7(c))可以看出, 最大位移发生在D2, 即最大变形发生在墙体的中部, 最大位移为88mm, 永久变形达到60mm, 其余3点的永久变形在30mm左右。
2.2.2第11炮
图 8是第11炮墙的破坏情况, 墙体破坏严重, 墙体中部内凹, 且在墙体上半部分出现30cm×30cm的孔洞, 右上部分与柱子连接的边界处出现孔洞, 拉结筋暴露。迎爆面的砖块有较多剥落散, 这是由爆炸冲击作用下墙体迎爆面砖块的局部被压碎引起的。由图 8(b)可以看出, 墙体背面砖块飞散和震塌现象严重, 抛射出的碎块以整块砖为主, 有约15块, 进一步表明墙的破坏主要是由砖与砖之间的砂浆层的破坏引起的。
2.2.3第12炮
图 9是第12炮墙的破坏情况, 墙体几乎全部破坏, 墙体迎爆面的地面上有少量砖碎片, 墙背面碎片很多, 且抛射距离很远, 最远距离达到34.2m。墙体右侧与柱之间的拉结筋暴露在外, 墙体左侧与柱子连接处发生松动。墙体施工工艺、边界条件以及重力的共同作用, 使墙体上部分破坏严重。
2.3 碎片分布
图 10为在不同药量作用下墙破坏后碎片的分布情况, 墙体的破坏形态与荷载的大小有关, 当药量较小时(见图 10(a)), 砖墙未形成孔洞, 仅背面有砖块震塌, 随着药量的增加, 墙体的破坏程度逐渐增大, 产生的碎片逐渐增多, 碎片的飞散距离也逐渐增远(见图 10(b)~(d)), 随着炮次的增多, 碎片数量增多, 飞散距离增远。实际上, 碎片的实际抛射距离跟落地后的反弹有关, 碎片与地面的冲撞问题非常复杂, 受各种不确定因素影响, 如地面刚度、平整度等。这里仅对实验得到的图片做分析。
3. 数值模拟
在野外实验分析的基础上, 利用LS-DYNA有限元软件, 建立精细化的有限元分析模型, 模拟填充墙在爆炸荷载作用下的响应和损伤破坏, 进一步分析砌体填充墙的抗爆特性、破坏形态和影响因素。
3.1 材料模型及参数的确定
在实验室对采用的砖和砂浆进行抗压测试, 得到砖的抗压强度为15.7MPa, 砌墙砂浆的抗压强度为7.2MPa。材料模型、参数以及墙的破坏准则、材料的失效准则见文献[10]。
3.2 有限元模型的建立和验证
3.2.1精细化有限元模型的建立
采用LS-DYNA有限元软件进行建模, 模型尺寸与实验墙尺寸相同, 将砖和砂浆分别采用不同的材料建立, 根据对称性取一半, 如图 11(a)所示。砖和砂浆均采用8节点6面体实体单元, 其中砖的单元尺寸为0.025m, 砂浆单元尺寸为0.005m, 拉筋采用Beam单元, 单元尺寸为0.025m, 砖、砂浆和钢筋之间均采用共节点, 整个有限元模型共有节点1 024 982个, 划分实体单元529 614个, 梁单元1 132个, 有限元网格图见图 11(b)~(c)所示。实验中TNT炸药离砖墙距离为5.871m, 通过改变药量实现比例距离的变化。
3.2.2特征点的动力响应
根据以上分析, 实验中炸药爆炸作用在墙上的荷载与TM5-855-1计算结果较好吻合, 因此采用LS-DYNA中*LOAD_BLAST关键字加载方法, 用CONWEP爆炸加载[9]模拟实验中炸药的爆炸情况。第3炮后, 墙正面顶部与梁连接处有细微裂缝, 图 12是各测点位移曲线的数值模拟结果和实验结果的对比, 墙的最大位移发生在D1, 实验测得的最大位移为4.39mm, 永久变形为2.23mm, 数值模拟的最大位移为5.09mm, 永久位移为1.3m, 两者结果基本一致。这表明, 采用*LOAD_BLAST关键字模拟墙上爆炸荷载的方法, 既能满足计算精度的要求, 也可以大大提高计算效率, 所以本文的数值模拟方法切实可行。
3.3 边界条件的影响
实验墙的左右两侧与柱子之间设置拉结筋, 通过数值模拟, 对比有无拉结筋时墙体的破坏模式的差异, 如图 13所示。墙体两侧有拉结筋时, 墙体的破坏主要集中在墙体的中部(见图 13(a))。无拉结筋的墙体破坏模式有些类似于整体弯曲破坏(见图 13(b))。有拉筋的墙体破坏区域比无拉结筋的墙体破坏区域小, 所以拉筋的存在可以增强墙的抗爆能力, 减少碎片的产生。
3.4 砌体填充墙破坏等级划分
实验时对同一面墙体进行了多次爆炸作用, 有损伤累积效应, 很难判别墙体的破坏形态在什么药量下产生。结合实验结果, 根据文献[10]中墙体的破坏等级划分, 确定不同等级实验墙的破坏药量。
通过数值模拟得出, 当药量Q < 15kg时, 墙的破坏程度为轻微破坏, 墙体仅出现细微裂缝; 当15kg < Q < 40kg时, 墙体发生中度破坏, 图 14为Q=37kg时墙的破坏情况, 由于墙体顶部与梁之间无拉结筋, 墙体会先在顶端与梁交界处出现较大横向裂缝, 再沿灰缝产生竖向不规则的裂缝, 墙体变形明显, 在墙体变形过程中的等效塑形应变分布图(见图 14(a))中, 红色区域为变形和裂缝较集中的地方, 在裂缝分布图(见图 14(b))中, 灰缝不连续部分为产生的裂缝。与对应的实验破坏情况(见图 8)比较, 数值模拟所得墙体的破坏形态与实验现象较好吻合。
数值模拟中, 当40kg < Q < 50kg时, 墙体发生严重破坏, 墙体发生多处不规则裂缝, 外界不大的扰动也有可能导致墙体的倒塌, 如图 15(a)中红色部分为裂缝。冲击波作用于墙上, 墙体中部弯矩最大, 且墙的两侧有拉筋, 因此墙体的破坏主要集中在墙的中部, 灰缝截面由于剪切滑移发生破坏, 使砖与砂浆分离, 在冲击波和重力作用下, 墙体背面部分产生砖块震塌。实验第8炮的墙体破坏如图 15(b)所示, 数值模拟结果与实验结果完全吻合。
