水下非接触爆炸的负波对舰船设备破坏的影响

邹　斌，闫　明，刘　栋，金　昊（沈阳工业大学机械工程学院，沈阳110870）



水下非接触爆炸的负波对舰船设备破坏的影响

邹斌，闫明，刘栋，金昊
（沈阳工业大学机械工程学院，沈阳110870）

摘要：揭示水下非接触爆炸的负波对舰船设备冲击破坏影响，并分析冲击破坏规律，对舰船设备抗冲击设计及考核具有重要意义。设计不同固有频率的悬臂梁，分别计算在不同负波脉宽和负波延迟时间的冲击载荷作用下梁固定端应力响应，得到负波脉宽与应力、负波延迟时间与应力的关系曲线，同时绘制了相应的冲击响应谱。结果表明：增加负波脉宽可提高冲击载荷对低频设备破坏能力，对中频和高频设备破坏影响不大；负波延迟可加剧低频设备破坏，可降低中频设备破坏，对高频设备破坏无影响；增加负波脉宽和负波延迟时间均可加剧冲击载荷对低频设备的破坏。

关键词：振动与波；水下非接触爆炸；负波；舰船设备；冲击响应；延迟时间

来稿日期：2015-10-26

海军舰船在战时不可避免地遭受水雷、鱼雷等敌方武器的攻击，由此产生的水下非接触爆炸一般不会击穿船体结构，却会造成设备大范围的损坏（比如螺栓断裂、管路泄漏、主轴卡死等），导致舰船丧失生命力和战斗能力[1–7]。由此可以看出设备是舰船抗冲击能力的薄弱环节，其抗冲击性能的高低，会直接影响到舰船的作战性能。

水下非接触爆炸产生冲击波压力脉冲和气泡脉动两种冲击效应。冲击波压力脉冲传播速度快，作用到船体后，船体向上拱起，船体结构和设备受到正波冲击；气泡脉动随后作用到船体上，使其突然向下运动，船体结构和设备受到负波冲击。因此，舰船设备在遭受水下爆炸冲击时在时域上呈现近似正、负双波的冲击特性。与正波相比，负波的加速度峰值较小而脉宽较大。为此，一般认为主要是正波造成设备的冲击破坏。我国舰船设备抗冲击设计与试验标准GJB4000-2000《舰船通用规范》和GJB1060《舰船环境条件要求》规定了用正波设计和校核舰船设备的抗冲击能力，在我国能够模拟正波双波联合作用的冲击试验机也是比较罕见的。

气泡脉动效应(负波效应)是由爆炸产生的高压气体在水中膨胀、收缩而产生。气泡脉动具有周期性，其基频与舰船的1、2阶频率接近，极易使舰船产生振荡，容易使舰船发生整体屈曲甚至断裂，为此气泡脉动对设备的冲击破坏不应被忽视[8-11]。近年来我国海军开展了大量的实船水下非接触爆炸试验表明，冲击波压力脉冲产生的正波与气泡脉动产生的负波具有明显的时间间隔。

本文将设计不同固有频率的悬臂梁代表低频、中频和高频设备，计算悬臂梁在不同负波脉宽和不同负波延迟时长冲击载荷作用下的应力响应，绘制四坐标冲击响应谱，探讨负波及其延迟时间对舰船设备破坏的影响。

1　冲击响应谱

舰船设备在水下非接触爆炸冲击环境中的响应与其固有频率息息相关。为了形象地反映冲击环境对各种固有频率设备的破坏潜能，MauriceBiot等将冲击载荷作用于图1所示的一系列(k个)不同固有频率(fn)的弹簧振子，计算各个弹簧振子的最大相对位移响应、伪速度响应、最大加速度响应。其中：最大相对位移响应是指冲击载荷作用时间历程中以及冲击结束后弹簧振子自由振动时质量点相对冲击点的最大位移幅值，即弹簧的最大变形量；伪速度响应是弹簧振子的最大位移响应与其固有圆频率的乘积，其量纲与速度相同；最大加速度响应是指冲击载荷作用时间历程中以及冲击结束后弹簧振子自由振动时质量点的最大加速度幅值。

