某浮動沖擊平臺外載荷與沖擊環(huán)境分析

宋敬利，張玉濤

(中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連　116041)

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【裝備理論與裝備技術(shù)】

某浮動沖擊平臺外載荷與沖擊環(huán)境分析

宋敬利，張玉濤

(中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連116041)

為了進行艦載設(shè)備在接近實戰(zhàn)條件下的抗沖擊考核，設(shè)計并建造了浮動沖擊平臺。為摸清浮動沖擊平臺在一定外載荷下的沖擊環(huán)境，進行了三次水下爆炸試驗，采用1kgRDX裝藥在距離平臺不同距離處爆炸，分別對平臺外載荷和沖擊環(huán)境進行了測量；外載荷測量結(jié)果表明：裝藥在水下5m爆炸時產(chǎn)生明顯的氣泡脈動載荷和空化效應，加強了對平臺本體的沖擊作用；沖擊環(huán)境測量結(jié)果表明：沖擊響應從迎爆面到背爆面有逐漸減小的趨勢，迎爆面沖擊譜速度達到5.3m/s，位移11cm；沖擊環(huán)境滿足Ⅲ類區(qū)域沖擊環(huán)境要求。

水下爆炸；浮動沖擊平臺；沖擊環(huán)境

二戰(zhàn)后，艦船抗沖擊問題引起了世界各海軍強國的高度重視，投入大量人力和物力開展一系列沖擊試驗和研究，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]。美國和西歐等海軍強國將艦載設(shè)備的抗沖擊能力作為艦艇的主要性能指標，在初始階段就給予重點考慮，有關(guān)艦艇安全和作戰(zhàn)能力的裝艦設(shè)備都必須經(jīng)過沖擊試驗考核或沖擊計算考核。美國海軍抗沖擊規(guī)范《船用機械、設(shè)備和系統(tǒng)沖擊試驗要求》，即MIL—S—901D標準中，規(guī)定凡小于181t的艦載設(shè)備必須經(jīng)進行抗沖擊考核試驗[4-5]，合格后方能裝艦使用，因此美國在弗朗西科艦載設(shè)備抗沖擊試驗基地等地建有多型海上抗沖擊浮動平臺用于大型艦載設(shè)備考核試驗。西歐國家的抗沖擊規(guī)范BV043/85對大型艦載設(shè)備抗沖擊也有相關(guān)規(guī)定[6]。

浮動沖擊平臺在正式投入使用前需要對其進行一系列水下爆炸試驗以驗證其設(shè)計的合理性，試驗中需要對外載荷和沖擊環(huán)境進行測量，并以此為依據(jù)對被試設(shè)備的抗沖擊性能進行綜合評價，考核合格后方可裝艦使用。外載荷的測量主要是為了驗證裝藥爆轟的安全性，獲取加載在平臺本體上的外部載荷，沖擊環(huán)境測量是為了獲取平臺不同部位的沖擊環(huán)境。通過對沖擊環(huán)境測量數(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)，再通過與設(shè)備的設(shè)計指標對比分析來驗證設(shè)備抗沖擊設(shè)計的可靠性。我國關(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)計和考核要求主要借用國外軍標，以美軍軍標為主。由于我國現(xiàn)有的標準如GJB150.18 和GJB1060.1—91 均以美國的MIL—S—901C和DDS072為參考，目前尚未形成適合我國國情的抗沖擊考核體系。目前國內(nèi)對于大中型艦載設(shè)備的考核仍然缺乏相應的手段[7]，為此設(shè)計了小型浮動沖擊平臺并開展了相關(guān)水下爆炸試驗，對平臺外載荷和沖擊環(huán)境進行了初步研究，為后續(xù)浮動沖擊平臺建設(shè)提供借鑒。

1　浮動沖擊平臺結(jié)構(gòu)特點

本平臺共設(shè) 5道縱壁、7道橫壁，平臺為雙層底、單甲板，雙層底的間距為 300mm；內(nèi)底和甲板之間距離280mm，平臺型深2m；平臺根據(jù)實際設(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；平臺上層甲板四角處設(shè)有起吊裝置；平臺的頂部設(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)有開孔便于起吊；平臺四周相應位置處設(shè)有拖航環(huán)。所設(shè)計的沖擊平臺外形為長方體，主尺度為：長5.4m，寬4m，高2m，吃水0.7m，排水量約15t(圖1)。

圖1　浮動沖擊平臺

2　浮動沖擊平臺試驗方法

在浮動平臺的迎爆面及背爆面各安裝2個自由場壓力傳感器，傳感器位于水下1.5m。加速度測量共設(shè)6個測點，測點A1位于內(nèi)底板橫軸線靠近迎爆面一側(cè)，A2、A3、A4測點沿上甲板橫軸線以相同間距布設(shè)，A3、A5、A6測點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

試驗測量設(shè)備采用NIPXI1045采集機箱，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。試驗中測量設(shè)備通過氣液緩沖裝置安裝在浮動沖擊平臺內(nèi)甲板上。試驗中采用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。通過仿真計算確定爆源到小型浮動平臺水平距離及布設(shè)深度，試驗共進行3個工況(表1)。

