纤维爆炸索水下爆炸特性与应用研究

论文摘要

随着军用和民用爆破技术的迅速发展，低能量导爆索的应用受到了广泛的重视。纤维爆炸索作为一种新型低能量导爆索，由金属外壳作为强约束，具有很强的侧向约束力，药芯密度高，装药均匀，线装药密度低，爆速稳定，质量有保证，同时金属外壳具有良好的防水性能。本文采用构建的水下爆炸试验塔和水下爆炸测试系统对纤维爆炸索水下爆炸特性进行了全面分析，揭示了其水下爆炸冲击波和气泡脉动运动规律，并对纤维爆炸索的水下应用进行了研究。将希尔伯特-黄变换引入到纤维爆炸索水下爆炸压力信号分析中，研究纤维爆炸索水下爆炸压力信号特征；采用水下爆炸光测系统研究纤维爆炸索水下爆炸气泡脉动规律；以水下爆炸理论为基础对纤维爆炸索水下爆炸水声特性进行研究，得到了有效连续的水声干扰源，有望为水下水声对抗提供新的手段；提出采用纤维爆炸索水下爆炸产生的气泡构成气泡帷幕进行水下爆炸能量衰减达到以“爆”制“爆”的目的，并研究了其衰减水中爆炸能量的效果；利用有限水域水下爆炸能量测试方法，对纤维爆炸索水下爆炸参数进行测量，获得了纤维爆炸索的能量分布情况，为推动纤维爆炸索的发展提供了基础性工作。本文具体研究内容如下：第一，在对目前水下爆炸压力信号分析中存在的问题进行分析的基础上，将希尔伯特-黄变换引入到水下爆炸压力信号分析中，并对其适用性进行评判；构建了水下爆炸测试装置，对纤维爆炸索和纤维爆炸索网栅结构的水下爆炸压力特性进行研究，发现纤维爆炸索冲击波压力在3μs从零上升到峰值压力5.21MPa，随后成指数近似衰减，在特征时间后衰减缓慢，冲击波压力信号能量主要集中在40KHz以下，尤以5KHz以下频带能量最高，能量主要集中在前80μs内；构建的纤维爆炸索网栅结构相当于水中爆炸冲击波发生器，可灵活选择布置方式以形成有规律的间断的多条冲击波压力；纤维爆炸索网栅结构水下爆炸压力信号频率主要集中在100KHz以下，尤以50KHz以下的最为明显，能量值较集中，波动能量集中在频率为100KHz范围以内，尤以50KHz以下的低频能量最大。第二，采用高速摄影对单根和两根纤维爆炸索水下爆炸气泡脉动规律进行了研究，获得纤维爆炸索水下爆炸的气泡脉动规律：单根纤维爆炸索第一次气泡脉动形状基本保持圆柱形，从第二次气泡脉动开始，气泡脉动的形状变为不规则圆柱形，首次气泡脉动周期为21.5ms，第二次脉动周期为15.5ms，气泡脉动最大半径为5.6cm；两根纤维爆炸索同时起爆后，首次气泡脉动周期为27.5ms，由于两个气泡相互抑制了对方气泡的运动，导致气泡的脉动周期增大；两根纤维爆炸索间距10cm布设，形成的两个气泡慢慢逐渐融合在一起，最后形成一近似规则的气泡帷幕，持续时间很长，能显著增加水下爆炸混响效应。第三，为了探求高功率、宽频带、连续性的水声干扰源，以水下爆炸理论为基础对纤维爆炸索水下爆炸水声特性进行研究，主要通过水下爆炸压力测试和气泡脉动实验，研究了纤维爆炸索水下爆炸的声压级、声持续时间、混响效应和功率谱特性，发现纤维爆炸索具有声压级高、频率范围广、混响效应强和声持续时间长的特点。提出的纤维爆炸索网栅结构水下爆炸产生多个水下爆炸脉冲，各脉冲信号能很好地衔接起来，使得爆炸声压级波形近似为一平稳、连续波，提高了其水下爆炸脉冲压力波的宽度，同时还产生气泡脉动和混响效应，显著增加了水下爆炸声的持续时间，可作为连续水下爆炸声源。第四，基于水下爆破工程防护安全的迫切需要，对提出的空气隔层衰减水下爆炸能量的设想进行了研究，发现空气隔层能有效衰减冲击波峰值压力，且衰减效果随空气隔层厚度增加有明显提高；空气隔层对水下爆炸冲击波各频率段的能量都有很好的衰减作用，对绝大部分频率段的冲击波能量衰减都在50%以上。第五，在借鉴国内外爆炸削能与安全防护措施与技术的基础上，利用纤维爆炸索水下爆炸产生气泡脉动的特性，构建纤维爆炸索网栅结构，通过纤维爆炸索网栅结构爆炸产生气泡帷幕，达到削减水下爆炸能量的作用，提出了爆炸气泡帷幕削能的新理念。爆炸气泡帷幕对冲击波峰值压力的衰减高达60%，对冲击波冲量的衰减高达62.2%；对冲击波能量的衰减效果十分明显，衰减效果高达57.7%；对各频段冲击波能量都有很好的衰减效果，特别是能有效消除高频成分。提出了爆炸气泡帷幕衰减水中冲击波能量的设置原则，以保证其能够达到最佳衰减效果。第六，对条形药包水下爆炸能量计算方法进行了分析，提出了纤维爆炸索水下爆炸能量计算方法，并对纤维爆炸索水下爆炸能量进行了测试，对其水下爆炸能量分布进行了系统研究，获得了能量分布的确切比例：冲击波能约占总能量的85%左右，气泡能占总能量的15%左右。纤维爆炸索总能量趋于一致，偏差不大，冲击波能量基本上在2.20MJ/kg上下。对纤维爆炸索的能量分布情况的研究，将推动纤维爆炸索的发展。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 水下爆炸冲击波传播特性研究
