宋敬利，張玉濤

(中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧 大連　116041)

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【裝備理論與裝備技術(shù)】

某浮動(dòng)沖擊平臺(tái)外載荷與沖擊環(huán)境分析

宋敬利，張玉濤

(中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧 大連116041)

為了進(jìn)行艦載設(shè)備在接近實(shí)戰(zhàn)條件下的抗沖擊考核，設(shè)計(jì)并建造了浮動(dòng)沖擊平臺(tái)。為摸清浮動(dòng)沖擊平臺(tái)在一定外載荷下的沖擊環(huán)境，進(jìn)行了三次水下爆炸試驗(yàn)，采用1kgRDX裝藥在距離平臺(tái)不同距離處爆炸，分別對(duì)平臺(tái)外載荷和沖擊環(huán)境進(jìn)行了測(cè)量；外載荷測(cè)量結(jié)果表明：裝藥在水下5m爆炸時(shí)產(chǎn)生明顯的氣泡脈動(dòng)載荷和空化效應(yīng)，加強(qiáng)了對(duì)平臺(tái)本體的沖擊作用；沖擊環(huán)境測(cè)量結(jié)果表明：沖擊響應(yīng)從迎爆面到背爆面有逐漸減小的趨勢(shì)，迎爆面沖擊譜速度達(dá)到5.3m/s，位移11cm；沖擊環(huán)境滿足Ⅲ類(lèi)區(qū)域沖擊環(huán)境要求。

水下爆炸；浮動(dòng)沖擊平臺(tái)；沖擊環(huán)境

二戰(zhàn)后，艦船抗沖擊問(wèn)題引起了世界各海軍強(qiáng)國(guó)的高度重視，投入大量人力和物力開(kāi)展一系列沖擊試驗(yàn)和研究，建立并不斷完善抗沖擊軍用規(guī)范，以提高艦艇抗沖擊能力[1-3]。美國(guó)和西歐等海軍強(qiáng)國(guó)將艦載設(shè)備的抗沖擊能力作為艦艇的主要性能指標(biāo)，在初始階段就給予重點(diǎn)考慮，有關(guān)艦艇安全和作戰(zhàn)能力的裝艦設(shè)備都必須經(jīng)過(guò)沖擊試驗(yàn)考核或沖擊計(jì)算考核。美國(guó)海軍抗沖擊規(guī)范《船用機(jī)械、設(shè)備和系統(tǒng)沖擊試驗(yàn)要求》，即MIL—S—901D標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定凡小于181t的艦載設(shè)備必須經(jīng)進(jìn)行抗沖擊考核試驗(yàn)[4-5]，合格后方能裝艦使用，因此美國(guó)在弗朗西科艦載設(shè)備抗沖擊試驗(yàn)基地等地建有多型海上抗沖擊浮動(dòng)平臺(tái)用于大型艦載設(shè)備考核試驗(yàn)。西歐國(guó)家的抗沖擊規(guī)范BV043/85對(duì)大型艦載設(shè)備抗沖擊也有相關(guān)規(guī)定[6]。

浮動(dòng)沖擊平臺(tái)在正式投入使用前需要對(duì)其進(jìn)行一系列水下爆炸試驗(yàn)以驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性，試驗(yàn)中需要對(duì)外載荷和沖擊環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，并以此為依據(jù)對(duì)被試設(shè)備的抗沖擊性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，考核合格后方可裝艦使用。外載荷的測(cè)量主要是為了驗(yàn)證裝藥爆轟的安全性，獲取加載在平臺(tái)本體上的外部載荷，沖擊環(huán)境測(cè)量是為了獲取平臺(tái)不同部位的沖擊環(huán)境。通過(guò)對(duì)沖擊環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)的處理分析可以獲得設(shè)備基礎(chǔ)承受的加速度、速度、位移等參數(shù)，再通過(guò)與設(shè)備的設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比分析來(lái)驗(yàn)證設(shè)備抗沖擊設(shè)計(jì)的可靠性。我國(guó)關(guān)于艦船抗沖擊的研究工作起步較晚，現(xiàn)有的船用設(shè)備的抗沖擊設(shè)計(jì)和考核要求主要借用國(guó)外軍標(biāo)，以美軍軍標(biāo)為主。由于我國(guó)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)如GJB150.18 和GJB1060.1—91 均以美國(guó)的MIL—S—901C和DDS072為參考，目前尚未形成適合我國(guó)國(guó)情的抗沖擊考核體系。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于大中型艦載設(shè)備的考核仍然缺乏相應(yīng)的手段[7]，為此設(shè)計(jì)了小型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)并開(kāi)展了相關(guān)水下爆炸試驗(yàn)，對(duì)平臺(tái)外載荷和沖擊環(huán)境進(jìn)行了初步研究，為后續(xù)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)建設(shè)提供借鑒。

