張保剛，邵 慶，于 喆，王琳娜

（上海機電工程研究所，上海 201109）

艦船抗沖擊性能及隔沖設計直接影響其安全性及艦船設備的正常工作。一般情況下，沖擊載荷包括海上風浪、水下接觸性與非接觸性爆炸以及自身發(fā)射武器時的反沖擊等。這些沖擊會對艦體和艦上設備造成不可忽視的損傷和破壞，因此提高艦艇機械設備的抗沖擊性能對于艦艇的生命力和戰(zhàn)斗力有著非常重要的意義[1]。

常見的沖擊防護研究方法包括理論分析、數值仿真和試驗測試等方法。趙德博等進行了4根鋼筋混凝土梁的落錘沖擊試驗，并提出了估算沖擊荷載作用下梁體最大撓度的經驗公式，但該文獻實驗對象單一，難以揭示柔性體沖擊響應普遍規(guī)律[2]。高德等依據黏彈性力學理論，建立發(fā)泡聚乙烯緩沖材料動態(tài)非線性本構模型，識別模型參數，應用此模型建立了在一定高度跌落沖擊下多自由度包裝系統(tǒng)動力學方程，以分析沖擊響應規(guī)律和優(yōu)化緩沖設計，但該模型將包裝箱和設備均視作集中質量而忽略它們的變形，給設計帶來一定誤差[3]。張健等用MSC Dytran（一種計算規(guī)模較大且能考慮結構材料等非線性特性的有限元分析軟件）建立包括流體、火藥及保護板的三維模型，進行水下爆炸研究數值仿真計算，分析了三種保護板在水下爆炸激勵下的抗沖能力，但眾多沖擊分析參數的難以確定限制了仿真分析的可靠性，也難以提取沖擊防護設計的一般規(guī)律[4]。此外，王志剛等對彈性浮筏隔振系統(tǒng)進行動力學建模，推導了整個隔振系統(tǒng)的動力學振動方程，求出了浮筏隔振系統(tǒng)的自然頻率和對不同大小即歷程沖擊載荷的響應，從理論上分析了浮筏位移及形變對整個隔振系統(tǒng)性能的作用及影響[5]。

沖擊是一個強非線性問題，理論分析和數值計算大多只能對系統(tǒng)沖擊作定性的研究。相關規(guī)范通常要求除計算外還必須對設備進行抗沖擊試驗（也稱沖擊耐受性試驗），以保證實船的安全性與可靠性。沖擊試驗中，艦艇的沖擊環(huán)境可以直接由輕中型沖擊機等模擬，但是目前絕大部分規(guī)范給出的通常都是艦船底部或龍骨位置直接遭受的沖擊載荷。而實船上，很多設備并非安裝于靠近艙底的位置，而是安裝于主甲板甚至更高位置。由于船體本身的柔度，沖擊載荷經過船體結構傳遞至設備安裝位置時其沖擊加速度將大大下降，脈寬增大，同時在傳遞過程中還伴隨一定能量損失。這就使得安裝位置的沖擊環(huán)境與規(guī)范規(guī)定的沖擊輸入有很大的差異。在這種情況下，沖擊試驗就不能準確地反映設備的抗沖擊性能。

因此，有必要在沖擊試驗中，根據設備的安裝位置，在沖擊臺面和設備間加裝“柔性甲板模擬器”，模擬載荷自船底、龍骨向上傳遞至設備機腳的過程，以求更好地模擬設備安裝位置真實的沖擊環(huán)境。

1 柔性甲板模擬器設計理論

在沖擊計算中，載荷一般經過折算直接施加在艦船龍骨上，然后沖擊能量通過艦船結構傳遞至上層甲板，在此過程中會產生一定衰減。由于實際船舶結構相當復雜，在理論設計時必須對其進行簡化。圖1所示的是簡化后的沖擊系統(tǒng)模型，其中龍骨和設備(基座)分別被建模成彈性梁，假設兩者間通過n條傳遞路徑連接，每條傳遞路徑可以簡化為帶阻尼的彈簧（彈簧可以改變沖擊脈寬，而阻尼可以耗散沖擊能量）。在龍骨和設備上分別建立Oxz坐標系和OZ坐標系，傳遞路徑上的等效剛度阻尼分別為Ki、Ci（i=1,2,3......n），與設備基座在x=li處連接。

圖1 柔性梁沖擊響應

梁的橫向振動微分方程可寫成

其中：EI、ρ、A分別為梁的抗彎剛度、密度、橫截面積，F(x,t)為單位長度的外力。外力為基礎通過傳遞路徑施加的沖擊力

其中：δ(x)為狄拉克函數，基礎位移Z(t)由沖擊譜給出。

假設：

將式（3）代入式（1）、式（2），并利用模態(tài)的正交性可得

線性耦合微分方程組（6）難以直接求解，采用4階龍格庫塔方法并利用計算機編程可較容易求得其數值解，從而得到沖擊載荷通過柔性甲板模擬器作用到設備上的實際載荷。

工程上，通過調節(jié)各傳遞路徑的相應參數及傳遞路徑數，即可設計出相應的柔性甲板模擬器。

2 柔性甲板模擬器的試驗應用

2.1 柔性甲板模擬器的設計

對某XX型艦用設備進行沖擊實驗，該設備為長筒型結構，實船上安裝在01甲板上，其總質量為450 kg，通過公共基座連接到上建結構?；B同周邊船體結構的有限元模型如圖3、圖4所示，設備被簡化為集中質量。經計算，船體的1階彎曲頻率為12.7 Hz，基座的1階彎曲頻率為31.6 Hz。

