挠性板导向的水平冲击试验台强度及运动规律分析

蒋永博， 张明远， 闫 明

(沈阳工业大学 机械工程学院， 辽宁 沈阳 110870)



挠性板导向的水平冲击试验台强度及运动规律分析

蒋永博， 张明远， 闫 明

(沈阳工业大学 机械工程学院， 辽宁 沈阳 110870)

水平冲击试验台可用于舰载设备抗冲击能力的考核试验，但导轨导向的水平冲击试验台工作时会出现卡死问题，为此提出挠性板导向的水平冲击试验台。为验证其可行性，用有限元方法计算分析了该试验台的输出波形以及挠性板的应力分布情况。结果发现，挠性板在冲击过程中储存弹性势能，对试验波形有一定的影响；台体最大位移设计值为94 mm，计算值为89.5 mm，减少了4.8%；台体最大速度设计值为4 m/s，计算值为3.93 m/s，减少了1.75%；台体正波峰值加速度设计值为571 m/s2，计算值为532 m/s2，减少了6.8%；台体负波峰值加速度设计值为175 m/s2，计算值为183 m/s2，增加了4.6%。因此用挠性板作为导向装置能够满足冲击试验台对设计波形的要求。

舰载设备 冲击 试验台 挠性板 波形

0 引言

舰艇作为海军的主要力量，海战时不可避免地受到多种形式的冲击，包括：自身武器发射时后坐力对船体的冲击；敌方炸弹直接接触爆炸产生的冲击；敌方鱼雷等水中爆炸物所产生的冲击波和气泡脉动带来的冲击；这些冲击会对舰载设备造成严重的损伤。大量的舰艇经历爆炸冲击后，尽管船体仍保持水密性，但由于内部设备功能丧失，导致舰艇完全丧失战斗力，因此各国海军都十分重视舰载设备抗冲击能力的考核试验[1-2]。

实船水下非接触爆炸冲击试验、浮动冲击平台试验和冲击机试验是目前考核舰载设备抗冲击能力的三种主要手段[3-4]。实船水下非接触爆炸冲击试验成本昂贵，试验次数有限，难以得到有统计意义的试验结果，而且舰艇冲击试验具有一定的破坏性，有时试验当量无法全面达到真实的战场冲击环境强度。国外浮动冲击平台可以对最大质量为181 t的设备进行冲击试验考核，但是浮动冲击平台试验需要在爆炸水池中进行，并且需要用真实TNT炸药爆炸产生冲击源，操作较复杂且存在一定危险性。

用冲击试验机开展舰艇设备冲击试验是目前各国普遍采用的方法[5-8]。美国于1989年制定的军用规范MIL-S-901D和德国于1985年制定的舰艇冲击新军标BV043/85，皆规定了舰载设备和系统冲击机试验要求，以考核舰载设备抗冲击能力，并作为舰载设备的冲击验收标准。

水平冲击试验台是用来对舰载设备抗冲击能力进行考核的重要试验设备。舰载设备在水平冲击考核试验中由于冲击点与设备的重心不在同一个水平面上而产生巨大的倾覆力矩，因此水平冲击试验台一定要有导向装置来承受该倾覆力矩。一些小型水平冲击试验平台都是采用导轨作为导向装置[9-10]，对于考核大中型设备的冲击试验平台，倾覆力矩足以让导轨发生变形，冲击试验时导向可能出现卡死导致试验意外终止。因此提出一种挠性板导向的水平冲击试验台以避免导轨导向时卡死问题，并对其进行有限元计算和分析，对后期水平冲击试验台结构的选取与设计提供一定的参考依据。

1 水平冲击试验台的组成及工作原理

水平冲击试验台主要由冲击台、冲击缸、阻尼缸和大质量基础组成，如图1所示。在大质量基础下面和前、后两端都布置有隔振器，用于防止系统的冲击振动对周围环境的影响。冲击台通过挠性板与大质量基础相连，被测设备安装在冲击台上。冲击缸和阻尼缸也安装在大质量基础上。试验时，冲击锤在液压力的作用下加速运动，与冲击台发生碰撞，产生正波冲击，冲击台推动阻尼缸的活塞，之后冲击台逐渐停下，产生负波冲击，冲击试验机就是要模拟舰艇设备在正、负波冲击下设备结构的响应。

图1 冲击试验台简图

因被试设备安装在冲击台面上，冲击锤沿着水平方向高速撞击冲击台的中心，由于冲击点偏离设备重心，因此设备会对冲击台产生巨大的倾覆力矩，不仅对冲击台的强度要求很高，而且挠性板还要承受相应的倾覆力矩。挠性板在冲击过程中会变形吸收冲击能量，对波形产生会有一定的影响，因此设计时不仅需要计算冲击台和挠性板的强度，而且还要分析冲击台的运动规律。

2 挠性板与冲击台有限元计算模型

建立图2所示的冲击试验台有限元模型，其中设备重5 t，重心高1 m。台体长2.7 m，宽2.2 m，高0.4 m，重7.5 t。挠性板端部厚度为0.02 m，尾部厚度为0.01 m，高1.5 m，其材料为弹簧钢60Si2MnA，密度为7 900 kg/m2，弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3。

图2 冲击试验台有限元模型

此冲击台最大冲击速度设计值为4 m/s，台体水平方向最大位移设计值为94 mm，台体正波峰值加速度设计值为571 m/s2，台体负波峰值加速度设计值为175 m/s2。 冲击台输出波形为正半正弦波加负半正弦波(见图3)，图中正半正弦波宽度t1为7 ms～11 ms，负半正弦波宽度(t2-t1)为20 ms～36 ms。

