水下爆炸作用下多層隔振系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

高浩鵬，黃映云，金 輝，張姝紅

（1.中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧 大連 116041；2.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033）

水下爆炸作用下多層隔振系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

高浩鵬1，黃映云2，金 輝1，張姝紅1

（1.中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧 大連 116041；2.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033）

設(shè)計(jì)一種多層隔振系統(tǒng)用于水下爆炸試驗(yàn)時(shí)對(duì)電測(cè)設(shè)備的抗水下爆炸沖擊防護(hù)?；诖筚|(zhì)量法，依據(jù)計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)理論，構(gòu)建空氣彈簧與鋼絲繩隔振器相結(jié)合的多層隔振系統(tǒng)的抗沖擊動(dòng)力學(xué)分析模型，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析。結(jié)果表明設(shè)計(jì)的多層隔振系統(tǒng)在水下接觸和近場(chǎng)爆炸條件下工作正常，滿足試驗(yàn)需求；多層隔振系統(tǒng)對(duì)沖擊載荷的緩沖效率較高，但在設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

振動(dòng)與波；多層隔振；鋼絲繩隔振器；空氣彈簧；水下爆炸

目前，通過(guò)加速度、應(yīng)變、自由場(chǎng)壓力、壁壓等參數(shù)對(duì)水下爆炸作用下艦船毀傷、水中兵器戰(zhàn)斗部爆炸威力、艦船沖擊環(huán)境等評(píng)估是一種常用的方法[1]；其中加速度傳感器及應(yīng)變片主要布設(shè)于被試船及其設(shè)備上，自由場(chǎng)壓力及壁壓傳感器主要布設(shè)于水中相應(yīng)位置。根據(jù)這些測(cè)量參數(shù)的特點(diǎn)以及水下爆炸試驗(yàn)的實(shí)際工況，被試船或測(cè)量載體一般離爆源較近。電測(cè)系統(tǒng)作為一種常用的水下爆炸測(cè)量設(shè)備，在試驗(yàn)時(shí)一般安裝于被試船或測(cè)量載體上；電測(cè)系統(tǒng)的核心部分主要由電子元器件組成，在接觸或近距離水下爆炸時(shí)，其直接抗沖擊性能較差，一般都是通過(guò)隔振系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行防護(hù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)特征參數(shù)的有效采集[2]。為了在水下接觸和近場(chǎng)爆炸作用下實(shí)現(xiàn)電測(cè)系統(tǒng)的可靠工作，本文設(shè)計(jì)了一種多層隔振系統(tǒng)用于對(duì)電測(cè)設(shè)備的抗沖擊防護(hù)，并對(duì)隔振系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。

1 多層隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水下接觸和近場(chǎng)爆炸作用下，安裝于被試船或測(cè)量載體上的電測(cè)設(shè)備間接承受沖擊波和氣泡脈動(dòng)兩種載荷的作用。水下爆炸時(shí)沖擊波的特點(diǎn)是：同等條件下初始?jí)毫Ρ瓤諝庵写蟮枚?、爆源附近沖擊波傳播速度為音速的數(shù)倍、沖擊波頻率成分較為復(fù)雜等[3]。氣泡脈動(dòng)能量雖然小于沖擊波能量，但是其脈動(dòng)頻率較低，容易與船體的低階模態(tài)以及隔振系統(tǒng)發(fā)生共振，進(jìn)而影響船體總縱強(qiáng)度及隔振系統(tǒng)工作的可靠性[4]。根據(jù)這些水下爆炸載荷的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了空氣彈簧及鋼絲繩隔器相結(jié)合的多層隔振系統(tǒng)。

