200 t級浮動沖擊平臺水下爆炸試驗低頻沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)分析

張磊，杜志鵬，吳靜波，計晨，張春輝，馮麟涵

海軍研究院，北京100161

0 引 言

浮動沖擊平臺（以下簡稱“浮臺”）作為大型艦載設(shè)備抗沖擊性能考核驗證的標準試驗裝置，在世界各國得到了廣泛應(yīng)用［1］。以美海軍為例，迄今為止已建造了至少10臺4型有效承載噸位的浮臺，分別是：27 t級（FSP）、45 t級（EFSP）、113 t級（IFSP）和181 t級（LFSP）。1989年，我國研仿美軍的27 t級浮臺，建造了13.5 t級浮臺，作為我國艦載設(shè)備抗沖擊標準試驗裝置［2］。隨著大型艦船的研制，大型艦載設(shè)備需要更大承載力的浮臺開展抗沖擊考核試驗。近年來，國內(nèi)新建造了27 t級、50 t級、100 t級和200 t級浮臺，為新研大型艦載設(shè)備抗沖擊性能考核驗證提供了基本試驗條件。

除了承載力要求外，浮臺還需要滿足標準沖擊指標的要求。我國軍標GJB150.18-1986仿照美軍標MIL-S-901C，不規(guī)定浮臺沖擊試驗的標準沖擊指標，而是通過規(guī)定浮臺結(jié)構(gòu)、安裝架、爆源當(dāng)量、爆距等參數(shù)來使浮臺沖擊環(huán)境具有標準性。但是，這種不直接控制沖擊環(huán)境的方法難以實現(xiàn)試驗沖擊環(huán)境與設(shè)備設(shè)計沖擊指標的一致性，容易造成設(shè)計與考核的矛盾。雖然這種考核方法與美軍沖擊考核的目標吻合，即“不求準確沖擊輸入，但力求復(fù)現(xiàn)潛在的破壞［1］”，但這種考核目標與我國的艦載設(shè)備抗沖擊技術(shù)發(fā)展趨勢并不契合。新頒布的海軍標準HJB715-2016仿照德國軍標BV043/85和北約標準STANAG4549，不規(guī)定沖擊試驗裝置，而是規(guī)定三折線沖擊譜并將其作為被考核設(shè)備基礎(chǔ)沖擊的環(huán)境輸入。這樣可以最大程度地利用各種浮臺，甚至是駁船等民用船舶，只要沖擊環(huán)境能夠達到三折線沖擊譜的指標要求。但這要求對浮臺水下爆炸試驗數(shù)據(jù)進行有效的分析，以滿足對標準沖擊指標的科學(xué)判斷。

本文中的200 t級浮臺于2017年6月建造完成，并開展了一系列標定試驗。試驗利用150 kg TNT當(dāng)量的爆源，對安裝了各種重量負載的浮臺進行了各種爆距下的水下爆炸試驗，測試得到浮臺各部位的沖擊環(huán)境數(shù)據(jù)。實測得到的沖擊數(shù)據(jù)需要經(jīng)專業(yè)的分析才能掌握其沖擊環(huán)境特征，確定其沖擊指標。尤其是對幾赫茲到幾十赫茲的低頻沖擊譜更為關(guān)注。因為一方面，這一區(qū)域是艦載設(shè)備的主要安裝頻率，沖擊作用明顯；另一方面，低頻沖擊譜易受加速度零漂噪聲的影響，在積分成速度和位移數(shù)據(jù)時產(chǎn)生趨勢項，難以準確測量［3-6］。

為了掌握低頻區(qū)域沖擊特征，各國開展了測試與數(shù)據(jù)分析的技術(shù)研究。李國華等［7-8］利用簧片儀、加速度計等傳感器測量得到了浮動沖擊平臺水下爆炸沖擊響應(yīng)的運動數(shù)據(jù)，并通過沖擊譜分析發(fā)現(xiàn)水下爆炸氣泡膨脹產(chǎn)生的滯后流是浮動沖擊平臺數(shù)十赫茲沖擊振動的主要能源。溫肇東等［9］分析了500 kg級雙波沖擊機的沖擊環(huán)境，可以與標準較好地吻合，達到了雙波沖擊機的設(shè)計標準。何斌等［10］對GJB150.18-86的標準沖擊機沖擊環(huán)境進行試驗測試與分析，指出了該沖擊機對沖擊環(huán)境的影響因素，提出了應(yīng)建立沖擊機的驗收標準。由于水下爆炸沖擊強度高、頻域范圍大，常規(guī)的測量方法往往難以獲取有效的沖擊環(huán)境數(shù)據(jù)。陳輝等［11］提出了綜合利用簧片儀、機械濾波器、低頻振子等提高沖擊環(huán)境數(shù)據(jù)有效性的方法。潘建強等［12］針對以往沖擊環(huán)境測量用的簧片儀中采用劃針記錄數(shù)據(jù)時導(dǎo)致的采集數(shù)據(jù)困難、可靠性較低、數(shù)據(jù)誤差較大等缺點，提出了簧片儀電測技術(shù)，能夠滿足艦船中、低頻沖擊環(huán)境的測量。

