水下爆炸载荷主要由2 个阶段构成:冲击波阶段和气泡阶段。当爆炸物在水中引爆之后，首先对舰船造成损伤的是冲击波载荷。冲击波具有压力峰值大，持续时间短的特点，将严重威胁到舰船结构的局部强度［1-3］。除冲击波外，占炸药总能量接近一半的气泡能对结构的毁伤同样不可忽视。第1 次气泡脉动的压力峰值比冲击波小很多，但持续时间长，因此冲量可与冲击波的冲量相比拟。由气泡运动引起的脉动压力、滞后流载荷具有低频特性，对舰船造成总体破坏，危及舰船的总纵强度，造成舰船在中横剖面处断裂，且气泡坍塌形成的高速射流还将引起舰船结构的局部毁伤。因此水下爆炸气泡载荷对船体结构的破坏作用不容忽视。

为探寻气泡载荷对结构的毁伤程度，首先要研究气泡载荷的破坏形式。气泡载荷对结构的破坏主要表现为脉动压力和气泡坍塌形成的射流对结构的毁伤。相关研究［4-5］已表明，气泡脉动压力将诱使舰船总体结构产生“鞭状效应”，进而造成总体毁伤。而对于气泡射流的研究，主要是用数值方法和一些简单的物理实验来研究气泡的动态特性［6-13］，很少做过相关的实船结构爆炸实验来探究气泡载荷的毁伤能力。

实际上，气泡与自由面、水中结构等之间的相互作用非常复杂，舰船结构在气泡射流作用下的毁伤效果研究有较大的难度。因此，本文中，采用实验手段，以船舶实尺度舱段结构为实验模型，对不同冲击因子的爆炸冲击载荷作用下船舶局部结构的塑性动态响应进行研究，分析气泡射流对结构的毁伤效果以及射流的影响范围。

1 实 验

1.1 实验模型

以某型船的舱段结构为例，长为L、宽为B、高为H 的实验模型方案如图1 所示。舱段模型包括底部纵桁、横向实肋板、纵骨等结构，是船体主要的承力结构，承载着大型设备，较容易遭到水雷等水下武器的攻击，是舰船抗爆抗冲击研究的重要对象。实际船舶仅有外底板受冲击波载荷，而其他部位不直接受到冲击波载荷的作用，因此，本实验的浮态选为仅使外底板没于水面以下，舱段的其他部位浮于水面以上，在此种浮态下，舱段水下爆炸实验的工况和实船遭受冲击载荷作用下的工况最接近，如图2 所示。

图1 舱段实验模型Fig.1 Model of the cabin trial

图2 舱段最终浮态Fig.2 Final floating condition of cabin

1.2 实验工况及测点布置

实验炸药均布置在舱段模型中间实肋板正下方，药包布置及测点设置如图3 所示，图中5 个测点均位于外底板。为了便于比较，双层底从龙骨到舭部分为a、b、c、d 等4 个沿船长方向的纵向区域。工况1～2 位于舱段正下方水位较深处，而工况3 ～4 位于靠近龙骨下方水位较浅处。各工况的TNT 当量W、距自由面距离h、爆距l 及冲击因子C 如表1 所示。

表1 各实验工况炸药布置Table 1 Dynamite arrangement of each case注:按实际炸药量计算的冲击因子为壳板冲击因子。工况 W/kg h/m l/m C 1 6 10.9 10.0 0.24 2 8 7.0 5.9 0.48 3 8 3.6 3.2 0.88 4 6 2.2 1.8 1.35

图3 工况及舱内测点设置Fig.3 Experimental conditions and lay out of the strain gaging point

2 实验结果分析

2.1 气泡脉动周期

在各工况下测试了炸药水中爆炸时产生气泡的第1 次脉动周期Tb，工况1 ～2 中的第1 次气泡脉动周期实验值分别为293.7 和390.3 ms，与水下爆炸气泡周期预测经验公式计算的280.3 和373.9 ms 基本吻合。工况3 计算值为453.9 ms，与实测值398.4 ms 误差较大，是因为计算气泡第1 次脉动周期的方法是以自由场中气泡脉动为基础，由于工况3 的爆点距结构物比较近，气泡脉动过程中，受到结构的吸引，使气泡的脉动过程不稳定，加速了气泡的坍塌。工况4 中，气泡溢出没能测得第1 次气泡脉动周期。由于气泡的最大半径与药包的质量以及爆心的初始深度有关，该工况下炸药入水较浅，由气泡最大半径经验公式可得气泡最大半径为2.9 m，大于炸药入水深度2.2 m，气泡未膨胀到最大值就溢出了水面，因而无法产生气泡脉动。

2.2 射流现象分析

图4 ～5 给出了工况2 ～3 中测点E 的应变和实验测得的水中压力曲线。图4 中压力信号采集到的多次信号脉冲表明工况2 中气泡完成了数次脉动过程。相比之下，工况3 中只有第1 次气泡脉动较明显，表现为图5 压力曲线中幅值较小的第2 次脉冲信号。两图中压力信号的不同可以解释为工况2 药包位置较工况3 深，气泡在完全脱离水体之前有足够的时间完成数次脉动过程，而工况3 中气泡在第1次脉动周期之后，气泡的大部分都浮出水面。再比较图4 ～5 的应变信号，由初始冲击波作用引起的塑性应变工况3 大于工况2。进入第1 次气泡脉动阶段时，虽然结构都呈现应变脉冲的动态响应，但是应变曲线中都没有阶跃，表明塑性变形程度并没有增加。结合表2 工况2 ～3 中气泡脉动周期与图4 ～5中应变及压力信号可以发现，由初始冲击波引起的应变峰值与由第1 次气泡脉动引起的应变峰值时间差和对应工况第1 次气泡脉动周期基本吻合，该时间差值与对应的水中压力曲线也吻合，验证了实验测得信号的有效性。