图1　弹簧振子模型

以弹簧振子固有频率为横坐标，以最大响应为纵坐标即可绘制出冲击载荷的相对位移响应谱、伪速度响应谱和加速度响应谱。换言之，冲击响应谱是一系列固有频率不同的单自由度线性系统受同一冲击激励响应的总结果。Gaberson等发明了一种对数四坐标冲击响应谱的绘制方法，可将上述三种响应在同一个图中显示出来，如图2所示。图中，横坐标表示弹簧振子的固有频率，纵坐标表示伪速度，与横坐标成+45°和- 45°的坐标分别表示最大相对位移响应和最大加速度响应。对数四坐标系中的冲击响应谱形似三折线，在舰船设备的设计与试验过程中一般将冲击响应谱简化为三条折线，因此舰船设备的设计谱也叫做三折线谱，左侧折线表示弹簧振子的极限谱位移(d0)，中间直线表示弹簧振子的极限谱速度(v0)，右侧折线表示弹簧振子的极限谱加速度(a0)[12–14]。

图2　对数四坐标中的冲击响应谱和三折线谱

在舰船设备设计及试验过程中需要将三折线谱转换为图3所示正负组合三角波冲击信号，图中横坐标为时间，纵坐标为加速度。

图3　正负组合三角波

美国军用标准ANSI/ASA S2.62-2009[15]规定了冲击响应谱与时域冲击信号之间的转换关系

2　计算模型

鉴于国内外常用悬臂梁结构研究水下非接触爆炸对舰船设备的冲击破坏机理[12，13]，设计不同固有频率的悬臂梁，分析悬臂梁在各种冲击载荷下的应力响应，进而分析负波对设备的破坏影响。一般认为，固有频率小于10 Hz的设备为低频设备，10 Hz～160 Hz为中频设备，大于160 Hz为高频设备[5]，因此选取固有频率为4 Hz、60 Hz和200 Hz的悬臂梁分别代表低频、中频和高频设备。

图4所示悬臂梁模型长度为l，宽度为b，厚度为h，其材料为Q235钢，弹性模量E =206 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。保持梁的截面宽度b = 30 mm不变，根据式(8)变换长度l和厚度h两参数，可设计出不同固有频率的悬臂梁，列于表1中。

图4　悬臂梁模型

式中：截面惯性矩I =bh3/12；截面面积A =bh。式(8)用于计算悬臂梁在冲击方向的1阶固有频率。

表1　悬臂梁参数

3　负波对设备冲击破坏的作用

经大量实船水下非接触爆炸试验测得负波脉宽一般为16 ms至40 ms。据图3设计五条时域加载曲线，并将参数列于表2中，这五条加载曲线的正波峰值和脉宽不变，改变负波脉宽，并保证负波与横坐标所围面积不变，即保证载荷作用结束后，设备或悬臂梁加载部位的速度为零。

表2　冲击载荷参数

计算后提取悬臂梁的最大应力，在图5中展示悬臂梁最大应力与负波脉宽之间的关系。从图可知，固有频率为4 Hz的悬臂梁最大应力响应随着负波脉宽增加而增大；固有频率为60 Hz和200 Hz的悬臂梁最大应力响应几乎不变。可见，增加负波脉宽将提高冲击载荷对低频设备的破坏能力。

将表2中不同负波脉宽冲击载荷1、2、3、5绘制成如图6所示的冲击谱图，载荷1、2、3、5对应的负波脉宽依次增加。由图6可知，负波脉宽越大，极限谱位移越大。从式(1)至式(7)可知，冲击载荷正波幅值决定冲击谱的谱加速度，正波幅值和脉宽共同决定谱速度。综合考虑图6及式(1)—式(7)可知，负波决定了谱位移，而负波脉宽的增加本质上是通过增大谱位移来加剧对低频设备的破坏。

图5　负波脉宽对冲击破坏的影响

图6　不同负波脉宽对应的冲击谱图

4　负波延迟对设备冲击破坏的影响

如前所述，受到药包大小、距离、深度等多种因素影响，正波和负波不会正好衔接，如图7所示，此时负波相对正波有一定的时间延迟。

图7　冲击加速度载荷曲线

为了研究负波延迟对舰载设备冲击响应的影响，同样选取固有频率为4 Hz、60 Hz和200 Hz的悬臂梁分别代表低频、中频和高频设备，保证图7中正波脉宽t20=3.5 ms、正波幅值a1=452.8 m/s2、负波脉宽t22- t21=15 ms和负波幅值a2=105.6 m/s2四个参数未定值，设计六种正负波之间的延迟时间t21- t20=0 ms、5ms、10ms、15ms、20ms和25ms的冲击载荷。

