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( 1. 北京理工大学 宇航学院，北京100081; 2. 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081)

摘要

      基于数字图像相关(DIC)方法搭建了三维动态DIC方法测试系统，利用冲击加载实验设备，对喷涂散斑的铝靶板进行冲击加载实验，获得了靶板的实时离面位移场;并利用安装在水靶 舱壁面的压力传感器，测取了水中冲击波压力时程曲线;建立了针对冲击实验的二维轴对称仿真模 型，分析了水靶舱内冲击波的形成与传播过程以及靶板的动态响应变形进程。研究结果表明，靶板 的变形是由边界向中心呈环形扩展的，而且靶板极容易在法兰约束边界处出现剪裂现象。靶板实时变形与测点压力时程的实验值与仿真值具有良好的一致性，这表明结合三维动态DIC方法测试系统与等效加载设备可以实现对结构的水下冲击响应分析研究工作。 

关键词:爆炸力学; 水下冲击载荷; 铝板; 动力学响应; 三维数字图像相关 

中图分类号:O348 文献标志码:A 文章编号:1000-1093(2014)08-1210-08 DOI: 10． 3969/j． issn． 1000-1093． 2014． 08． 012

系统介绍

VIC-3D三维动态DIC测量系统

VIC-3D三维动态DIC测量系统主要由散斑制作工具、标定工具、高速图像采集系统、图像分析处理系统组成。

使用美国CSI公司研发的VIC-3D数字图像处理软件，处理计算实时散斑场。VIC-3D所用的DIC 方法数字图像相关技术，是一种通过图像相关点进 行对比的算法:用两台高速相机拍摄不同时刻靶板 变形的图像，基于双目立体视觉原理，在拍摄散斑区 域追踪到每个像素并与初始时刻对应像素进行三维匹配对比计算，得出所有像素点的三维位移与方向， 并计算得出测试靶板的位移场与应变场。

VIC-3D非接触全场应变测量分析系统

图文解析：

离面位移场

离面位移场 图4 为初始铝靶板中心区域的散斑图，框内的 区域为选定的DIC方法计算区域，其中DIC方法计 算子相关窗口大小为120mm×46mm． 使用两台Pho tron SA5 高速相机进行拍摄，拍摄速率为50000帧/s， 即每隔20μs拍摄一张变形图片。选取不同时刻的 变形图像和初始图像，然后利用VIC-3D 软件计算 得到该区域的全场变形信息。   

应变场

图5 所示的是在97.7 m/s 撞击速度下，3 mm 厚铝板在不同时刻的离面位移场，s为离面位移值， 左图是位移场，右图是计算区域的三维变形示意图。可明显观察到，在t=0μs时，水靶舱内水中冲击波 波头达到铝靶板，铝靶板开始产生变形，随着时间推 移，铝靶板变形逐渐增大，并最终维持在稳定变形位 置。从铝靶板具体的变形过程可以看出，在未达到 最大变形之前，铝靶板的变形形式是由外缘圆周向 圆心呈现环形增长的，这说明水靶舱内的冲击波载 荷对铝靶板的加载是均匀轴对称的，冲击波状况较 为理想。 

变场分布情况。图6(a)与图6( b) 分别是两个方向 的主应变场ε1 与ε2 ，最大主应变出现在靶板中心区 域，且呈现椭圆形式分布，长轴与水平夹角分别约为 145°与 45°，最大值分别为 0.041 1 与 0.038 0． 图6( c) 与图6( d) 分别是铝靶板的x、y方向的拉应 变场εxx 与εyy ，最大值区域也都椭圆形分布，倾角分 别为90°与0°。

数值仿真

使用AUTODYN软件对铝板的冲击响应过程进 行数值仿真研究，图7给出了二维轴对称有限元模 型。采用正四边形欧拉网格描述水靶舱内部的水， 网格尺寸0.5 mm; 采用拉格朗日网格描述舱壁结 构、活塞与飞片以及靶板，网格尺寸均为1mm．

图8给出了靶板的整个响应变形过程以及空穴 的产生位置。以飞片即将撞击到活塞时刻为时间的 零起点，如图8(a)所示;飞片撞击活塞后，应力波反 复透射与反射，在水靶舱中形成带状压力脉冲，如 图8(b)所示;大概在t=280μs时冲击波压力达到 靶板，并在t=300μs时产生明显的变形，而且这种 变形具有一个特点，即法兰固定的边界处产生很明 显弯曲变形，如图8( c)所示;在t=450μs时，靶板 中心出现空穴，如图8(d)所示，这是因为靶板变形 与冲击波反射联合造成的;随着靶板的变形与冲击 波的反射，在水靶舱边缘位置也出现了空穴，如 图8( f)所示。从整个数值仿真结果来看，飞片在 第一次撞击活塞后就与活塞分离。