本文將利用200 t級浮臺水下爆炸試驗低頻振子沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)，提出低頻振子數(shù)據(jù)分析方法，分析浮臺低頻沖擊響應(yīng)特性，為浮臺標準沖擊譜標定提供參考。

1 浮動沖擊平臺試驗測量

1.1 浮動沖擊平臺試驗方法

200 t級浮臺總長19 m，總寬9.1 m，總高7 m，內(nèi)部有效高度6 m，雙層底高度1 m，舷墻高度0.5 m，最大吃水3 m，最大可試設(shè)備重量為200 t。試驗時，將150 kg TNT標準爆源置于浮臺舷側(cè)正橫或正縱方向引爆。浮臺上安裝不同質(zhì)量的重物以模擬設(shè)備對沖擊環(huán)境的反作用。由于浮臺內(nèi)底結(jié)構(gòu)比實船甲板剛度高，為了模擬實船甲板剛度，在內(nèi)底上設(shè)置了甲板模擬器。標定試驗工況如圖1所示。

浮臺在水下爆炸作用下的低頻剛體運動特性與實船差異較大［13］，其主要原因是試驗采用小炸藥近距離水下爆炸，爆炸產(chǎn)生的氣泡會對浮臺造成低頻沖擊。而浮臺這種短箱體剛性結(jié)構(gòu)與實船細長柔性結(jié)構(gòu)不同，難以抑制低頻剛體響應(yīng)。為了減小這種低頻誤差，可以采用淺水爆炸的方式，在氣泡脈動之前上浮至水面附近，從而減小對浮臺的脈沖載荷。浮臺試驗工況如表1所示。

表1 200 t級浮動沖擊平臺試驗工況表Table 1 Test conditions of 200 tons floating shock platform

1.2 浮動沖擊平臺試驗低頻振子測量方法

水下爆炸瞬間沖擊信號被安裝在浮臺各部位的傳感器拾取，并存儲于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，供后續(xù)數(shù)據(jù)分析使用。測量的物理量主要包括：安裝在浮臺內(nèi)底、甲板模擬器等部位上的結(jié)構(gòu)應(yīng)變、加速度以及低頻振子的位移和加速度等，如圖2所示。

低頻振子分為垂向和水平方向。水平方向低頻振子如圖3所示。2根彈簧預(yù)壓縮后安裝在配重塊兩端，彈簧在工作中始終處于壓縮狀態(tài)；中間的光軸作為彈簧導(dǎo)向，同時也作為配重塊滑動的導(dǎo)軌；配重塊上安裝滑動軸承，不僅能極大地降低配重塊與導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，還能有效抑制配重塊的搖擺，提高測量精度。

垂向低頻振子的振幅很大，如果選用雙預(yù)壓縮彈簧會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過高，因此采用拉壓雙向彈簧，如圖4所示。配重塊一端與彈簧連接，內(nèi)部安裝滑動軸承，光軸既作為彈簧的導(dǎo)向也作為軸承的導(dǎo)軌。

將位移或加速度傳感器安裝在配重上，可以測量得出不同頻率低頻振子的沖擊響應(yīng)。根據(jù)浮臺沖擊環(huán)境特征預(yù)測，低頻沖擊譜等位移線主要位于4～20 Hz之間。因此本次試驗使用了4種頻率的低頻振子：2，6，10和20 Hz。

