高浩鵬， 張姝紅， 馮麟涵

(1. 中國人民解放軍91439部隊， 大連 116041； 2. 海軍裝備研究院 艦船所，北京 100161)

水下爆炸作用下高速攝像機抗沖隔振系統(tǒng)設計與動態(tài)特性分析

高浩鵬1， 張姝紅1， 馮麟涵2

(1. 中國人民解放軍91439部隊， 大連 116041； 2. 海軍裝備研究院 艦船所，北京 100161)

以計算多體動力學理論為指導，以水下爆炸試驗時高速攝像機光測手段的應用為背景，設計了高速攝像機的抗沖隔振系統(tǒng)，建立了高速攝像機抗沖隔振系統(tǒng)的多體動力學模型；建模過程引入縮比模型試驗數(shù)據(jù)，提高了模型的可靠性?；谠撃Ｐ?，分析了水下爆炸沖擊因子為0.4時抗沖隔振系統(tǒng)的動態(tài)特性，結(jié)果表明抗沖隔振系統(tǒng)具有良好的緩沖效果，滿足高速攝像機的抗沖擊指標，通過試驗驗證了抗沖隔振系統(tǒng)設計的正確性。其中抗沖隔振系統(tǒng)的設計、建模、校核及分析方法不失一般性，可應用于其它電子設備。

水下爆炸； 鋼絲繩隔振器； 多體動力學； 高速攝像機； 縮比模型

電測和光測是目前水下爆炸試驗中的兩種主要測量方法[1]，這兩種方法在測量參數(shù)及應用上都有一定的互補性。高速攝影技術作為一種典型的光測方法，在水下爆炸試驗測量中應用越來越廣泛[2]，其主要實現(xiàn)水下爆炸試驗中目標總體毀傷[3]、結(jié)構(gòu)變形、開裂尺寸、破壞形狀、沖擊速度、位移，裝藥氣泡脈動，聚能裝藥爆炸射流速度、直徑、長度等參數(shù)測量[4]。目前，國內(nèi)外開展的水下爆炸高速攝影測量主要在爆炸筒、水池中實現(xiàn)[5-6]，而在海水中實現(xiàn)高速攝影測量的一個難題就是：受海水的光學特性、海水的透明度、水下照明光源、高速攝像機參數(shù)指標、拍攝頻率和曝光時間等因素限制，高速攝影拍攝距離僅有數(shù)米，這就要求高速攝像機在拍攝時接受可靠的抗沖隔振措施。

本文研究的目的就是解決高速攝像機海水中近爆源拍攝的抗沖隔振問題。文中的抗沖隔振研究是在高速攝像機水下防護裝置設計平臺的基礎上進行的，防護裝置設計主要考慮高速攝像機尺寸、防護裝置水動力特性、加工制造工藝、強度等因素，為高速攝像機提供一個穩(wěn)定安全的承載平臺，該防護裝置形狀類似潛艇外形?？箾_隔振研究的內(nèi)容主要涉及高速攝像機沖擊環(huán)境測量與分析、隔振系統(tǒng)設計與建模、抗沖隔振系統(tǒng)動態(tài)特性分析、試驗驗證等內(nèi)容。

1 沖擊環(huán)境測量與分析

高速攝像機通過抗沖隔振系統(tǒng)安裝于防護裝置內(nèi)，試驗時防護裝置遭受近距離水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波等載荷作用，對抗沖隔振系統(tǒng)的設計首先應分析其沖擊環(huán)境，文中設計縮比模型試驗對其沖擊環(huán)境進行測量與分析。

1.1 縮比模型試驗設計

參照CB/Z 272—2004水面艦艇艙段模型水下爆炸試驗方法，水下非接觸爆炸縮比模型比例應不小于1∶10，當縮比不小于1∶4時相似性更好[7]，取防護裝置縮比模型與原結(jié)構(gòu)尺寸比例為1∶3，即縮比模型長300 mm、外徑110 mm、內(nèi)徑100 mm，材料為316L鋼，整體質(zhì)量為6.3 kg。試驗在某單位深水爆炸壓力筒內(nèi)進行，縮比模型實物如圖1所示。

圖1 縮比模型實物圖

試驗根據(jù)沖擊因子由小到大設計工況，本文重點分析沖擊因子最大時的工況，即沖擊因子為0.4。試驗時爆源和防護裝置水平吊放懸布于爆炸筒內(nèi)，爆源與防護裝置軸線為同一深度且之間距離1.12 m、爆源藥量為200 gTNT，防護裝置迎爆面為大端面，加速度測點焊接在迎爆面內(nèi)側(cè)，示意圖如圖2所示。

