某浮动冲击平台外载荷与冲击环境分析

宋敬利，张玉涛

(中国人民解放军91439部队，辽宁 大连　116041)



【装备理论与装备技术】

某浮动冲击平台外载荷与冲击环境分析

宋敬利，张玉涛

(中国人民解放军91439部队，辽宁 大连116041)

为了进行舰载设备在接近实战条件下的抗冲击考核，设计并建造了浮动冲击平台。为摸清浮动冲击平台在一定外载荷下的冲击环境，进行了三次水下爆炸试验，采用1kgRDX装药在距离平台不同距离处爆炸，分别对平台外载荷和冲击环境进行了测量；外载荷测量结果表明：装药在水下5m爆炸时产生明显的气泡脉动载荷和空化效应，加强了对平台本体的冲击作用；冲击环境测量结果表明：冲击响应从迎爆面到背爆面有逐渐减小的趋势，迎爆面冲击谱速度达到5.3m/s，位移11cm；冲击环境满足Ⅲ类区域冲击环境要求。

水下爆炸；浮动冲击平台；冲击环境

二战后，舰船抗冲击问题引起了世界各海军强国的高度重视，投入大量人力和物力开展一系列冲击试验和研究，建立并不断完善抗冲击军用规范，以提高舰艇抗冲击能力[1-3]。美国和西欧等海军强国将舰载设备的抗冲击能力作为舰艇的主要性能指标，在初始阶段就给予重点考虑，有关舰艇安全和作战能力的装舰设备都必须经过冲击试验考核或冲击计算考核。美国海军抗冲击规范《船用机械、设备和系统冲击试验要求》，即MIL—S—901D标准中，规定凡小于181t的舰载设备必须经进行抗冲击考核试验[4-5]，合格后方能装舰使用，因此美国在弗朗西科舰载设备抗冲击试验基地等地建有多型海上抗冲击浮动平台用于大型舰载设备考核试验。西欧国家的抗冲击规范BV043/85对大型舰载设备抗冲击也有相关规定[6]。

浮动冲击平台在正式投入使用前需要对其进行一系列水下爆炸试验以验证其设计的合理性，试验中需要对外载荷和冲击环境进行测量，并以此为依据对被试设备的抗冲击性能进行综合评价，考核合格后方可装舰使用。外载荷的测量主要是为了验证装药爆轰的安全性，获取加载在平台本体上的外部载荷，冲击环境测量是为了获取平台不同部位的冲击环境。通过对冲击环境测量数据的处理分析可以获得设备基础承受的加速度、速度、位移等参数，再通过与设备的设计指标对比分析来验证设备抗冲击设计的可靠性。我国关于舰船抗冲击的研究工作起步较晚，现有的船用设备的抗冲击设计和考核要求主要借用国外军标，以美军军标为主。由于我国现有的标准如GJB150.18 和GJB1060.1—91 均以美国的MIL—S—901C和DDS072为参考，目前尚未形成适合我国国情的抗冲击考核体系。目前国内对于大中型舰载设备的考核仍然缺乏相应的手段[7]，为此设计了小型浮动冲击平台并开展了相关水下爆炸试验，对平台外载荷和冲击环境进行了初步研究，为后续浮动冲击平台建设提供借鉴。

1　浮动冲击平台结构特点

本平台共设 5道纵壁、7道横壁，平台为双层底、单甲板，双层底的间距为 300mm；内底和甲板之间距离280mm，平台型深2m；平台根据实际设备放置情况备有1t固体压载，并在上层甲板四周设有压载孔；平台上层甲板四角处设有起吊装置；平台的顶部设帆布篷，为半圆形，高度为2 300mm，帆布篷支架为圆管截面，篷中央设有开孔便于起吊；平台四周相应位置处设有拖航环。所设计的冲击平台外形为长方体，主尺度为：长5.4m，宽4m，高2m，吃水0.7m，排水量约15t(图1)。

图1　浮动冲击平台

2　浮动冲击平台试验方法

在浮动平台的迎爆面及背爆面各安装2个自由场压力传感器，传感器位于水下1.5m。加速度测量共设6个测点，测点A1位于内底板横轴线靠近迎爆面一侧，A2、A3、A4测点沿上甲板横轴线以相同间距布设，A3、A5、A6测点沿上甲板纵轴线以相同间距布设，传感器安装位置如图2所示。