1.1 空氣彈簧隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空氣彈簧隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三層，每個(gè)空氣彈簧空載時(shí)外徑為800 mm，高度為300 mm，空氣彈簧之間使用多層六角鋼板固定連接，其中每?jī)蓚€(gè)空氣彈簧之間的六角鋼板質(zhì)量為45 kg，鋼絲繩隔振器安裝底板質(zhì)量為80 kg，結(jié)構(gòu)安裝方式如圖1所示。根據(jù)需隔振電測(cè)設(shè)備的質(zhì)量及六角鋼板的自重，三層空氣彈簧自下向上編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)，表壓分別是0.042 MPa、0.028 MPa、0.016 MPa。設(shè)空氣彈簧在初始位置時(shí)為線性，結(jié)合氣體狀態(tài)方程，忽略初始位置高度對(duì)有效面積的影響，則空氣彈簧剛度公式[5]可簡(jiǎn)化為式（1），其中p為絕對(duì)壓力，A為有效承載面積，pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，m為多變指數(shù)，x為行程，p0、V0為初始狀態(tài)參數(shù)；根據(jù)該公式及有效承載面積、初始參數(shù)等計(jì)算三層空氣彈簧自下向上的剛度分別為92.3N/mm、83.2N/mm、75.4N/mm。

1.2 鋼絲繩隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋼絲繩隔振系統(tǒng)分頂板、鋼絲繩隔振器和底板三部分，在空氣彈簧隔振系統(tǒng)的基礎(chǔ)上安裝，如圖1所示。頂板和底板尺寸為1 400mm×1 200mm×6 mm，需隔振的總質(zhì)量約180kg（含電測(cè)設(shè)備及頂板質(zhì)量）。根據(jù)公式（2）進(jìn)行沖擊選型設(shè)計(jì)[6]。其中，fs為隔離系統(tǒng)的沖擊固有頻率（Hz），fp沖擊脈沖的固有頻率（Hz），為響應(yīng)加速度（m/s2），x¨i為輸入加速度（m/s2），Ks為平均沖擊剛度系數(shù)（N/m），Tp半正弦脈沖持續(xù)時(shí)間，W為隔振系統(tǒng)總質(zhì)量（kg）。結(jié)合以往水下爆炸試驗(yàn)及仿真計(jì)算結(jié)果，設(shè)沖擊脈沖主要頻率為200Hz～800Hz，緩沖效率為96%，計(jì)算得到隔振系統(tǒng)的剛度為1.78×102N/mm～2.85×103N/mm。

2 多層隔振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法研究

2.1 實(shí)體模型的建立

本文研究的重點(diǎn)是隔振系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)機(jī)械構(gòu)件本身強(qiáng)度不做過(guò)多分析，文中基于計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)方法[7]進(jìn)行建模。實(shí)體模型的建立是仿真計(jì)算的基礎(chǔ)，模型的正確建立與否直接影響仿真計(jì)算的正確與否。文中運(yùn)用三維建模軟件對(duì)隔振系統(tǒng)及電測(cè)設(shè)備進(jìn)行幾何實(shí)體建模；利用三維建模與動(dòng)力學(xué)分析軟件之間的無(wú)縫接口軟件傳遞模型數(shù)據(jù)信息，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析，建立的實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 多層隔振系統(tǒng)實(shí)體模型

2.2 計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)模型的建立

在實(shí)體模型建立的基礎(chǔ)上，文中基于計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)理論對(duì)隔振系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模。文中通過(guò)襯套力來(lái)建立多層隔振系統(tǒng)?？諝鈴椈赏ㄟ^(guò)8個(gè)襯套力單元來(lái)模擬，取阻尼比為ζ=0.1。根據(jù)計(jì)算得到的鋼絲繩隔振系統(tǒng)的剛度，參照GJB 6412-2008進(jìn)行選型；為了提高低頻的隔振效率，選型時(shí)在允許范圍內(nèi)剛度盡量小，選取單個(gè)鋼絲繩隔振器的剛度為60N/mm，共4組；在多體動(dòng)力學(xué)建模時(shí)通過(guò)4個(gè)襯套力單元模擬，取阻尼比為ζ=0.12。