利用所设计的六种不同负波延迟时间的冲击载荷对悬臂梁进行冲击响应计算，计算后提取悬臂梁固定端的最大应力，绘制出如图8所示的三种固有频率悬臂梁的应力与负波延迟时间之间的关系曲线。从图8可知，负波延迟会提高低频设备的最大应力，降低中频设备的最大应力，负波延迟对高频设备的最大应力响应几乎无影响。可见，负波延迟时间的增加可以提高冲击载荷对低频设备的破坏能力，可以降低冲击载荷对中频设备的破坏能力，对高频设备的破坏能力几乎无影响。

图8　负波延迟时间对冲击破坏的影响

为进一步研究负波延迟对舰船设备破坏的本质，将负波延迟时间依次取为0、5 ms、15 ms、25 ms的冲击载荷绘制成如图9所示的冲击谱图，通过对比分析可得：极限谱位移随着冲击载荷负波延迟时间的增加而增大；谱速度随着负波延迟时间的增加而增大；结合前文得到的负波延迟可提高对低频设备的破坏能力这一结论，可再次得到极限谱位移值可以代表冲击载荷对低频设备的破坏能力这一结论；通过对比图9中的冲击谱图与图7中的冲击谱图，可以得到不同负波脉宽的冲击载荷与不同负波延迟时间的冲击载荷对于低频设备的破坏具有相同的影响，均可加剧低频设备的破坏。

图9　负波不同延迟时间对应的冲击谱图

5　结语

(1)通过对三种频率悬臂梁进行不同负波脉宽的冲击计算，可知增加负波脉宽可提高冲击载荷对低频设备的破坏能力，对中频和高频设备的破坏影响不大。由于不同负波脉宽对应不同的极限谱位移，进而可知极限谱位移可代表冲击载荷对低频设备的破坏能力。

(2)负波延迟可以提高冲击载荷对低频设备的破坏能力，降低冲击载荷对中频设备的破坏能力，对高频设备的破坏能力几乎没有影响。由于不同负波延迟时间对应于不同的极限谱位移值，因此可再次得到极限谱位移可代表冲击载荷对低频设备破坏能力的结论。

(3)增加冲击载荷的负波脉宽与增加冲击载荷的负波延迟时间对低频设备的破坏具有相同的影响，均可加剧冲击载荷对低频设备的破坏能力。

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Effect of Negative Wave Induced by Underwater Non-contact Explosion on Ship Devices’Damage

ZOU Bin , YAN Ming , LIU Dong , JIN Hao
( School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110780, China)

Abstract:Theinfluenceof negativewaveinduced by underwater non-contact explosion on ship devices’damagewas revealed. The law of shock damage, which has great significance to the design and assessment of shock-resistance for ship devices, was analyzed. The cantilevers with different natural frequencies were designed, and the stress response of the fixed end under the impact loads with different negative wave pulse width and different time-delay was calculated. The curves of thenegativewavepulsewidth and thenegativewavetime-delay vs. theresponsestresseswereplotted and thecorresponding shock response spectrum was drawn. The results show that increasing the negative wave pulse width can raise the damage ability of the shock load to the low-frequency devices, but has little effects on medium and high frequency devices. The negative wave time-delay can increase the damage of the low-frequency devices, but can reduce the damage of mediumfrequency devices, and haslittleeffectson thedamageof thehigh-frequency devices. Increasing negativewavepulsewidth andincreasingnegativewavetime-delay canincreasedamageability of theshock loadtothelow-frequency devices.

Key words:vibrationandwave; underwater non-contact explosion; negativewave; devices; shock response; timedelay

通讯作者：闫明(1978- )，男，硕士生导师，副教授。E-mail:yanming7802@.163.com

作者简介：邹斌(1989- )，男，河北保定人，硕士研究生，主要研究方向为舰船设备抗冲击设计。

基金项目：中国博士后基金资助项目(2014M562622)

文章编号：1006-1355(2016)02-0144-04

中图分类号：U66

文献标识码：ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.032