LED光源水下爆炸隔振設(shè)計(jì)

王文冠，　周　力

（1. 大連測控技術(shù)研究所， 遼寧 大連， 116013； 2. 大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 遼寧 大連， 116024）

LED光源水下爆炸隔振設(shè)計(jì)

王文冠1，周力2

（1. 大連測控技術(shù)研究所， 遼寧 大連， 116013； 2. 大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 遼寧 大連， 116024）

為了分析水下爆炸氣泡的脈動特性， 直觀地觀察水下爆炸氣體產(chǎn)物的脈動過程， 設(shè)計(jì)了發(fā)光二極管（LED）照明設(shè)備，并對隔振設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。文中應(yīng)用數(shù)值仿真方法， 研究了LED光源隔振系統(tǒng)在非接觸水下爆炸載荷作用下的性能， 利用Hypermesh軟件建立了LED燈、隔振系統(tǒng)、保護(hù)罩及周圍水介質(zhì)的有限元分析模型， 應(yīng)用ABAQUS軟件中的聲-結(jié)構(gòu)耦合方法， 分析了隔振器的動態(tài)響應(yīng)。通過分析出線口位置彈簧兩端點(diǎn)加速度時程曲線， 得到結(jié)構(gòu)內(nèi)外介質(zhì)的密度差會影響爆炸沖擊波的傳遞路徑， 并且結(jié)構(gòu)的固定方式會影響 LED光源的照明效果。文中的研究可為小型結(jié)構(gòu)水下爆炸隔振設(shè)計(jì)提供參考。

水下爆炸； LED光源； 聲-結(jié)構(gòu)耦合； 隔振系統(tǒng)； 沖擊加速度

0　引言

氣泡脈動的能量約占水下爆炸產(chǎn)生總能量的二分之一， 對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞主要有鞭狀振動（whipping）和水射流（jetting） 2種形式。隨著高性能炸藥的大量應(yīng)用， 爆炸產(chǎn)生的氣泡所攜帶的能量比例逐漸提升。當(dāng)今， 各國海軍皆致力于對水下爆炸氣泡毀傷的研究， 以提高其在實(shí)戰(zhàn)中的應(yīng)用［1］。開展水下爆炸氣泡脈動研究的關(guān)鍵在于如何得到真實(shí)的氣泡脈動圖像， 以研究氣泡脈動的過程和作用機(jī)理。

由于水下諸多因素會對光的傳輸造成影響，自然光在水的吸收和散射作用下傳輸距離有限，不能滿足照明的需要［2］， 因此， 水下拍攝對照明技術(shù)要求很高。高速攝像拍攝的幀率很高， 對照明條件要求更高， 因此水下人工照明系統(tǒng)就成為水下爆炸高速攝像不可或缺的輔助設(shè)備。

以發(fā)光二極管（light emitting diode， LED）為發(fā)光體的LED光源具有效率高、壽命長、耗電量少， 安全可靠性強(qiáng)， 防潮、抗振動、有利于環(huán)保等特點(diǎn)， 可連續(xù)使用10萬小時， 比普通白熾燈泡壽命長100倍。所以， LED光源憑借其優(yōu)秀的性能被選為水下爆炸照明光源。但是， 作為水下爆炸照明專用燈， 其還應(yīng)具備在爆炸環(huán)境中正常工作的能力， 故需要加裝保護(hù)罩和隔振系統(tǒng)， 確保LED燈的沖擊加速度在安全范圍內(nèi)。