文中水下爆炸沖擊環(huán)境根據(jù)聯(lián)邦德國(guó)1985年頒布的BV043/1985標(biāo)準(zhǔn)[8]，對(duì)船體施加正—負(fù)半正弦的垂向加速度沖擊來(lái)實(shí)現(xiàn)，負(fù)半波峰值為1 372 m/s2，持續(xù)時(shí)間為4.58 ms，正半波峰值為603m/s2，持續(xù)時(shí)間為10.4 ms?；诖筚|(zhì)量法[9]模擬水下爆炸沖擊載荷對(duì)多層隔振系統(tǒng)產(chǎn)生的加速度輸入；由于正—負(fù)半正弦波有三個(gè)時(shí)間點(diǎn)，使用三個(gè)IF函數(shù)添加時(shí)域沖擊環(huán)境，其中施加沖擊的開(kāi)始時(shí)間是4 000 ms，施加的加速度時(shí)域曲線如圖2所示。

3 水下爆炸作用下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

在計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)建模的基礎(chǔ)上，仿真計(jì)算得靜態(tài)穩(wěn)定時(shí)三層空氣彈簧的變形自下而上為35.1 mm、33.1 mm、32.5 mm；三層空氣彈簧的變形量基本相等，約為彈簧高度的1/10，設(shè)計(jì)基本合理。鋼絲繩隔振器的靜態(tài)變形量為6.5 mm，在鋼絲繩隔振器工作變形范圍內(nèi)（工作范圍為20 mm）。上述分析結(jié)果表明，隔振系統(tǒng)在靜態(tài)時(shí)工作正常。

圖2 沖擊加速度曲線

正—負(fù)半正弦波作用下1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)空氣彈簧的最大動(dòng)變形量分別為19.3 mm、11.4 mm、11.1 mm，鋼絲繩隔振器最大動(dòng)變形量為3.4 mm，時(shí)域曲線如圖3所示（圖中標(biāo)注時(shí)間為各曲線峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻）。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，所有隔振器動(dòng)變形量都在其動(dòng)態(tài)正常工作范圍內(nèi)；1號(hào)空氣彈簧較其它兩個(gè)空氣彈簧變形量大，主要原因是其靠近甲板同時(shí)承受水下爆炸產(chǎn)生的低頻和高頻載荷的共同作用，而2號(hào)和3號(hào)空氣彈簧主要受1號(hào)空氣彈簧衰減后低頻載荷作用；正—負(fù)半正弦波作用期間由于阻尼等因素，最大動(dòng)位移出現(xiàn)的時(shí)間有一定的延遲，從其相位上分析，1號(hào)和2號(hào)空氣彈簧一致，3號(hào)空氣彈簧和鋼絲繩隔振器基本一致。

圖3 空氣彈簧及鋼絲繩隔振器動(dòng)變形量

圖4 不同層隔振系統(tǒng)衰減后加速度對(duì)比

圖4中（a）和（b）分別為正—負(fù)半正弦波作用下1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)空氣彈簧及鋼絲繩隔振器隔振后的加速度時(shí)域曲線，圖中標(biāo)注時(shí)間為各曲線峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻。由圖中可以發(fā)現(xiàn)：自下向上各隔振系統(tǒng)衰減后的加速度峰值分別為275m/s2、65.5m/s2、12.2m/s2、6.52m/s2，與正—負(fù)半正弦波峰值相比整個(gè)多層隔振系統(tǒng)的衰減率約為99.5%，即經(jīng)過(guò)多層隔振系統(tǒng)緩沖之后電測(cè)設(shè)備所受沖擊加速度峰值為6.52 m/s2，小于電測(cè)系統(tǒng)的抗沖擊指標(biāo)；從每個(gè)單層隔振系統(tǒng)的衰減率來(lái)分析，各空氣彈簧衰減率基本一致，鋼絲繩隔振器衰減率較空氣彈簧小，主要原因是其固有頻率大于空氣彈簧固有頻率；加速度峰值基本都出現(xiàn)在正—負(fù)半正弦波作用期間，但相位上有一定差異。

