水下爆炸作用下高速摄像机抗冲隔振系统设计与动态特性分析

高浩鹏， 张姝红， 冯麟涵

(1. 中国人民解放军91439部队， 大连 116041； 2. 海军装备研究院 舰船所，北京 100161)

水下爆炸作用下高速摄像机抗冲隔振系统设计与动态特性分析

高浩鹏1， 张姝红1， 冯麟涵2

(1. 中国人民解放军91439部队， 大连 116041； 2. 海军装备研究院 舰船所，北京 100161)

以计算多体动力学理论为指导，以水下爆炸试验时高速摄像机光测手段的应用为背景，设计了高速摄像机的抗冲隔振系统，建立了高速摄像机抗冲隔振系统的多体动力学模型；建模过程引入缩比模型试验数据，提高了模型的可靠性。基于该模型，分析了水下爆炸冲击因子为0.4时抗冲隔振系统的动态特性，结果表明抗冲隔振系统具有良好的缓冲效果，满足高速摄像机的抗冲击指标，通过试验验证了抗冲隔振系统设计的正确性。其中抗冲隔振系统的设计、建模、校核及分析方法不失一般性，可应用于其它电子设备。

水下爆炸； 钢丝绳隔振器； 多体动力学； 高速摄像机； 缩比模型

电测和光测是目前水下爆炸试验中的两种主要测量方法[1]，这两种方法在测量参数及应用上都有一定的互补性。高速摄影技术作为一种典型的光测方法，在水下爆炸试验测量中应用越来越广泛[2]，其主要实现水下爆炸试验中目标总体毁伤[3]、结构变形、开裂尺寸、破坏形状、冲击速度、位移，装药气泡脉动，聚能装药爆炸射流速度、直径、长度等参数测量[4]。目前，国内外开展的水下爆炸高速摄影测量主要在爆炸筒、水池中实现[5-6]，而在海水中实现高速摄影测量的一个难题就是：受海水的光学特性、海水的透明度、水下照明光源、高速摄像机参数指标、拍摄频率和曝光时间等因素限制，高速摄影拍摄距离仅有数米，这就要求高速摄像机在拍摄时接受可靠的抗冲隔振措施。

本文研究的目的就是解决高速摄像机海水中近爆源拍摄的抗冲隔振问题。文中的抗冲隔振研究是在高速摄像机水下防护装置设计平台的基础上进行的，防护装置设计主要考虑高速摄像机尺寸、防护装置水动力特性、加工制造工艺、强度等因素，为高速摄像机提供一个稳定安全的承载平台，该防护装置形状类似潜艇外形。抗冲隔振研究的内容主要涉及高速摄像机冲击环境测量与分析、隔振系统设计与建模、抗冲隔振系统动态特性分析、试验验证等内容。

1 冲击环境测量与分析

高速摄像机通过抗冲隔振系统安装于防护装置内，试验时防护装置遭受近距离水下爆炸产生的冲击波等载荷作用，对抗冲隔振系统的设计首先应分析其冲击环境，文中设计缩比模型试验对其冲击环境进行测量与分析。

1.1 缩比模型试验设计

参照CB/Z 272—2004水面舰艇舱段模型水下爆炸试验方法，水下非接触爆炸缩比模型比例应不小于1∶10，当缩比不小于1∶4时相似性更好[7]，取防护装置缩比模型与原结构尺寸比例为1∶3，即缩比模型长300 mm、外径110 mm、内径100 mm，材料为316L钢，整体质量为6.3 kg。试验在某单位深水爆炸压力筒内进行，缩比模型实物如图1所示。

图1 缩比模型实物图

试验根据冲击因子由小到大设计工况，本文重点分析冲击因子最大时的工况，即冲击因子为0.4。试验时爆源和防护装置水平吊放悬布于爆炸筒内，爆源与防护装置轴线为同一深度且之间距离1.12 m、爆源药量为200 gTNT，防护装置迎爆面为大端面，加速度测点焊接在迎爆面内侧，示意图如图2所示。