近年來， 國內(nèi)外學(xué)者在水下爆炸隔振系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)領(lǐng)域做了一些研究。1999年， D.V. Balandin等人對單自由度沖擊隔振系統(tǒng)進(jìn)行了研究及設(shè)計(jì)優(yōu)化［3］； 2000年， 宗智等人第一次給出了人體隔振系統(tǒng)模型， 并基于模型優(yōu)化了水下爆炸隔振計(jì)算公式［4］； 2009年， 蔣國巖等人將壓力曲線施加在船底， 采用ANSYS軟件進(jìn)行時間歷程計(jì)算分析， 得到船體結(jié)構(gòu)以及隔振系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)結(jié)果［5］； 2012年， 劉東岳等人給出了艦艇抗沖瓦水下爆炸流固耦合沖擊動力學(xué)模型，模型很好的反映了具有復(fù)雜芯層結(jié)構(gòu)的抗沖瓦在水下爆炸沖擊波作用下的緩沖與耗能機(jī)理［6］；2013年， J. Chung和Y.S. Shin對高速雙體船水下爆炸載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究［7］。

D.V. Balandin和宗智等都是基于單自由度系統(tǒng)給出的沖擊隔振模型； 蔣國巖、賈則將壓力曲線施加在船底， 以上2種模擬方法所給出的爆炸環(huán)境都和真實(shí)的爆炸環(huán)境有很大差異。文中基于聲-結(jié)構(gòu)耦合算法， 應(yīng)用ABAQUS軟件模擬LED光源水下爆炸沖擊過程， 對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和邊界條件的選取進(jìn)行了探究。

1　ABAQUS聲-結(jié)構(gòu)耦合方法

ABAQUS軟件在計(jì)算水下爆炸載荷時， 首先通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出臨近結(jié)構(gòu)表面一點(diǎn)流體介質(zhì)的壓力時程曲線， 再通過這點(diǎn)自動差分出流場其余各點(diǎn)壓力分布［8］。這是ABAQUS軟件計(jì)算水下爆炸的最大優(yōu)勢， 避免沖擊波在流體介質(zhì)中傳播產(chǎn)生的能量損失［9］。

圖1給出了一艘艦船漂浮于水面上的示意圖［10］。圖中:Sfp為壓力值已知的邊界面；Sfi為輻射邊界， 例如無反射邊界條件；Sfs是聲-結(jié)構(gòu)耦合邊界，在這個耦合邊界上結(jié)構(gòu)與流場法向位移相等；Sfr是阻抗邊界， 通常為海底反射面等。

圖1　流場及邊界條件示意圖Fig. 1　Sketch map of fluid domain and boundary conditions

假設(shè)流體是線性聲學(xué)介質(zhì)， 密度在均值ρ0附近波動。設(shè)流場壓力分布為p， 速度分布為v。進(jìn)一步假設(shè)流體是正壓的， 離散的流固耦合方程［11］

式中: p為流體節(jié)點(diǎn)上的壓力； u為結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上的位移； M為質(zhì)量陣； C為阻尼陣； K為剛度陣；和Sfs分別表示流體對結(jié)構(gòu)的作用力和結(jié)構(gòu)對流體的作用力。

2　隔振器模擬方法

如圖2所示， 設(shè)有彈性子系統(tǒng)A和彈性子系統(tǒng)B， 他們之間通過N1個隔振器連接， 第i個隔振器的剛度矩陣、阻尼矩陣和旋轉(zhuǎn)變換矩陣為Ki， Ci，Ri，隔振器在彈性子系統(tǒng)A， B上隔振器安裝點(diǎn)彈性變形矩陣分別為Wai， Wbi， 截取 A， B子系統(tǒng)前nb， nc階模態(tài)參與系統(tǒng)的綜合， 并設(shè)A，B子系統(tǒng)廣義坐標(biāo)分別為qa，qb， 質(zhì)量矩陣分別為Ma，Mb， 剛度矩陣分別為Ka，Kb， 力分量分別為Fa，F(xiàn)b［12］， 則由彈性體建模理論， 彈性體子系統(tǒng)A和彈性體子系統(tǒng)B的動力學(xué)方程分別為