图2　传感器安装位置俯视图

试验测量设备采用NIPXI1045采集机箱，速度采集卡采用NIPXI4498采集卡，压力采集卡采用NIPXI6120采集卡，加速度传感器均采用PCBM350系列传感器，压力传感器采用PCB138系列传感器。试验中测量设备通过气液缓冲装置安装在浮动冲击平台内甲板上。试验中采用1枚1kgRDX药球作为爆源，爆源采用有线方式起爆，起爆装置放于码头上。通过仿真计算确定爆源到小型浮动平台水平距离及布设深度，试验共进行3个工况(表1)。

表1　试验工况

3　外载荷分析

图3为第3炮次P1和P2两个测点的外载荷波形图，从时域来看，水下爆炸可以分为两个阶段，第一个阶段为冲击波阶段，持续时间为毫秒级；第二个阶段为气泡阶段，持续时间为秒级。冲击波产生后将沿着药包的各个方向传播。当气泡刚生成时，由于冲击波向外传播时在气泡内部生成压力很大的伸张波[8]，压力大于外部水的压力，导致气泡过度膨胀，使外部的水压力大于内部的压力，这样，气泡又开始压缩，由于惯性的作用，气泡又过度压缩，内部压力大于外部压力，使得膨胀、压缩运动循环起来，在有利的条件下，这种运动可达十次或者十次以上。本次试验由于爆源入水较浅，共观察到两次明显的气泡脉动，气泡脉动周期为0.207s，计算水下爆炸气泡脉动周期的经验公式如下[9]：

(1)

对TNT炸药KT=0.295; h为炸药距水面距离(m); W为炸药质量(kg)。将W=1，h=5代入式(1)求得T=0.210，试验测量结果与理论计算结果基本一致。另外两个测点冲击波过后由于冲击波到达水面后产生反射稀疏波，稀疏波与入射波叠加后形成负压，当负压值达到水的空化压力时在水域形成的空化现象。空化区域溃灭时对结构产生二次加载[10]。图3(c)、(d)为P1和P2两个测点的局部放大图，从图中可以看出冲击波过后均有明显的二次加载过程。

图3　外载荷波形

4　冲击环境分析

4.1时域分析

冲击环境测量主要测量不同部位的冲击加速度参数，试验共布设6个测点，每个测点均测量垂向冲击响应。以浮动冲击平台上甲板中心为原点，平台右舷为x轴，艏向为y轴，垂直方向为z轴建立坐标系，各测点信息及测得的加速度峰值见表2。

表2　加速度测点信息

由表2可知，垂向加速度峰值大小主要与考察点与冲击波最先到达点的距离有关，随着距离的增大，加速度曲线峰值减小。爆源在水下爆炸后，冲击波载荷最先到达结构表面，冲击波沿着结构自下向上传播，A1测点最靠近底板，振动冲击最先到达该点，而且该点位于强力结构上，因此加速度峰值远远高于其它各点。主甲板层面上的各测点加速度峰值从迎爆面到背爆面、由舯部到艉部依次减小。

4.2冲击谱分析

(2)

单自由度系统受基座激励的响应可以采用杜哈曼(Duhamel)积分公式求出。在直角坐标系上不同固有频率的机械系统冲击响应的最大值与系统固有频率就是冲击谱[11]。

选择上甲板从迎爆面向背爆面的A2、A3、A4三个测点的数据进行冲击谱计算，计算频率为1～10 000 Hz，计算结果如图5所示。靠近迎爆面一侧的A2测点冲击谱值明显高于其他两点，最大位移达到11 cm，最大速度达到5.3 m/s，最大加速度达到205g。但是位于中心的A3测点和背爆面的A4测点冲击谱值相差不大，A3测点的位移和速度略大，而加速度基本相同，这与传感器的安装部位有关，A3测点位于平台上甲板中心，其安装基础为板材，下面没有强力结构，水下爆炸激起的结构振动引起板材弹性振动，类似于将传感器安装在自振频率较高的弹簧上，高于自振频率的成分被过滤掉，形成滤波效应。而A4测点由于下面有强力结构支撑所以造成位移较小，而振动自下而上直接传到该部位造成谱加速度较大。