圖2 縮比模型設計及加速度測點布設示意圖

1.2 測量結(jié)果及分析

文中主要對測點的垂向和軸向加速度進行測量，采樣頻率為50 k，測量結(jié)果如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)沖擊加速度曲線上主要有兩個峰值，第一峰值由入射沖擊波載荷作用產(chǎn)生，第二峰值由爆炸筒筒壁反射沖擊波匯聚所導致。入射沖擊波載荷作用的垂向和軸向最大加速度值分別為1 206g和4 226g，反射沖擊波匯聚作用的垂向和軸向最大加速度分別為1 883g和3 990g。對加速度結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)在頻域2 000 Hz內(nèi)加速度峰值較大，符合沖擊波作用的特點。

2 抗沖隔振系統(tǒng)設計及建模

上小節(jié)主要基于縮比模型試驗得到了相應工況的沖擊環(huán)境，下文在沒有特殊說明時所有模型和實物為實尺度。

2.1 抗沖隔振系統(tǒng)特性參數(shù)計算

(a) 垂向

(b) 軸向

(1)

2.2 隔振器選型及安裝結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)軸向剛度計算數(shù)據(jù)，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其剛度取計算數(shù)值的上限附近，即軸向上安裝2組GS-15型鋼絲繩隔振器；為了保證抗沖隔振系統(tǒng)固有頻率的一致性，橫向和垂向上各布置6組GS-6型鋼絲繩隔振器。為了確定隔振器的布設及安裝方式，文中對防護裝置進行了模態(tài)分析，分析結(jié)果如表1所示，前2階模態(tài)振型如圖4所示。由表1及圖4可知：防護裝置的第一階頻率遠高于普通鋼絲繩隔振器的固有頻率；低階模態(tài)主要表現(xiàn)為吸脹，剛度值較大；低階模態(tài)頻率的節(jié)點主要位于結(jié)構(gòu)兩端，隔振器設計時隔振器的位置應該靠近兩端；吸脹模態(tài)的角度間隔為120°或者30°，所以在隔振器設計時周向取間隔90°，以避開模態(tài)幅值點。綜上，鋼絲繩隔振器的布設形式如圖5所示，即2組GS-15型鋼絲繩隔振器分布于后端蓋，12組GS-6型鋼絲繩隔振器45°斜置布設于圓柱殼體內(nèi)壁周向4處；12組GS-6型鋼絲繩隔振器支撐4根導軌，相機通過隔振橡膠墊保護后安裝在相機安裝支架上，整個支架通過4根導軌推入到防護裝置內(nèi)部；為了避免安裝時對防護裝置前端的抗爆玻璃造成損壞，相機安裝支架與防護裝置之間設計有限位器件。

表1 防護裝置模態(tài)頻率及振型描述

圖5 鋼絲繩隔振器布設及安裝結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 抗沖隔振系統(tǒng)建模

在抗沖隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計的基礎上對其進行實體建模，并建立其計算多體動力學分析模型，如圖6所示。其中，相機安裝支架與導軌之間添加滑移副，即兩者之間在軸向上可以有相對位移；GS-15和GS-6鋼絲繩隔振器主方向的剛度分別為150 N/mm、60 N/mm，阻尼比取為0.12[9]；沖擊激勵的加載基于大質(zhì)量法，激勵源選取縮比模型試驗中入射沖擊波階段的加速度數(shù)據(jù)，在多體動力學中通過樣條函數(shù)進行加載[10]，加載激勵時域曲線如圖7所示(實線為垂向，虛線為軸向)，加載點位于防護裝置前端抗爆玻璃中心處。

圖6 隔振系統(tǒng)計算多體動力學模型

圖7 沖擊激勵加載時域曲線

3 動態(tài)特性結(jié)果分析

3.1 加速度結(jié)果校核

加速度值是高速攝像機一項主要抗沖擊指標，故基于文中建立的多體系統(tǒng)動力學模型對相機的加速度響應進行分析?？紤]到模型初始條件，水下爆炸產(chǎn)生的沖擊激勵加載從0.15 s開始，圖8列出了相機質(zhì)心的加速度時域曲線，其中垂向、軸向的最大值分別為64.8g、22.7g，最大值產(chǎn)生于激勵后的時間分別為0.6 ms、9.8 ms、，垂向衰減率約為94.7%、軸向衰減率約為99.4%。垂向加速度最大值出現(xiàn)在沖擊激勵時間內(nèi)，軸向加速度最大值出現(xiàn)在沖擊激勵結(jié)束后，主要是由于隔振系統(tǒng)垂向剛度較大，垂向加速度響應值大于軸向也是這個原因。加速度響應結(jié)果表明最大值小于高速攝像機的抗沖擊指標，即該工況下高速攝像機可正常工作。