經(jīng)過整理彈性體子系統(tǒng)A和彈性體子系統(tǒng)B系統(tǒng)綜合后的動力學(xué)方程可寫為

圖2　彈性子系統(tǒng)和彈性子系統(tǒng)綜合Fig. 2　Elastic subsystems and their composition

3　LED光源模型建立

LED光源由LED燈和保護(hù)罩組成， LED光源整體為圓柱形， 上下、左右對稱， 保護(hù)罩將LED燈包裹在內(nèi)部， 二者由隔振系統(tǒng)連接。

隔振系統(tǒng)由23根彈簧組成， 分布于LED燈周圍， 將LED燈與保護(hù)罩連接在一起， 見圖3。表1給出了23根彈簧特征。

表1　彈簧特征Table 1　Characteristics of spring

根據(jù)散熱方式的不同， 給出3種不同方案。

方案1: LED燈和保護(hù)罩之間充滿海水， 且內(nèi)部海水和外部海水連通。方案1結(jié)構(gòu)圖見圖3。

方案2: LED燈和保護(hù)罩之間充滿海水， 但燈頭的玻璃罩使內(nèi)外海水不連通。結(jié)構(gòu)圖見圖4。

方案3: LED燈和保護(hù)罩之間充滿空氣， 在LED燈內(nèi)部加散熱液體， 燈頭處玻璃罩使內(nèi)外隔絕。結(jié)構(gòu)圖見圖5。

圖3　方案1結(jié)構(gòu)圖Fig. 3　Structure diagram of scheme 1

圖4　方案2結(jié)構(gòu)圖Fig. 4　Structure diagram of scheme 2

圖5　方案3結(jié)構(gòu)圖Fig. 5　Structure diagram of scheme 3

LED光源總體長度小于0.5 m， 半徑0.237 m。保護(hù)罩和LED燈座采用316L鋼， 燈頭和玻璃罩為有機(jī)玻璃材料， 外部水域?yàn)楹Ｋ?水域半徑取LED燈長的3倍。通過Hypermesh軟件建立LED光源和海水幾何模型和有限元模型。LED光源采用殼單元， 海水采用聲學(xué)四面體單元。圖6～圖8給出了部分有限元模型。

保護(hù)罩和LED燈的面網(wǎng)格平均邊長0.005 m。水域網(wǎng)格由內(nèi)向外從0.005 m逐漸漸變到0.08 m，此為最大值。然后導(dǎo)入到ABAQUS軟件進(jìn)行后處理， 彈簧由ABAQUS給出兩結(jié)點(diǎn)之間的連接屬性模擬。

圖6　方案1的發(fā)光二極管（LED）光源Fig. 6　Light emitting diode（LED） light source of scheme 1

圖7　方案2的LED光源剖視圖Fig. 7　Sectional view of LED light source of scheme 2

圖8　方案3外部水域剖視圖Fig. 8　Sectional view of out water of scheme 3

LED光源放在水深30 m處， 炸藥懸浮在水深30 m， 水平距離燈頭9 m處， 爆炸工況如表 2， 爆點(diǎn)布置示意見圖9。

表2　爆炸工況Table 2　Explosion condition

圖9　爆炸工況示意圖Fig. 9　Schematic of explosion condition

邊界條件設(shè)置如下: LED光源和海水接觸面設(shè)置為聲-結(jié)構(gòu)耦合面， 海水表面壓強(qiáng)為0， 海水外表面為無反射表面。然后應(yīng)用ABAQUS進(jìn)行后處理計(jì)算。

4　結(jié)構(gòu)形式對隔振的影響

根據(jù)散熱方式的不同， 上述3種方案采用了3種不同的結(jié)構(gòu)形式。圖10、圖11給出了3種方案出線孔位置彈簧兩端點(diǎn)加速度時程曲線。表3對比了3種方案的加速度衰減率。

圖10　出線口LED端加速度時程曲線Fig. 10　Acceleration time history curves of LED at cable outlet

圖11　出線口保護(hù)罩端加速度時程曲線Fig. 11　Acceleration time history curves of protection cover at cable outlet