结果分析

图9是根据DIC方法计算域的变形场，获得的不同时刻铝靶板径向的变形历史与仿真值的对比。 图9中x是指以靶板圆心为原点且过靶板圆心水平位置点，将冲击波刚刚到达靶板时刻看成时 间零起点。从图9可以看出，实验值与仿真值基本吻合，在前期，靶板的变形是由外向内过渡的，此时靶板的形状类似于“M”形状的回转体，即中心凹 陷，距离圆周边界一定距离处凸起，这与DIC方法 测试结果一致。在t=720μs左右时，铝靶板达到了 最大变形，之后又出现微小的“回弹”现象，后期仿 真得到的靶板外围变形较实验值偏小。

水中冲击波压力

图10 反映的是使用压电传感器在水靶舱侧壁 两个测点B点与C点测得的水中冲击波压力时程 曲线与仿真值的对比。当飞片撞击速度为v0 时， 假定波阵面动量守恒，则测点 B、C 的压力峰 值［9－10］应为 pB = SF S +F v ( 0 D0 pC = SF S +F v ( 0 D0 2 D B D ) ) 2 =53. 38 MPa， =29. 57 MPa， ( 3) ( 4) C 式中:S与F分别是活塞与水的波阻抗;D0 是水靶舱 小端口直径;DB 与DC 计分别是测点B、C所在位置的水靶舱腔体直径。从图10也可以看出，实验测量的B、C两侧点 的峰值压力分别为48.64 MPa与28.00 MPa，仿真 值分别为45.4 MPa 与30.7 MPa，理论值、实验值 以及仿真值三者基本一致，误差在12%以内。从 冲击波波形来看，仿真波形与实验波形十分相似。由于C测点距离靶板较近，当冲击波作用在靶板 上之后，会很快产生反射波，因而在C测点压力时 程曲线上体现出两个波峰，第二个波峰即为反射波峰值。

铝靶板永久变形

图11 是v0 =130.8 m/s 时 3 mm 厚铝靶板的永久变形状况。图11( a)与图11( b)反映出铝靶 板具有良好且均匀平滑的变形形貌，水介质较好 的将冲击载荷传递并作用在靶板上;在法兰夹持 约束的内边缘位置，如图11( d)与图11( e)所示， 存在明显的边界剪切撕裂现象，可以预知，如果冲 击速度较大时，这个位置将极容易出现进一步的 撕裂破坏，致使受冲击面整体撕裂脱落。此外，用 于固定的螺孔形状产生变化，形成椭圆形状，这说 明法兰的夹持与螺栓都是形成固定边界的重要组 成部分，但需要说明的是这种固定边界并不是严 格意义上的固定边界。

撞击速度的影响

为了考察撞击速度，即水中冲击波压力对铝靶 板变形与毁伤的影响，分别针对3mm厚与6mm厚 的AL1060铝靶板进行了共10次冲击实验，表4是 实验数据汇总结果。从表4可以看出，在靶板厚度 不变的情况下，随着撞击速度v0 的增大，到达铝靶板 的冲击波压力峰值ps 越来越大，靶板的最大离面位 移值sm 也逐渐增大。当v0 超过130m/s时，在靶板 与法兰接触边界处发生边界剪裂的情况。这种情况 的出现应该是两种因素造成的:一方面是因为法兰 内孔处的倒角不大，过于尖锐;另一方面是由于靶板 受冲击变形较大，边缘变薄，致使该位置更容易撕裂 破坏。

研究结论

基于DIC方法，搭建了VIC-3D三维动态DIC方法测试系统，使用水中冲击加载实验装置对铝板进行 了冲击实验，并进行了仿真验证。研究结果表明， 结合三维动态DIC方法与实验设备基本能够满足 对气背平板类结构的水下冲击响应分析研究，测试系统能够测得靶板的实时离面位移场与应变 场。对铝板的冲击实验与仿真研究均表明，靶板 变形前期是由边界附近向圆心呈现环形增长的， 并且在法兰约束处极容易出现靶板的边界剪切撕裂破坏形式。