(a) 垂向

(b) 軸向

3.2 位移結(jié)果校核

為了校核鋼絲繩隔振器工作的可靠性，文中對鋼絲繩隔振器的動態(tài)變形量進行了分析。圖9為GS-15隔振器動態(tài)變形曲線，其垂向和軸向最大變形分別為2.7 mm、10.7 mm，對應的時刻分別為沖擊激勵后2.8 ms、12.7 ms；可見，最大變形時刻都出現(xiàn)在激勵結(jié)束后，最大變形量小于該隔振器的允許值22 mm。

圖9 GS-15隔振器動態(tài)變形時域曲線

圖10中(a)為一條導軌上3個GS-6隔振器的動態(tài)變形曲線，對應的垂向幅值分別為6.0 mm、4.6 mm、3.6 mm，對應的時刻分別為沖擊激勵后5.9 ms、5.1 ms、3.8 ms，順序為依次從迎爆端面到尾部錐形?？梢园l(fā)現(xiàn)，最大變形時刻也都出現(xiàn)在激勵結(jié)束后，最大變形量小于該隔振器的允許值26 mm。圖10中(b)為靠近迎爆面GS-6隔振器的軸向動態(tài)變形曲線，理論分析導軌與相機安裝支架之間可以產(chǎn)生相對位移進而GS-6隔振器在軸向不會產(chǎn)生變形，但由于導軌與相機安裝支架之間摩擦力的作用使得GS-6隔振器在軸向產(chǎn)生小的變形。另外分析可以發(fā)現(xiàn)：所有隔振器的變形使得相機安裝支架產(chǎn)生剛性位移，但位移量較小，即保證了高速攝像機工作的穩(wěn)定性，使得高速攝像機可正常對焦。

(a) 垂向

(b) 軸向

3.3 試驗驗證

根據(jù)抗沖隔振系統(tǒng)的設計方案，加工制作的防護裝置和抗沖隔振系統(tǒng)實體如圖11所示。依據(jù)沖擊波載荷爆炸相似等效性，選用1 kg黑索金作為爆源，爆源與防護裝置懸布于海水中且距海面距離相同，爆源距攝像機防護裝置前端距離3.54 m，在海水中實施2次爆炸試驗，試驗結(jié)束后對攝像機的狀態(tài)進行檢查。試驗主要對自由場壓力進行測量，結(jié)果表明：在爆源為1 kg黑索金、防護裝置前端沖擊波峰值壓力為15.1 MPa的爆炸條件下，攝像機工作正常，即抗沖擊緩沖裝置性能滿足攝像機抗沖擊防護要求。

(a) 防護裝置

(b) 隔振系統(tǒng)

4 結(jié) 論

本文主要針對高速攝像機海水中近爆源拍攝時抗沖隔振系統(tǒng)的設計、建模及動態(tài)校核的方法進行研究。其中，設計過程主要包括隔振系統(tǒng)的特性參數(shù)初步計算、鋼絲繩隔振器選型與安裝方式、隔振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計等問題；建模主要基于計算多體動力學方法，沖擊激勵的添加基于縮比模型的試驗數(shù)據(jù)，提高了模型的可靠性；動態(tài)校核基于文中建立的多體動力學模型，主要針對加速度和位移兩個參數(shù)進行校核，結(jié)果表明抗沖隔振系統(tǒng)設計的正確性。文中在實際系統(tǒng)加工完成后通過試驗驗證了抗沖隔振系統(tǒng)設計的可靠性，結(jié)果表明高速攝像機在相應工況下可正常工作。文中設計及分析過程可反復計算進而對隔振系統(tǒng)進行優(yōu)化，過程不失一般性，可應用于水下爆炸作用時電子設備的抗沖防護，不足之處是建模過程中未能考慮到橡膠墊的緩沖作用、鋼絲繩隔振器的非線性特性以及實際安裝時鋼絲繩隔振器的預壓縮變形等。

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Design and dynamic characteristics analysis for a high-speed camera’santi-shock and vibration isolation system subjected to underwater explosion

GAO Haopeng1， ZHANG Shuhong1， FENG Linhan2

(1. Unit 91439 of PLA， Dalian 116041， China； 2. Institute of Navy Vessels, Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)

With the instruction of the computational multi-body dynamics theory, taking optical measurement application in high-speed camera under underwater explosion tests as the background, the anti-shock and vibration isolation system of the high-speed camera was designed, then the multi-body dynamic model for the system was constructed. The reliability of the modeling process based on the scale model test data was improved. Based on the model, the dynamic characteristics of the system were analyzed under the underwater explosion test condition with the shock factor of 0.4. The results showed that the designed system has a good buffering effect and the system meets the anti-shock requirements of the high-speed camera; the design correctness of the system is validated with tests; the design, modeling and analysis method here can be widely applied in other electronic equipments.

underwater explosion; wire-rope isolator; multi-body dynamics; high-speed camera; scale model

國家自然科學基金(51209215)

2015-12-08 修改稿收到日期：2016-02-18

高浩鵬 男，博士，工程師，1986年生

TB532

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.09.031