• 1.2.2 水下爆炸水声特性研究
• 1.2.3 水下爆炸气泡脉动特性研究
• 1.2.4 水下爆炸能量输出结构研究
• 1.2.5 水下爆炸能量衰减方法研究综述
• 1.3 本文研究内容
• 参考文献
• 第2章 纤维爆炸索水下爆炸压力信号分析
• 2.1 引言
• 2.2 小波分析与HHT 分析原理
• 2.2.1 小波分析原理
• 2.2.2 Hilbert-Huang 变换原理
• 2.3 纤维爆炸索水下爆炸压力信号特征分析
• 2.3.1 纤维爆炸索水下爆炸实验装置与测试系统
• 2.3.2 测试结果
• 2.3.3 纤维爆炸索水下爆炸压力信号小波分析
• 2.3.4 基于HHT 变换的纤维爆炸索水下爆炸压力信号分析
• 2.4 纤维爆炸索网栅超压信号的Hilbert 变换
• 2.4.1 纤维爆炸索网栅制作
• 2.4.2 纤维爆炸索网栅水下爆炸压力实验结果
• 2.4.3 纤维爆炸索网栅冲击波超压信号EMD 分解
• 2.4.4 纤维爆炸索网栅冲击波超压信号Hilbert 变换
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第3章 纤维爆炸索水下爆炸气泡脉动特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验装置与测试系统
• 3.2.1 水下爆炸实验容器
• 3.2.2 水下爆炸实验用水和光源选择
• 3.2.3 光测系统设计
• 3.2.4 实验样品布设与数据判读原理
• 3.3 单根纤维爆炸索水下爆炸气泡脉动特性研究
• 3.3.1 实验方法
• 3.3.2 实验结果分析
• 3.4 两根纤维爆炸索水下爆炸气泡脉动特性研究
• 3.4.1 实验方法
• 3.4.2 实验结果分析
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第4章 纤维爆炸索水下爆炸水声特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 纤维爆炸索水下爆炸水声特性研究
• 4.2.1 纤维爆炸索水下爆炸声持续时间
• 4.2.2 纤维爆炸索水下爆炸声功率谱
• 4.3 纤维爆炸索网栅结构水下爆炸水声特性研究
• 4.3.1 纤维爆炸索网栅水下爆炸结构
• 4.3.2 纤维爆炸索网栅水声特性
• 4.3.3 水下爆炸声功率谱
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第5章 爆炸气泡帷幕对水下爆炸能量衰减作用研究
• 5.1 引言
• 5.2 水下爆炸冲击波衰减原理分析
• 5.3 空气隔层对水下爆炸冲击波能量衰减效果研究
• 5.3.1 空气隔层衰减水中爆炸冲击波特性实验研究
• 5.3.2 实验结果分析
• 5.3.3 空气隔层作用下水下爆炸压力波能量分布研究
• 5.4 爆炸气泡帷幕对水下爆炸冲击波能量衰减效果研究
• 5.4.1 爆炸气泡帷幕衰减水中冲击波理论分析
• 5.4.2 爆炸气泡帷幕衰减水中冲击波实验研究
• 5.4.3 爆炸气泡帷幕衰减水中冲击波能量设置原则
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第6章 纤维爆炸索水下爆炸能量分布研究
• 6.1 引言
• 6.2 条形药包水下爆炸能量理论计算
• 6.2.1 冲击波比能计算
• 6.2.2 气泡比能计算
• 6.2.3 爆炸总能量计算
• 6.2.4 对气泡比能计算公式合理性的讨论
• 6.3 纤维爆炸索水下爆炸能量计算方法
• 6.4 纤维爆炸索水下爆炸能量测试
• 6.4.1 水下爆炸能量测试系统
• 6.4.2 压力传感器标定
• 6.4.3 纤维爆炸索水下爆炸测试实验
• 6.4.4 纤维爆炸索水下爆炸冲击波压力分析
• 6.4.5 纤维爆炸索水下爆炸能量特性分析
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第7章 全文总结
• 7.1 本文的主要研究工作及创新
• 7.2 展望
• 致谢
• 读博期间发表的学术论文