圖2 設備基座幾何模型

圖3 設備基座有限元模型

考慮到沖擊載荷通過船體結構和基座傳遞至設備機腳，主要受總體剛度及基座剛度的影響，因此柔性甲板模擬器簡化為槽鋼框架及4個橡膠隔振器的組合結構，見圖4。根據有限元計算結果，取4個標準載荷為120 kg固有頻率為13 Hz左右的隔振器模擬船體1階彎曲頻率，選擇4根槽鋼構成“井”字型框架，調整跨距及槽鋼型號使得框架的固有頻率接近基座的1階彎曲頻率。

圖4 柔性甲板模擬器外形及安裝簡圖

2.2 試件沖擊試驗

（1）實驗臺架及工況

將XX型試件以及通過柔性甲板模擬器，水平安裝在C-2700型中型沖擊試驗機的工作臺面上，通過電控設備操控，試驗裝置見圖6。

針對受沖試件水置形式，共進行3次沖擊試驗，分別為：

工況1：擺錘高度40 cm，砧臺行程76 mm，脈寬范圍：1 ms～2 ms；

工況2：擺錘高度70 cm，砧臺行程76 mm，脈寬范圍：1 ms～2 ms；

工況3：擺錘高度70 cm，砧臺行程38 mm，脈寬范圍：1 ms～2 ms。

（2）計算沖擊環(huán)境

圖5 試件沖擊試驗水平布置圖

參考相關軍用標準[6]，對于主甲板以下的強結構，垂向的設計沖擊譜為等加速度譜a0=257 g，等速度譜v0=4.08 m/s，等位移譜d0=4.3 cm。然后按下述公式折算成等效沖擊曲線。

由此獲得的設計沖擊輸入加速度時程曲線和設計沖擊輸入見圖6，其中左圖為沖擊載荷的加速度曲線，右圖為經折算后的三線譜。

3 計算沖擊環(huán)境與實測沖擊環(huán)境比較

在中型沖擊機實驗中，分別在沖擊臺臺面（等效實船龍骨位置）以及設備安裝機腳處（等效設備安裝位置）測量了沖擊響應，分別作為其各自的沖擊環(huán)境，并與計算結果進行比較。

圖7－圖9所示的是臺面測點實測沖擊響應與設計主甲板以下強結構的設計沖擊環(huán)境的比較。圖10－圖12所示的是實測設備機腳與根據第2節(jié)計算所得的設備沖擊環(huán)境的比較。圖中紅線為設計值，黑實線為實測值。

由上述比較可見：中型沖擊機臺面的實測沖擊輸入與設計主甲板以下強結構處沖擊輸入基本吻合。沖擊機臺面沖擊環(huán)境脈寬小加速度大。符合艦船水下主結構的沖擊環(huán)境。但是經船體結構和基座傳遞后，由于這兩者的柔度和阻尼，脈寬變大，相應加速度減小。此時，當設備安裝與上層建筑的時候，臺面數據已經不能反映設備的實際沖擊環(huán)境，這時就需要安裝柔性甲板模擬器。由圖9－圖11可見：經過柔性甲板模擬器的傳遞和衰減后，設備機腳處的沖擊響應脈寬拉長，最大加速度降低，與計算結果吻合較好，從而驗證了柔性甲板模擬器在模擬設備實際安裝位置處的沖擊環(huán)境的有效性及必要性。

圖6 設計輸入加速度時程與沖擊譜

圖7 工況1臺面加速度時程曲線及沖擊譜與設計曲線對比

圖8 工況2臺面加速度時程曲線及沖擊譜與設計曲線對比

圖9 工況3臺面加速度時程曲線及沖擊譜與設計曲線對比

圖10 工況1設計時程曲線與甲板安裝環(huán)境對比

圖11 工況2設計時程曲線與甲板安裝環(huán)境對比

4 結語

本文基于離散動力學理論，闡述了柔性甲板模擬器的設計方法。并將其應用到某型設備的沖擊實驗中，用于模擬作用在船底的水下爆炸產生的沖擊能量經船體結構向上層甲板的傳遞。實驗結果表明：在沖擊載荷直接作用的船底部分，加速度響應較大，而沖擊脈寬很短；經柔性甲板模擬器傳遞后，脈寬增大，而加速度響應大大減小。

參考文獻：

[1]江國和，沈榮瀛，華宏星，等.艦船機械設備沖擊隔離技術研究進展[J]. 船舶力學，2006，10（1）：135-144.

[2]趙德博，易偉建.鋼筋混凝土梁抗沖擊性能和設計方法研究[J]. 振動與沖擊，2015，34（11）：1139-145.

[3]高德，盧富德.聚乙烯緩沖材料多自由度跌落包裝系統(tǒng)優(yōu)化設計[J]. 振動與沖擊，2012，31（3）：69-72.

[4]張健，尹群，孫彥杰.一種新型艦船防護板的抗水下爆炸沖擊性能研究[J].艦船科學技術，2007，29（4）：35-38.

[5]WANG ZHI GANG,FENG QI,WANG YU.Dynamic modeling and response analysis to impact of elastic floating raft system[J].Journal of Ship Mechanics,2005,9（6）:113-125.

[6]GJB1060.1-1991艦船環(huán)境條件要求-機械環(huán)境[S].1991.