当Q > 50kg时, 墙发生飞散。图 16为Q=58kg时墙的破坏过程, 墙体在爆炸荷载和重力联合作用下发生整体飞散破坏, 墙体中上部先发生破坏飞散, 背部砖块普遍震塌, 随着墙体中上部砖块的飞散, 墙体顶部的砖块也发生脱落和飞散, 仅留下下部分和侧面部分墙体没有倒塌。实验的破坏(见图 9)中, 墙的破坏范围很大, 数值模拟结果基本如实反映了实验观测现象。
本文中所确定不同破坏等级时的药量只是针对实验墙, 如果墙体尺寸发生变化, 针对不同的破坏等级所需的药量也会发生变化。
4. 结论
采用砌体填充墙抗爆的野外实验, 并与数值模拟相结合, 对填充墙的抗爆特性和破坏机制进行了研究, 主要结论有:
(1) 在外爆炸作用下, 墙上各点的冲击波压力峰值、冲量按照从墙底部到顶部、从中间到两边衰减, 实验结果与TM5-855-1计算结果较好吻合。
(2) 在外爆炸作用下, 墙体的裂缝不规则发展, 主要由砂浆层的破坏引起, 墙体的破坏先在背部发生震塌现象, 随着药量逐渐增大, 墙体发生飞散, 产生的碎片数量逐渐增多, 抛射距离也逐渐增远。
(3) 墙体的边界条件对墙体的破坏模式影响很大, 无拉结筋时墙体易发生整体弯曲破坏, 拉筋的存在可以增强墙的抗爆能力, 减少碎片的产生。
(4) 通过数值模拟, 确定了实验墙不同破坏程度的药量。当药量Q < 15kg时, 墙体发生轻度破坏; 当15kg < Q < 40kg时, 墙体发生中度破坏; 当40kg < Q < 50kg时, 墙体发生严重破坏; 当Q > 50kg时, 墙体发生飞散。
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图 7 弹头空泡长度随入水速度u0的变化
Figure 7. Change of the cavity length of warhead with the initial velocity (u0)
图 8 不同入水速度(u0)情况下弹头空泡
Figure 8. Cavities of warhead at different initial velocities (u0)
图 9 空泡闭合时间(tp)和闭合点水深(Hp)随入水速度(u0)的变化
Figure 9. Change of cavity closing time (tp) and closing depth (Hp) with initial velocity (u0)
图 10 空泡闭合点水深(Hp)、空泡总长度(La)和两者之比(Hp/La)随入水速度u0的变化
Figure 10. Change of cavity closing depth (Hp), cavity length (La) and their ratio (Hp/La) with initial velocity (u0)
图 11 不同水深(Hf)处空泡直径(Dc)变化
Figure 11. Change of cavity diameter (Dc) at different depths (Hf)
图 12 不同水深位置空泡径向速度
Figure 12. Radial velocity of cavities at different underwater depths
图 13 不同水深位置空泡径向加速度曲线
Figure 13. Radial acceleration of cavities at different underwater depths
图 15 射流对弹丸及空泡的影响(u0=4.20 m/s)
Figure 15. Effect of jets on projectile and cavity (u0=4.20 m/s)
图 16 惯性参考系中空泡的壁面波动(u0=2.80 m/s)
Figure 16. Fluctuation of the cavity wall in static coordinate(u0=2.80 m/s)
图 17 弹体坐标系中空泡的壁面波动(u0=2.80 m/s)
Figure 17. Fluctuation of the cavity wall in the body coordinate (u0=2.80 m/s)
图 18 空泡波动阶段弹丸速度随时间的变化
Figure 18. Change of projectile velocity with time at the stage of cavity fluctuation
图 19 两种速度情况下的空泡波动图
Figure 19. Fluctuation of the cavity at two initial projectile velocities
表 1 不同水深位置空泡特性参数
Table 1. Characteristic parameters of cavity at different underwater depths
Hf/mm tr/ms tm/ms ta/ms Te/ms Ts/ms Dm/mm 3.5 2.7 63.0 82.0 60.3 19.0 32.0 20 8.3 42.0 61.3 33.7 19.3 21.5 40 14.7 28.0 50.3 13.3 22.3 16.5 59 22.0 31.5 48.7 9.5 17.2 15.0 
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