表1　試驗工況

3　外載荷分析

圖3為第3炮次P1和P2兩個測點的外載荷波形圖，從時域來看，水下爆炸可以分為兩個階段，第一個階段為沖擊波階段，持續(xù)時間為毫秒級；第二個階段為氣泡階段，持續(xù)時間為秒級。沖擊波產(chǎn)生后將沿著藥包的各個方向傳播。當氣泡剛生成時，由于沖擊波向外傳播時在氣泡內(nèi)部生成壓力很大的伸張波[8]，壓力大于外部水的壓力，導致氣泡過度膨脹，使外部的水壓力大于內(nèi)部的壓力，這樣，氣泡又開始壓縮，由于慣性的作用，氣泡又過度壓縮，內(nèi)部壓力大于外部壓力，使得膨脹、壓縮運動循環(huán)起來，在有利的條件下，這種運動可達十次或者十次以上。本次試驗由于爆源入水較淺，共觀察到兩次明顯的氣泡脈動，氣泡脈動周期為0.207s，計算水下爆炸氣泡脈動周期的經(jīng)驗公式如下[9]：

(1)

對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，試驗測量結(jié)果與理論計算結(jié)果基本一致。另外兩個測點沖擊波過后由于沖擊波到達水面后產(chǎn)生反射稀疏波，稀疏波與入射波疊加后形成負壓，當負壓值達到水的空化壓力時在水域形成的空化現(xiàn)象?？栈瘏^(qū)域潰滅時對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次加載[10]。圖3(c)、(d)為P1和P2兩個測點的局部放大圖，從圖中可以看出沖擊波過后均有明顯的二次加載過程。

圖3　外載荷波形

4　沖擊環(huán)境分析

4.1時域分析

沖擊環(huán)境測量主要測量不同部位的沖擊加速度參數(shù)，試驗共布設(shè)6個測點，每個測點均測量垂向沖擊響應。以浮動沖擊平臺上甲板中心為原點，平臺右舷為x軸，艏向為y軸，垂直方向為z軸建立坐標系，各測點信息及測得的加速度峰值見表2。

表2　加速度測點信息

由表2可知，垂向加速度峰值大小主要與考察點與沖擊波最先到達點的距離有關(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結(jié)構(gòu)表面，沖擊波沿著結(jié)構(gòu)自下向上傳播，A1測點最靠近底板，振動沖擊最先到達該點，而且該點位于強力結(jié)構(gòu)上，因此加速度峰值遠遠高于其它各點。主甲板層面上的各測點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)受基座激勵的響應可以采用杜哈曼(Duhamel)積分公式求出。在直角坐標系上不同固有頻率的機械系統(tǒng)沖擊響應的最大值與系統(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、A4三個測點的數(shù)據(jù)進行沖擊譜計算，計算頻率為1～10 000 Hz，計算結(jié)果如圖5所示?？拷嬉粋?cè)的A2測點沖擊譜值明顯高于其他兩點，最大位移達到11 cm，最大速度達到5.3 m/s，最大加速度達到205g。但是位于中心的A3測點和背爆面的A4測點沖擊譜值相差不大，A3測點的位移和速度略大，而加速度基本相同，這與傳感器的安裝部位有關(guān)，A3測點位于平臺上甲板中心，其安裝基礎(chǔ)為板材，下面沒有強力結(jié)構(gòu)，水下爆炸激起的結(jié)構(gòu)振動引起板材彈性振動，類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濾掉，形成濾波效應。而A4測點由于下面有強力結(jié)構(gòu)支撐所以造成位移較小，而振動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，隨著測點與爆源作用點距離的增大，不同固有頻率機械系統(tǒng)的速度和位移迅速減小，而加速度變化較緩慢。

圖5　計算沖擊譜圖

采用浮動沖擊平臺考核艦載設(shè)備的抗沖擊性能主要從以下兩方面考慮：需保證浮動沖擊平臺具有一定的剛度，目前國內(nèi)一般參考美國MIL—S—901D標準中規(guī)定的工況，所設(shè)計的平臺能有足夠的強度抵抗水下爆炸載荷作用下的沖擊，同時能夠提供設(shè)備考核所需的沖擊環(huán)境，沖擊環(huán)境一般參考德國軍標 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類安裝區(qū)域分別對應船殼機座和主甲板以下隔艙壁、下甲板和主甲板隔壁、上層建筑。從平臺水下爆炸試驗結(jié)果看，在沖擊環(huán)境最惡劣的一個工況下(即爆源距平臺舷側(cè)水平4.2 m，水下5 m)，平臺未產(chǎn)生塑性變形，試驗后外觀完好。沖擊環(huán)境滿足Ⅲ類區(qū)域沖擊環(huán)境要求，對于Ⅰ、Ⅱ類區(qū)域安裝設(shè)備的考核還需進一步優(yōu)化試驗設(shè)計及驗證。

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

5　結(jié)論

1) 水下爆炸對結(jié)構(gòu)的作用是多種載荷聯(lián)合作用的結(jié)果，對于遠場非接觸爆炸沖擊波起主要作用，沖擊波過后會產(chǎn)生氣泡脈動載荷和空化區(qū)潰滅造成的二次加載，這種加載會加劇結(jié)構(gòu)的沖擊響應；

2) 采用沖擊譜表征浮動沖擊平臺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械系統(tǒng)時直觀、明了，從沖擊譜圖上可以明顯看出不同固有頻率機械系統(tǒng)對于同一載荷的響應情況，這對于設(shè)備的防護設(shè)計至關(guān)重要；

3) 浮動沖擊平臺的沖擊環(huán)境滿足德國軍標 BV043/85中要求的Ⅲ類區(qū)域沖擊環(huán)境，對于I、II類區(qū)域安裝設(shè)備的考核還需進一步優(yōu)化試驗設(shè)計及驗證。

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(責任編輯周江川)

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.某浮動沖擊平臺外載荷與沖擊環(huán)境分析[J].兵器裝備工程學報，2016(9):16-19.