图2 缩比模型设计及加速度测点布设示意图

1.2 测量结果及分析

文中主要对测点的垂向和轴向加速度进行测量，采样频率为50 k，测量结果如图3所示。可以发现冲击加速度曲线上主要有两个峰值，第一峰值由入射冲击波载荷作用产生，第二峰值由爆炸筒筒壁反射冲击波汇聚所导致。入射冲击波载荷作用的垂向和轴向最大加速度值分别为1 206g和4 226g，反射冲击波汇聚作用的垂向和轴向最大加速度分别为1 883g和3 990g。对加速度结果分析可以发现在频域2 000 Hz内加速度峰值较大，符合冲击波作用的特点。

2 抗冲隔振系统设计及建模

上小节主要基于缩比模型试验得到了相应工况的冲击环境，下文在没有特殊说明时所有模型和实物为实尺度。

2.1 抗冲隔振系统特性参数计算

(a) 垂向

(b) 轴向

(1)

2.2 隔振器选型及安装结构设计

根据轴向刚度计算数据，为了保证系统的稳定性，其刚度取计算数值的上限附近，即轴向上安装2组GS-15型钢丝绳隔振器；为了保证抗冲隔振系统固有频率的一致性，横向和垂向上各布置6组GS-6型钢丝绳隔振器。为了确定隔振器的布设及安装方式，文中对防护装置进行了模态分析，分析结果如表1所示，前2阶模态振型如图4所示。由表1及图4可知：防护装置的第一阶频率远高于普通钢丝绳隔振器的固有频率；低阶模态主要表现为吸胀，刚度值较大；低阶模态频率的节点主要位于结构两端，隔振器设计时隔振器的位置应该靠近两端；吸胀模态的角度间隔为120°或者30°，所以在隔振器设计时周向取间隔90°，以避开模态幅值点。综上，钢丝绳隔振器的布设形式如图5所示，即2组GS-15型钢丝绳隔振器分布于后端盖，12组GS-6型钢丝绳隔振器45°斜置布设于圆柱壳体内壁周向4处；12组GS-6型钢丝绳隔振器支撑4根导轨，相机通过隔振橡胶垫保护后安装在相机安装支架上，整个支架通过4根导轨推入到防护装置内部；为了避免安装时对防护装置前端的抗爆玻璃造成损坏，相机安装支架与防护装置之间设计有限位器件。

表1 防护装置模态频率及振型描述

图5 钢丝绳隔振器布设及安装结构示意图

2.3 抗冲隔振系统建模

在抗冲隔振系统结构设计的基础上对其进行实体建模，并建立其计算多体动力学分析模型，如图6所示。其中，相机安装支架与导轨之间添加滑移副，即两者之间在轴向上可以有相对位移；GS-15和GS-6钢丝绳隔振器主方向的刚度分别为150 N/mm、60 N/mm，阻尼比取为0.12[9]；冲击激励的加载基于大质量法，激励源选取缩比模型试验中入射冲击波阶段的加速度数据，在多体动力学中通过样条函数进行加载[10]，加载激励时域曲线如图7所示(实线为垂向，虚线为轴向)，加载点位于防护装置前端抗爆玻璃中心处。

图6 隔振系统计算多体动力学模型

图7 冲击激励加载时域曲线

3 动态特性结果分析

3.1 加速度结果校核

加速度值是高速摄像机一项主要抗冲击指标，故基于文中建立的多体系统动力学模型对相机的加速度响应进行分析。考虑到模型初始条件，水下爆炸产生的冲击激励加载从0.15 s开始，图8列出了相机质心的加速度时域曲线，其中垂向、轴向的最大值分别为64.8g、22.7g，最大值产生于激励后的时间分别为0.6 ms、9.8 ms、，垂向衰减率约为94.7%、轴向衰减率约为99.4%。垂向加速度最大值出现在冲击激励时间内，轴向加速度最大值出现在冲击激励结束后，主要是由于隔振系统垂向刚度较大，垂向加速度响应值大于轴向也是这个原因。加速度响应结果表明最大值小于高速摄像机的抗冲击指标，即该工况下高速摄像机可正常工作。

(a) 垂向

(b) 轴向

3.2 位移结果校核

为了校核钢丝绳隔振器工作的可靠性，文中对钢丝绳隔振器的动态变形量进行了分析。图9为GS-15隔振器动态变形曲线，其垂向和轴向最大变形分别为2.7 mm、10.7 mm，对应的时刻分别为冲击激励后2.8 ms、12.7 ms；可见，最大变形时刻都出现在激励结束后，最大变形量小于该隔振器的允许值22 mm。