1　浮動(dòng)沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本平臺(tái)共設(shè) 5道縱壁、7道橫壁，平臺(tái)為雙層底、單甲板，雙層底的間距為 300mm；內(nèi)底和甲板之間距離280mm，平臺(tái)型深2m；平臺(tái)根據(jù)實(shí)際設(shè)備放置情況備有1t固體壓載，并在上層甲板四周設(shè)有壓載孔；平臺(tái)上層甲板四角處設(shè)有起吊裝置；平臺(tái)的頂部設(shè)帆布篷，為半圓形，高度為2 300mm，帆布篷支架為圓管截面，篷中央設(shè)有開(kāi)孔便于起吊；平臺(tái)四周相應(yīng)位置處設(shè)有拖航環(huán)。所設(shè)計(jì)的沖擊平臺(tái)外形為長(zhǎng)方體，主尺度為：長(zhǎng)5.4m，寬4m，高2m，吃水0.7m，排水量約15t(圖1)。

圖1　浮動(dòng)沖擊平臺(tái)

2　浮動(dòng)沖擊平臺(tái)試驗(yàn)方法

在浮動(dòng)平臺(tái)的迎爆面及背爆面各安裝2個(gè)自由場(chǎng)壓力傳感器，傳感器位于水下1.5m。加速度測(cè)量共設(shè)6個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)A1位于內(nèi)底板橫軸線靠近迎爆面一側(cè)，A2、A3、A4測(cè)點(diǎn)沿上甲板橫軸線以相同間距布設(shè)，A3、A5、A6測(cè)點(diǎn)沿上甲板縱軸線以相同間距布設(shè)，傳感器安裝位置如圖2所示。

圖2　傳感器安裝位置俯視圖

試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備采用NIPXI1045采集機(jī)箱，速度采集卡采用NIPXI4498采集卡，壓力采集卡采用NIPXI6120采集卡，加速度傳感器均采用PCBM350系列傳感器，壓力傳感器采用PCB138系列傳感器。試驗(yàn)中測(cè)量設(shè)備通過(guò)氣液緩沖裝置安裝在浮動(dòng)沖擊平臺(tái)內(nèi)甲板上。試驗(yàn)中采用1枚1kgRDX藥球作為爆源，爆源采用有線方式起爆，起爆裝置放于碼頭上。通過(guò)仿真計(jì)算確定爆源到小型浮動(dòng)平臺(tái)水平距離及布設(shè)深度，試驗(yàn)共進(jìn)行3個(gè)工況(表1)。

表1　試驗(yàn)工況

3　外載荷分析

圖3為第3炮次P1和P2兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的外載荷波形圖，從時(shí)域來(lái)看，水下爆炸可以分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為沖擊波階段，持續(xù)時(shí)間為毫秒級(jí)；第二個(gè)階段為氣泡階段，持續(xù)時(shí)間為秒級(jí)。沖擊波產(chǎn)生后將沿著藥包的各個(gè)方向傳播。當(dāng)氣泡剛生成時(shí)，由于沖擊波向外傳播時(shí)在氣泡內(nèi)部生成壓力很大的伸張波[8]，壓力大于外部水的壓力，導(dǎo)致氣泡過(guò)度膨脹，使外部的水壓力大于內(nèi)部的壓力，這樣，氣泡又開(kāi)始?jí)嚎s，由于慣性的作用，氣泡又過(guò)度壓縮，內(nèi)部壓力大于外部壓力，使得膨脹、壓縮運(yùn)動(dòng)循環(huán)起來(lái)，在有利的條件下，這種運(yùn)動(dòng)可達(dá)十次或者十次以上。本次試驗(yàn)由于爆源入水較淺，共觀察到兩次明顯的氣泡脈動(dòng)，氣泡脈動(dòng)周期為0.207s，計(jì)算水下爆炸氣泡脈動(dòng)周期的經(jīng)驗(yàn)公式如下[9]：

(1)