图4　冲击谱模型

冲击谱具有明显的三折线特征，即低频段表现为等位移特征，中频段表现为等速度特征，高频段表现为等加速度特征，随着测点与爆源作用点距离的增大，不同固有频率机械系统的速度和位移迅速减小，而加速度变化较缓慢。

图5　计算冲击谱图

采用浮动冲击平台考核舰载设备的抗冲击性能主要从以下两方面考虑：需保证浮动冲击平台具有一定的刚度，目前国内一般参考美国MIL—S—901D标准中规定的工况，所设计的平台能有足够的强度抵抗水下爆炸载荷作用下的冲击，同时能够提供设备考核所需的冲击环境，冲击环境一般参考德国军标 BV043/85中要求的设备冲击环境(表3为部分区域垂向冲击环境)，其中Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类安装区域分别对应船壳机座和主甲板以下隔舱壁、下甲板和主甲板隔壁、上层建筑。从平台水下爆炸试验结果看，在冲击环境最恶劣的一个工况下(即爆源距平台舷侧水平4.2 m，水下5 m)，平台未产生塑性变形，试验后外观完好。冲击环境满足Ⅲ类区域冲击环境要求，对于Ⅰ、Ⅱ类区域安装设备的考核还需进一步优化试验设计及验证。

表3　BV043/85 规范中部分冲击环境数据

5　结论

1) 水下爆炸对结构的作用是多种载荷联合作用的结果，对于远场非接触爆炸冲击波起主要作用，冲击波过后会产生气泡脉动载荷和空化区溃灭造成的二次加载，这种加载会加剧结构的冲击响应；

2) 采用冲击谱表征浮动冲击平台在水下爆炸作用下的冲击环境研究以不同固有频率安装的机械系统时直观、明了，从冲击谱图上可以明显看出不同固有频率机械系统对于同一载荷的响应情况，这对于设备的防护设计至关重要；

3) 浮动冲击平台的冲击环境满足德国军标 BV043/85中要求的Ⅲ类区域冲击环境，对于I、II类区域安装设备的考核还需进一步优化试验设计及验证。

[1]刘建湖,潘建强，何斌．各主要海军国家设备抗冲击标准之比较[J].应用科技,2010,37(9):17-25.

[2]张晓阳,刘建湖,潘建强．各主要海军国家设备抗冲击标准之评述[J].船舶力学,2011,15(11):1322-1334.

[3]平洋．国外舰船设备抗冲击标准研究[J].造船技术,2010,15(3):1-3.

[4]黄若波，杜俭业，王官祥．美国舰艇抗冲击标准规范研究分析[J].舰船科学技术,2007,29(2):138-142.

[5]梁卓中,陈立贤．应用美规 MIL—STD—901D 标准水中爆震平台进船舰重装备之抗震能分析[J].科学与工程技术,2009,5(2):35-50.

[6]BV/0430,冲击安全性(前联邦德国国防军舰艇建造规范)[S].北京:中国舰船研究院科技发展部,1998.

[7]张玮.利用浮动冲击平台考核舰用设备抗冲击能力的数值仿真研究[J].振动与冲击,2010,29(12):60-63.

[8]粱卓中,戴毓修,刘子豪.炸药水下爆炸效应之研究[J].中国造船暨轮机工程学刊,2005,24(1):39-57.

[9]松佐夫 H H.水下和空中爆炸理论基础 [M].北京:国防工业出版社,1965.

[10]李海涛,朱锡,黄晓明等.水下爆炸冲击波作用下空化区域形成的特性研究[J].高压物理学报,2008,22(2)：181-186.

[11]CHRISTIAN TALANNE.Mechanical Vibration and Shock[M].Wiley-ISTE,2004.

[12]陈高杰，沈晓乐，王树乐，等.基于声固耦合法的环肋壳水下冲击数值仿真试验[J].兵工自动化，2015(2):7-10.

(责任编辑周江川)

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，高级工程师，主要从事水下爆炸及舰船抗冲击研究。

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，张玉涛.某浮动冲击平台外载荷与冲击环境分析[J].兵器装备工程学报，2016(9):16-19.