表3　3種方案出線口處加速度Table 3　Acceleration at cable outlet of three schemes

由以上給出的3種方案沖擊加速度輸出結(jié)果可以看出， 方案1加速度峰值＞方案2加速度峰值＞方案3加速度峰值。其中， 方案1和方案2中的保護(hù)罩和LED燈都受到?jīng)_擊波的作用。方案3中保護(hù)罩沖擊加速度峰值很大， LED燈沖擊加速度峰值卻很小。因此， 方案1和方案2的隔振系統(tǒng)沒有起到保護(hù)作用， 沖擊波的能量經(jīng)過海水直接傳播到了LED燈上， 方案3中的沖擊加速度衰減了99%，能量沒有通過空氣繼續(xù)傳播， 而是沿著隔振彈簧傳播到LED燈， 說明保護(hù)罩內(nèi)外介質(zhì)密度差對傳播路徑有影響， 而內(nèi)外介質(zhì)是否連通對傳播路徑影響很小。

5　邊界條件對隔振的影響

相對于30 kg TNT藥量， LED光源尺寸較小，氣泡脈動和氣泡遷移對LED光源姿態(tài)影響很大。根據(jù)爆炸工況， 氣泡在脈動上浮的過程中會造成LED光源周圍水域上下壓力的不對稱， 引發(fā)LED光源整體運(yùn)動。因此， 將繼續(xù)研究邊界條件對LED光源隔振系統(tǒng)的影響。

首先， 通過給出水域中典型點(diǎn)的壓力時程曲線， 得到氣泡脈動的具體時間點(diǎn)。選取水平距玻璃罩圓心0 m， 0.165 m， 0.5 m為水壓力1， 2， 3號測點(diǎn)。圖12給出了3個測點(diǎn)的水壓力時程曲線。

圖12　3個測點(diǎn)水壓力時程曲線Fig. 12　Water pressure time history curves of three measuring points

由圖12給出的3個測點(diǎn)水壓力時程輸出結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)沖擊波到來時， 水壓力達(dá)到1個最高的峰值， 之后迅速衰減至很小。上文出現(xiàn)的沖擊加速度就是由這個峰值產(chǎn)生， 對結(jié)構(gòu)破壞尤為嚴(yán)重。在0.29 s附近水壓力達(dá)到了第2個峰值， 該峰值就是由于氣泡的收縮膨脹所產(chǎn)生的壓力峰值， 如果其頻率和結(jié)構(gòu)的固有頻率相似， 就會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生鞭狀運(yùn)動， 造成結(jié)構(gòu)毀傷。

下面選取自由邊界條件（懸浮在水中）和固定邊界條件（用鋼架固定在水下）， 對沖擊波和氣泡聯(lián)合載荷作用下出線孔處彈簧LED端沖擊加速度時程曲線輸出， 觀察隔振系統(tǒng)響應(yīng)情況。圖13和圖14給出了測點(diǎn)的彈簧軸向加速度時程曲線。

由自由邊界條件仿真結(jié)果可以看出， LED端在沖擊波到來之后沖擊加速度趨于0， 但在第1個氣泡脈動到來后， 沖擊加速度突然出現(xiàn)了沒有規(guī)律的多個峰值， 隔振系統(tǒng)失效。

圖13　出線口LED端加速度時程曲線（自由）Fig. 13　Acceleration time history curves of LED at cable outlet（free）

圖14　出線口LED端加速度時程曲線（固定）Fig. 14　Acceleration time history curves of protection cover at cable outlet（fixed）

由固定邊界條件仿真結(jié)果可以看出， LED端沖擊波到來之后做小幅劇烈震蕩， 在沖擊波過后做簡諧振動， 加速度幅值很小。大約在0.29 s時，加速度幅值再次出現(xiàn)小幅增加， 這是氣泡載荷作用引起的。通過結(jié)果可以看出， 固定邊界條件沖擊加速度幅值數(shù)量級明顯小于自由邊界條件， 且運(yùn)動更具有規(guī)律性。