在多層隔振系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析的基礎(chǔ)上，為了分析隔振系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當(dāng)電測(cè)設(shè)備的重心在水平面上與幾何中心偏移100 mm時(shí)，計(jì)算得到三層空氣彈簧中每層的對(duì)角襯套單元變形量差值自下而上分別為17.2 mm、16.8 mm、15.3 mm，鋼絲繩隔振器對(duì)角襯套單元變形量差值為1.7 mm?？梢?jiàn)在安裝電測(cè)設(shè)備及隔振系統(tǒng)時(shí)必須保證重心與幾何中心重合，否則由于隔振系統(tǒng)的承載不均勻影響隔振系統(tǒng)的穩(wěn)定性及隔振效率，特別在沖擊作用下容易將這種偏差放大。這點(diǎn)也說(shuō)明：雖然隔振系統(tǒng)衰減率較高，但由于隔振級(jí)數(shù)較多、阻尼因素較為復(fù)雜、隔振系統(tǒng)固有頻率相近、沖擊載荷成分復(fù)雜等因素容易導(dǎo)致不同隔振系統(tǒng)之間產(chǎn)生共振或反向共振，所以在設(shè)計(jì)隔振系統(tǒng)時(shí)必須重視系統(tǒng)的穩(wěn)定性且隔振級(jí)數(shù)不能太多。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于水下爆炸試驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)了一種多層隔振系統(tǒng)用于對(duì)電測(cè)設(shè)備的抗沖擊防護(hù)，并對(duì)隔振系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。結(jié)果表明由空氣彈簧和鋼絲繩隔振器組成的多層隔振系統(tǒng)對(duì)水下爆炸沖擊載荷衰減率較高，設(shè)計(jì)的多層隔振系統(tǒng)在水下接觸和近場(chǎng)爆炸條件下能正常工作，滿足試驗(yàn)需求。對(duì)多層隔振系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的隔振系統(tǒng)對(duì)沖擊波衰減率較高，但對(duì)系統(tǒng)的安裝精度要求較高，穩(wěn)定性還需要提高，也表明隔振系統(tǒng)的級(jí)數(shù)不能太多。另外，文中設(shè)計(jì)和分析時(shí)空氣彈簧和鋼絲繩隔振器都按線性處理，計(jì)算結(jié)果的精度還需要進(jìn)一步提高。

[1]宮國(guó)田，金輝，張姝紅，等.國(guó)外艦艇抗水下爆炸研究進(jìn)展[J].兵工學(xué)報(bào)，2010，31(1)：293-298．

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[3]方斌，朱錫，張振華，等.水下爆炸沖擊波數(shù)值模擬中的參數(shù)影響[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，26(4)：419-424.

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[9]周?chē)?guó)良，李小軍，劉必?zé)?，?大質(zhì)量法在多點(diǎn)激勵(lì)分析中的應(yīng)用、誤差分析與改進(jìn)[J].工程力學(xué)，2011，28(1)：48-54.

DynamicAnalysis of Multi-layered Isolation System Subjected to Underwater Explosion

GAO Hao-peng1,HUANG Ying-yun2,JIN Hui1,ZHANG Shu-hong1
（1.91439 Unit,Dalian 116041,Liaoning China; 2.College of Power Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China）

A multi-layered isolation system was designed for anti-shock protection of a electrical measurement system in underwater explosion test.Based on the large mass method and multi-body dynamic theory,the anti-shock model for dynamic analysis of multi-layered isolation system including an air spring and a wire rope isolator was built,and its dynamic characteristics were analyzed.The result shows that the multi-layered isolation system works normally in the underwatercontact and near-field explosion conditions.Its performance satisfies the needs of the test.The multi-layered isolation system has high cushioning efficiency for impact loads,but the system stability must be considered in the design.

vibration and wave;multi-layered isolation;wire rope isolator;air spring;underwater explosion

O38 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.040

1006-1355(2015)03-0186-03+203

2014－10－09

十二五國(guó)防預(yù)研項(xiàng)目(4010304030202)

高浩鵬（1986－），男，陜西楊凌人，博士，工程師，主要研究方向：水下爆炸。E-mail:gaohaopeng@126.com