對(duì)TNT炸藥KT=0.295; h為炸藥距水面距離(m); W為炸藥質(zhì)量(kg)。將W=1，h=5代入式(1)求得T=0.210，試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。另外兩個(gè)測(cè)點(diǎn)沖擊波過(guò)后由于沖擊波到達(dá)水面后產(chǎn)生反射稀疏波，稀疏波與入射波疊加后形成負(fù)壓，當(dāng)負(fù)壓值達(dá)到水的空化壓力時(shí)在水域形成的空化現(xiàn)象?？栈瘏^(qū)域潰滅時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次加載[10]。圖3(c)、(d)為P1和P2兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的局部放大圖，從圖中可以看出沖擊波過(guò)后均有明顯的二次加載過(guò)程。

圖3　外載荷波形

4　沖擊環(huán)境分析

4.1時(shí)域分析

沖擊環(huán)境測(cè)量主要測(cè)量不同部位的沖擊加速度參數(shù)，試驗(yàn)共布設(shè)6個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均測(cè)量垂向沖擊響應(yīng)。以浮動(dòng)沖擊平臺(tái)上甲板中心為原點(diǎn)，平臺(tái)右舷為x軸，艏向?yàn)閥軸，垂直方向?yàn)閦軸建立坐標(biāo)系，各測(cè)點(diǎn)信息及測(cè)得的加速度峰值見(jiàn)表2。

表2　加速度測(cè)點(diǎn)信息

由表2可知，垂向加速度峰值大小主要與考察點(diǎn)與沖擊波最先到達(dá)點(diǎn)的距離有關(guān)，隨著距離的增大，加速度曲線峰值減小。爆源在水下爆炸后，沖擊波載荷最先到達(dá)結(jié)構(gòu)表面，沖擊波沿著結(jié)構(gòu)自下向上傳播，A1測(cè)點(diǎn)最靠近底板，振動(dòng)沖擊最先到達(dá)該點(diǎn)，而且該點(diǎn)位于強(qiáng)力結(jié)構(gòu)上，因此加速度峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它各點(diǎn)。主甲板層面上的各測(cè)點(diǎn)加速度峰值從迎爆面到背爆面、由舯部到艉部依次減小。

4.2沖擊譜分析

(2)

單自由度系統(tǒng)受基座激勵(lì)的響應(yīng)可以采用杜哈曼(Duhamel)積分公式求出。在直角坐標(biāo)系上不同固有頻率的機(jī)械系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的最大值與系統(tǒng)固有頻率就是沖擊譜[11]。

選擇上甲板從迎爆面向背爆面的A2、A3、A4三個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行沖擊譜計(jì)算，計(jì)算頻率為1～10 000 Hz，計(jì)算結(jié)果如圖5所示?？拷嬉粋?cè)的A2測(cè)點(diǎn)沖擊譜值明顯高于其他兩點(diǎn)，最大位移達(dá)到11 cm，最大速度達(dá)到5.3 m/s，最大加速度達(dá)到205g。但是位于中心的A3測(cè)點(diǎn)和背爆面的A4測(cè)點(diǎn)沖擊譜值相差不大，A3測(cè)點(diǎn)的位移和速度略大，而加速度基本相同，這與傳感器的安裝部位有關(guān)，A3測(cè)點(diǎn)位于平臺(tái)上甲板中心，其安裝基礎(chǔ)為板材，下面沒(méi)有強(qiáng)力結(jié)構(gòu)，水下爆炸激起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起板材彈性振動(dòng)，類(lèi)似于將傳感器安裝在自振頻率較高的彈簧上，高于自振頻率的成分被過(guò)濾掉，形成濾波效應(yīng)。而A4測(cè)點(diǎn)由于下面有強(qiáng)力結(jié)構(gòu)支撐所以造成位移較小，而振動(dòng)自下而上直接傳到該部位造成譜加速度較大。

圖4　沖擊譜模型

沖擊譜具有明顯的三折線特征，即低頻段表現(xiàn)為等位移特征，中頻段表現(xiàn)為等速度特征，高頻段表現(xiàn)為等加速度特征，隨著測(cè)點(diǎn)與爆源作用點(diǎn)距離的增大，不同固有頻率機(jī)械系統(tǒng)的速度和位移迅速減小，而加速度變化較緩慢。