图3 冲击台理论波形

3 挠性板与冲击台计算及分析结果

在最长脉宽的工况下(t1= 11 ms，t2= 47 ms)，冲击台发生的水平位移最大，挠性板所受弯曲应力最大，为此需要计算该工况下台体的运动规律及挠性板应力。冲击力和阻尼力都按照正弦波加载，冲击载荷脉宽11 ms，阻尼载荷脉宽36 ms，冲击锤达到的最大速度为4 m/s。加载冲击力和阻尼力如图4所示。

图4 冲击力和阻尼力曲线

在正、负波冲击过程中台体水平方向位移、速度、加速度响应值曲线分别如图5～图7所示。

图5 台体水平方向位移曲线

图6 台体水平方向速度曲线

图7 台体水平方向加速度曲线

由图5～图7可知，正波冲击过程中设备受到很大的倾覆力矩并向冲击缸一侧倾斜，且正波冲击过后设备仍然处于振荡状态，因此台体输出负波含有高频分量，使台体输出负波加速度波形呈锯齿状。

在冲击过程中挠性板会储存弹性势能，对试验波形有一定的影响。台体最大位移设计值为94 mm，计算值为89.5 mm，减少了4.8%。台体最大速度设计值为4 m/s，计算值为3.93 m/s，减少了1.75%。台体正波峰值加速度设计值为571 m/s2，计算值为532 m/s2，减少了6.8%。台体负波峰值加速度设计值为175 m/s2，计算值为183 m/s2，增加了4.6%。

此外，台体在竖直方向的位移如图8所示，其最大值为3.5 mm，说明挠性板在垂直方向形变较小。

图8 台体竖直方向位移曲线

冲击阶段试验台最大应力位置为挠性板根部固定处，最大应力分布如图9所示，其值为513 MPa，小于弹簧钢的屈服极限。

图9 挠性板应力分布

4 结论

水平冲击试验机冲击点在冲击台的水平中心，被试设备重心距离冲击台水平中心的距离称为偏心距，由于被试设备较高，因此偏心力矩很大。为此通过有限元方法计算了挠性板导向的水平冲击试验台在正、负双波冲击下的动态响应及其挠性板的强度，发现以挠性板作为冲击试验台的导向装置，虽然在冲击过程中挠性板会储存弹性势能对输出冲击波形有一定影响，但是其输出响应峰值与设计要求值偏差较小，能够满足冲击试验台对设计波形的要求，所以此方案可行。

[ 1 ] Gene R, Maurice B. 50th anniversary lecture the evolution of spectral techniques in navy shock design [J]. Shock and Vibration Bulletin, 1983, 3(1): 59-70.

[ 2 ] 冯麟涵, 汪玉, 杜俭业. 水面舰艇非典型安装设备冲击环境特征 [J]. 哈尔滨工程大学学报, 2012, 46(8): 972-977.

[ 3 ] 汪玉, 华宏星. 舰船现代冲击理论及应用 [M].北京：科学出版社, 2005.

[ 4 ] 周璞. 舰船设备反冲力动力响应的仿真计算及其研究 [D]. 上海：上海交通大学, 2011.

[ 5 ] 德国国防装备技术和采购局. 德国国防军舰建造规范——冲击安全性：BV0430-85[S]. 1987.

[ 6 ] 国防科学技术工业委员会.军用设备环境试验方法——冲击试验：GJB150.18-86[S]. 1986.

[ 7 ] 国防科学技术工业委员会.舰船环境条件要求——机械环境：GJB1060.1-91[S]. 1991.

[ 8 ] Kamaya M, Taheri S. The dynamics of three-dimensional underwater explosion bubble [J]. Nuclear Engineering and Design, 2008, 238(9): 2147-2154.

[ 9 ] Bahrani N, Valley B. Calculating the Effect of Surface or Underwater Explosions on Submerged [J].Structural Safety, 2011, 34(12)：381-389.

[10] Schmied J, Krämer E. Acoustic signals of underwater explosions near surfaces[J]. Journal of Sound and Vibration, 2013, 227(4): 469-480.

[11] 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.

[12] 姚熊亮, 刘东岳, 赵新, 等. 大型复杂舰船设备抗冲击动态特性研究[J]. 哈尔滨工程大学学报,2008,29(10):1023-1029.

The Strength and Motion Law Analysis of the Horizontal Shock Testing Machine Guided by the Flexible Plate

JIANG Yong-bo, ZHANG Ming-yuan， YAN Ming

( School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang Liaoning 110870， China)

The horizontal shock testing machine can be used to test the impact resistant ability of the shipboard equipments, but the shock testing machine guided by the lead rail possible is likely to occur stuck fault during working. Therefore， the horizontal shock testing machine, which guided by the flexible plate was put forward. To verify the feasibility, using the finite element method to analyze the output waveform of the shock testing machine and the stress distribution of the flexible plate. Then find out the flexible plate stored elastic energy in the process of impact which has a certain influence on the testing waveforms. The test-bed theoretical value of maximal displacement is 94 mm, the calculated value is 89.5 mm, the decrease is 4.8%. The test-bed theoretical value of maximal speed is 4 m/s, the calculated value is 3.93 m/s, the decrease is 1.75%. The test-bed theoretical value of positive wave peak acceleration is 571 m/s2, the calculated value is 532 m/s2, the decrease is 6.8%. The test-bed theoretical value of negative wave peak acceleration is 175 m/s2, the calculated value is183 m/s2, the increase is 4.6%. Therefore, the flexible plate as a guide equipment can satisfy the theoretical requirement of the shock testing machine for waveform.

Shipboard equipments Impact Test-bed Flexible plate Waveform

蒋永博(1990-)，男，硕士，从事舰艇设备抗冲击方面的研究。

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