图9 GS-15隔振器动态变形时域曲线

图10中(a)为一条导轨上3个GS-6隔振器的动态变形曲线，对应的垂向幅值分别为6.0 mm、4.6 mm、3.6 mm，对应的时刻分别为冲击激励后5.9 ms、5.1 ms、3.8 ms，顺序为依次从迎爆端面到尾部锥形。可以发现，最大变形时刻也都出现在激励结束后，最大变形量小于该隔振器的允许值26 mm。图10中(b)为靠近迎爆面GS-6隔振器的轴向动态变形曲线，理论分析导轨与相机安装支架之间可以产生相对位移进而GS-6隔振器在轴向不会产生变形，但由于导轨与相机安装支架之间摩擦力的作用使得GS-6隔振器在轴向产生小的变形。另外分析可以发现：所有隔振器的变形使得相机安装支架产生刚性位移，但位移量较小，即保证了高速摄像机工作的稳定性，使得高速摄像机可正常对焦。

(a) 垂向

(b) 轴向

3.3 试验验证

根据抗冲隔振系统的设计方案，加工制作的防护装置和抗冲隔振系统实体如图11所示。依据冲击波载荷爆炸相似等效性，选用1 kg黑索金作为爆源，爆源与防护装置悬布于海水中且距海面距离相同，爆源距摄像机防护装置前端距离3.54 m，在海水中实施2次爆炸试验，试验结束后对摄像机的状态进行检查。试验主要对自由场压力进行测量，结果表明：在爆源为1 kg黑索金、防护装置前端冲击波峰值压力为15.1 MPa的爆炸条件下，摄像机工作正常，即抗冲击缓冲装置性能满足摄像机抗冲击防护要求。

(a) 防护装置

(b) 隔振系统

4 结 论

本文主要针对高速摄像机海水中近爆源拍摄时抗冲隔振系统的设计、建模及动态校核的方法进行研究。其中，设计过程主要包括隔振系统的特性参数初步计算、钢丝绳隔振器选型与安装方式、隔振系统的结构设计等问题；建模主要基于计算多体动力学方法，冲击激励的添加基于缩比模型的试验数据，提高了模型的可靠性；动态校核基于文中建立的多体动力学模型，主要针对加速度和位移两个参数进行校核，结果表明抗冲隔振系统设计的正确性。文中在实际系统加工完成后通过试验验证了抗冲隔振系统设计的可靠性，结果表明高速摄像机在相应工况下可正常工作。文中设计及分析过程可反复计算进而对隔振系统进行优化，过程不失一般性，可应用于水下爆炸作用时电子设备的抗冲防护，不足之处是建模过程中未能考虑到橡胶垫的缓冲作用、钢丝绳隔振器的非线性特性以及实际安装时钢丝绳隔振器的预压缩变形等。

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Design and dynamic characteristics analysis for a high-speed camera’santi-shock and vibration isolation system subjected to underwater explosion

GAO Haopeng1， ZHANG Shuhong1， FENG Linhan2

(1. Unit 91439 of PLA， Dalian 116041， China； 2. Institute of Navy Vessels, Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)

With the instruction of the computational multi-body dynamics theory, taking optical measurement application in high-speed camera under underwater explosion tests as the background, the anti-shock and vibration isolation system of the high-speed camera was designed, then the multi-body dynamic model for the system was constructed. The reliability of the modeling process based on the scale model test data was improved. Based on the model, the dynamic characteristics of the system were analyzed under the underwater explosion test condition with the shock factor of 0.4. The results showed that the designed system has a good buffering effect and the system meets the anti-shock requirements of the high-speed camera; the design correctness of the system is validated with tests; the design, modeling and analysis method here can be widely applied in other electronic equipments.

underwater explosion; wire-rope isolator; multi-body dynamics; high-speed camera; scale model

国家自然科学基金(51209215)

2015-12-08 修改稿收到日期：2016-02-18

高浩鹏 男，博士，工程师，1986年生

TB532

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.09.031