圖5　計(jì)算沖擊譜圖

采用浮動(dòng)沖擊平臺(tái)考核艦載設(shè)備的抗沖擊性能主要從以下兩方面考慮：需保證浮動(dòng)沖擊平臺(tái)具有一定的剛度，目前國(guó)內(nèi)一般參考美國(guó)MIL—S—901D標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的工況，所設(shè)計(jì)的平臺(tái)能有足夠的強(qiáng)度抵抗水下爆炸載荷作用下的沖擊，同時(shí)能夠提供設(shè)備考核所需的沖擊環(huán)境，沖擊環(huán)境一般參考德國(guó)軍標(biāo) BV043/85中要求的設(shè)備沖擊環(huán)境(表3為部分區(qū)域垂向沖擊環(huán)境)，其中Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類(lèi)安裝區(qū)域分別對(duì)應(yīng)船殼機(jī)座和主甲板以下隔艙壁、下甲板和主甲板隔壁、上層建筑。從平臺(tái)水下爆炸試驗(yàn)結(jié)果看，在沖擊環(huán)境最?lèi)毫拥囊粋€(gè)工況下(即爆源距平臺(tái)舷側(cè)水平4.2 m，水下5 m)，平臺(tái)未產(chǎn)生塑性變形，試驗(yàn)后外觀完好。沖擊環(huán)境滿足Ⅲ類(lèi)區(qū)域沖擊環(huán)境要求，對(duì)于Ⅰ、Ⅱ類(lèi)區(qū)域安裝設(shè)備的考核還需進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。

表3　BV043/85 規(guī)范中部分沖擊環(huán)境數(shù)據(jù)

5　結(jié)論

1) 水下爆炸對(duì)結(jié)構(gòu)的作用是多種載荷聯(lián)合作用的結(jié)果，對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)非接觸爆炸沖擊波起主要作用，沖擊波過(guò)后會(huì)產(chǎn)生氣泡脈動(dòng)載荷和空化區(qū)潰滅造成的二次加載，這種加載會(huì)加劇結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)；

2) 采用沖擊譜表征浮動(dòng)沖擊平臺(tái)在水下爆炸作用下的沖擊環(huán)境研究以不同固有頻率安裝的機(jī)械系統(tǒng)時(shí)直觀、明了，從沖擊譜圖上可以明顯看出不同固有頻率機(jī)械系統(tǒng)對(duì)于同一載荷的響應(yīng)情況，這對(duì)于設(shè)備的防護(hù)設(shè)計(jì)至關(guān)重要；

3) 浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的沖擊環(huán)境滿足德國(guó)軍標(biāo) BV043/85中要求的Ⅲ類(lèi)區(qū)域沖擊環(huán)境，對(duì)于I、II類(lèi)區(qū)域安裝設(shè)備的考核還需進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。

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(責(zé)任編輯周江川)

ExternalLoadandShockEnviormentAnalysisofAFloatingShockDeck

SONGJing-liZHANGYu-tao

(TheNo. 91439thTroopofPLA,Dalian116041,China)

Inordertoachievetheimpactassessmentofshipboardequipmentinclosecombatcondition,floatingshockdeckwasdesignedandconstrcted,andinordertofindouttheshockenvironmentofthefloatingshockdeckundercertainexternalloads, 3underwaterexplosiontestswerecarriedout,taking1kgRDXchargeexplosionindifferentdistancefromthedeck.Externalloadmeasurementresultsshowthattheeffectofbubblepulseloadingandcavitationisobviousunder5mexplosion,andtheshockoftheplatformbodyisstrengthened.Shockenvironmentmeasurementresultsshowthattheshockresponsehasgraduallydecreasedfromfaceexplosiontobackexplosion,andfaceexplosionshockspectrumvelocityanddisplacementarerespectivelyreached5.3m/sand11cm.ShockenvironmentcanmeetⅢlevelarearequirement.

underwaterexplosion;floatingshockdeck;shockenvironment

2016-03-25；

2016-04-20

宋敬利(1975—)，男，高級(jí)工程師，主要從事水下爆炸及艦船抗沖擊研究。

10.11809/scbgxb2016.09.004

format:SONGJing-liZHANGYu-tao.ExternalLoadandShockEnviormentAnalysisofAFloatingShockDeck[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):16-19.

O383+.3

A

2096-2304(2016)09-0016-04

本文引用格式：宋敬利，張玉濤.某浮動(dòng)沖擊平臺(tái)外載荷與沖擊環(huán)境分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(9):16-19.