為了能更形象的表現(xiàn)出自由邊界條件下LED光源隔振系統(tǒng)失效的過程， 通過圖15觀察LED光源的運(yùn)動過程。LED姿態(tài)圖中每幅圖模型的坐標(biāo)原點(diǎn)位置一致，其中海面為下部。

由LED光源運(yùn)動姿態(tài)圖可看出， 在氣泡脈動上浮的過程中， 氣泡造成LED光源上部海水壓力大于下部海水壓力， 保護(hù)罩出現(xiàn)垂首現(xiàn)象， 之后回彈出現(xiàn)抬首現(xiàn)象， 幾個周期后做無規(guī)則運(yùn)動。由于LED燈和保護(hù)罩只通過彈簧相連， 彈簧剛度不足， LED燈沒有馬上隨著保護(hù)罩運(yùn)動， 造成LED燈和保護(hù)罩撞擊， 而且撞擊可能造成之后的計(jì)算不收斂。LED燈的無規(guī)則運(yùn)動也會影響光源光束的直線穩(wěn)定性， 造成了照明光束的不確定性， 失去了照明功能。

圖15　LED光源運(yùn)動姿態(tài)圖Fig. 15　Moving posture of LED light

經(jīng)過多次修改彈簧剛度發(fā)現(xiàn)， 隔離沖擊波載荷和防止撞擊是一個相互矛盾的問題， 彈簧剛度過大則不能消減沖擊波載荷的能量， 彈簧剛度過小則LED燈和保護(hù)罩會發(fā)生碰撞， 造成LED燈的損壞。在此， 固定邊界條件能更好的控制LED光源的運(yùn)動狀態(tài)。

6　結(jié)論

文中應(yīng)用數(shù)值仿真方法探究了LED光源在水下爆炸沖擊波載荷和氣泡載荷作用下的沖擊隔振問題。應(yīng)用ABAQUS軟件， 探究了LED光源結(jié)構(gòu)形式和邊界條件對隔振系統(tǒng)的影響， 得到以下主要結(jié)論: 1） 當(dāng)計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)外介質(zhì)密度差很小時，沖擊波會穿過結(jié)構(gòu)， 沿著介質(zhì)繼續(xù)傳播， 且能量衰減很少， 對內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損傷； 2） 當(dāng)用彈簧作為主要隔振裝置時， 要注意其剛度的選取。剛度過小， 會增加隔振效果， 但可能支撐不住結(jié)構(gòu)；剛度太大， 雖然支撐住了結(jié)構(gòu)， 但是隔振效果又不好， 這是一個相互矛盾的問題。故在做設(shè)計(jì)時要對彈簧的剛度和彈簧的數(shù)量做詳細(xì)的預(yù)估； 3）在進(jìn)行水下爆炸氣泡載荷隔振設(shè)計(jì)時， 不僅要考慮氣泡脈動引起結(jié)構(gòu)鞭狀運(yùn)動造成的結(jié)構(gòu)毀傷，還要考慮氣泡脈動遷移引起的結(jié)構(gòu)的大位移和姿態(tài)改變， 這既有可能造成結(jié)構(gòu)的毀傷， 也有可能引起結(jié)構(gòu)功能失效。

文中的研究解決了 LED光源在水下爆炸載荷作用下的隔振問題， 為氣泡脈動特性的研究提供了照明光源， 給出的幾個影響隔振系統(tǒng)性能的因素，可為小型結(jié)構(gòu)水下爆炸隔振設(shè)計(jì)提供借鑒。

［1］ 劉建湖. 艦船非接觸水下爆炸動力學(xué)的理論與應(yīng)用［D］. 無錫: 中國船舶科學(xué)研究中心， 2002.

［2］ 孫傳東， 陳良益， 高立民， 等. 水的光學(xué)特性及其對水下成像的影響［J］. 應(yīng)用光學(xué)， 2000， 21（4）: 39-46. Sun Chuan-dong， Chen Liang-yi， Gao Li-ming， et al. Water Optical Properties and Their Effect on Underwater Imaging［J］.Journal of Applied Optics， 2000， 21（4）: 39-46.