2 浮動沖擊平臺試驗低頻振子數(shù)據(jù)分析

利用表1中工況1試驗測量得到的低頻振子數(shù)據(jù)，將給出分析浮臺低頻振子數(shù)據(jù)的分析方法，分析浮臺的低頻沖擊環(huán)境特性。

2.1 低頻振子位移數(shù)據(jù)分析

根據(jù)各部位上安裝的不同頻率低頻振子的位移實測數(shù)據(jù)d，可計算得到偽速度v和等效加速度a，其關(guān)系為

計算結(jié)果如表2所示。

表中，用紅底色標示出的數(shù)據(jù)在該頻率下FFT幅值譜中對應(yīng)的頻率不突出，證明該數(shù)據(jù)不可信。將表2中有問題的數(shù)據(jù)去掉后繪圖，如圖5所示。由圖可以看出，在20 Hz以下基本上是等位移特征，位移約為10 mm，測點數(shù)據(jù)一致性好。迎爆面與背爆面并不影響位移量值，說明低頻位移主要是由浮臺整體剛體運動貢獻。對于2 Hz處位移較大的問題，可能是受到氣泡脈動的影響。150 kg TNT當(dāng)量水深6.5 m水下爆炸氣泡脈動周期約1.1 s。2 Hz處的沖擊位移對于通常安裝頻率為10 Hz以上的設(shè)備來說相當(dāng)于靜態(tài)載荷。HJB715-2016規(guī)定的考核沖擊譜頻域范圍4～400Hz。因此，2 Hz處的位移可以忽略。

表2 低頻振子位移數(shù)據(jù)及其衍生數(shù)據(jù)Table 2 Low frequency oscillator displacement data and its derivative data

2.2 低頻振子加速度數(shù)據(jù)分析

將各部位上安裝的不同頻率低頻振子的加速度實測數(shù)據(jù)a以及積分得到的位移列于表3。加速度峰值是對原始數(shù)據(jù)濾波得到。濾波頻率根據(jù)FFT分析選取。如圖6～圖7所示，對于A19測點，由圖6的FFT幅值圖可以看出，在17 Hz處能量降為10 Hz峰值的1%，因此可將20 Hz作為濾波頻率。從原始時域數(shù)據(jù)與20 Hz濾波數(shù)據(jù)的對比來看，濾波后數(shù)據(jù)更真實、可信。

表3 低頻振子加速度數(shù)據(jù)峰值Table 3 Peak of low frequency oscillator acceleration data

將低頻振子加速度峰值當(dāng)作譜位移（根據(jù)沖擊譜定義），按照d=a/（2πf）2的關(guān)系式轉(zhuǎn)換成位移，如圖8所示。可以看出，2，6，10 Hz處位移呈現(xiàn)出較為明顯的等位移特征。橫向位移基本在10 mm左右，縱向為5 mm。20 Hz處位移明顯減小，估計沖擊譜的轉(zhuǎn)折頻率在10～20 Hz之間。

3 結(jié) 論

本文分析了200 t級浮臺舷側(cè)16 m工況的水下爆炸試驗低頻振子沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)，給出了浮臺低頻沖擊響應(yīng)特性，得到以下主要結(jié)論：

1）共測量得到19個低頻振子位移數(shù)據(jù)，29個加速度數(shù)據(jù)。其中，位移數(shù)據(jù)4個不可信，數(shù)據(jù)有效率79%；加速度數(shù)據(jù)13個不可信（包含未采集到數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)有效率55%。

2）在浮臺低頻沖擊響應(yīng)中，迎爆面、背爆面和側(cè)面的位移差異并不明顯，內(nèi)底和甲板模擬器的位移差異不明顯，橫向和垂向差異也不明顯。也就是說整個浮臺橫向和垂向低頻位移譜值基本相等，約為10 mm；縱向位移和垂向、橫向相比小一半，約為5 mm。整個浮臺各區(qū)域低頻沖擊響應(yīng)差異不明顯，說明低頻響應(yīng)以浮臺整體的剛體運動為主。浮臺橫向和垂向的低頻響應(yīng)差異不明顯，說明浮臺導(dǎo)流裝置效果顯著，至少在低頻段可有效調(diào)節(jié)浮臺垂向與橫向沖擊強度比例。

3）在低頻沖擊譜的低頻段和高頻段存在拐點，低頻拐點出現(xiàn)在約4 Hz處，高頻拐點出現(xiàn)在約15 Hz處。與其他頻率的低頻振子相比，2 Hz處的垂向位移偏大，約20 mm，主要是因為氣泡脈動引起的浮臺低頻剛體運動；20 Hz處低頻振子的橫向和垂向位移偏小，約2.5 mm，說明在10～20 Hz之間靠近10 Hz處發(fā)生了較明顯的拐點；垂向20 Hz除位移也偏小，但并不明顯，說明垂向的拐點更靠近20 Hz處。

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