［3］ Balandin D V， Bolotnik N N， Pilkey W D. On the Optimal Shock Isolation of a System with One and a Half Degrees of Freedom［J］. Shock and Vibration， 1999， 6（4）: 159-167.

［4］ Zong Z， Lama K Y， Gan T. Limiting Performance Analysis of Underwater Shock Isolation of a System with Biodynamic Response Using Genetic Algorithm［J］. Shock and Vibration， 2000， 7（5）: 321-332.

［5］ 蔣國巖， 賈則， 宋敬利. 水下爆炸載荷作用下隔振系統(tǒng)與艦船結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)分析［J］. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報， 2009，（13）: 92-93.

［6］ 劉東岳， 汪玉， 諶勇， 等. 艦艇抗沖擊水下爆炸流固耦合沖擊動力學(xué)模型［J］. 科技導(dǎo)報， 2012， 30（10）: 24-28. Liu Dong-yue， Wang Yu， Chen Yong， et al. A Fluidstructure Coupling and Dynamic Model of Ship Antishock Layer for Underwater Explosion Wave Isolation［J］. Science and Technology Review， 2012， 30（10）: 24-28.

［7］ Chung J， Shin Y S. Simulation of Dynamic Behaviour of High-speed Catamaran Craft Subjected to Underwater Explosion［J］. Ships and Offshore Structures， 2014， 9（4）: 387-403.

［8］ 宗智， 趙巖杰， 鄒麗. 水下爆炸結(jié)構(gòu)毀傷的數(shù)值計(jì)算［M］. 北京: 科學(xué)出版社， 2014.

［9］ 許斐. 鋁合金艇在水下沖擊波作用下動態(tài)響應(yīng)的數(shù)值研究［D］. 大連: 大連理工大學(xué)， 2010.

［10］ Zong Z， Zhao Y J， Li H T. A Numerical Study of Whole Ship Structural Damage Resulting from Close-in Underwater Explosion Shock［J］. Marine Structures， 2013， 31（2）， 24-43.

［11］ 趙巖杰. 近距及接觸水下爆炸沖擊波作用下結(jié)構(gòu)毀傷的數(shù)值模擬［D］. 大連: 大連理工大學(xué)， 2013.

［12］ 汪玉， 華宏星.艦船現(xiàn)代沖擊理論及應(yīng)用［M］. 北京: 科學(xué)出版社， 2005.

（責(zé)任編輯: 楊力軍）

Design of Vibration Isolator Against Underwater Explosion for LED Light Source

WANG Wen-guan，ZHOU Li
（1. Dalian Scientific Test and Control Technology Institute， Dalian 116013， China； 2. School of Ocean Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China）

To directly observe and analyze the impulsion characteristics of the bubbles induced by underwater explosion，a light-emitting diode（LED） light source and its vibration isolator are designed. The characteristics of the vibration isolator under non-contact underwater explosion load are simulated. Finite element models of the LED， its vibration isolator，protection cover and water medium are built by using the software Hypermesh. Then the acoustic-structural coupling method in the software ABAQUS is employed to analyze the dynamic response of the isolator. By analyzing the time history curve of acceleration of two terminal points on the isolator， it is concluded that the medium density difference between inside and outside of the structure will affect transmission path of explosion shock wave， and the fixing mode of the structure will influence illumination of the LED light source. This research may provide reference for design of vibration isolator against underwater explosion for small structure.

underwater explosion； LED light source； acoustic-structural coupling； vibration isolation system； impact acceleration

TB858.1； O389

A

1673-1948（2016）05-0386-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.05.0010

2016-04-18；

2016-07-04.

國家自然科學(xué)基金（61273333）， 西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金（JC20100224）.

王文冠（1989-）， 男， 碩士， 主要從事水聲工程方面的研究.