三向大变形抗冲击平台仿真技术研究

郭云松，张 乾，彭勇晟，丁 炜

（中国船舶重工集团公司第七○四研究所，上海 200031）

三向大变形抗冲击平台仿真技术研究

郭云松，张 乾，彭勇晟，丁 炜

（中国船舶重工集团公司第七○四研究所，上海 200031）

随着现代舰船试验冲击环境严酷度的提高，需对冲击试验测量用仪器进行更有效的冲击防护。抗冲击仪器平台通过三向大变形抗冲击设计，并运用冲击仿真技术研究为试验用测量仪器提供一个可靠稳定的抗冲击工作环境，同时提供可靠稳定的电源环境以及便捷的操作空间。抗冲击平台选用大变形空气弹簧，采取拼装式框架设计，样机的实船安装满足了平台的安装功能要求。仿真计算结果说明三向大变形抗冲击平台方案所选用的抗冲击元件能够满足台体的变形位移要求，所选取的台体材料在冲击环境下未超出其许用应力范围。

振动与波；大变形，抗冲击，抗冲平台，空气弹簧，UPS

实船水下爆炸冲击试验是舰船抗冲击技术研究的重点内容[1–2]，试验结果通过在试验过程中所采集的各种信号数据进行判断及分析[3–4]，试验冲击环境为强冲击环境，当前测试单位在试验过程中所使用的测试、测量仪器大多为试验室、工业级测试测量设备，主要包括动态信号采集仪、电荷放大器、控制计算机及不间断电源等，本身耐冲击能力较弱，无法满足实船试验的需求。因此对测试仪器进行稳妥、可靠的冲击防护，测量数据能够可靠地获取是整个防护研究的重点。

三向大变形抗冲击平台采用具有大变形能力的空气弹簧作为缓冲元件，用以吸收瞬态冲击能量，并配有阻尼气室对冲击能量进行阻尼损耗。为保证测量仪器在试验全过程可正常工作，降低平台系统频率、增加变形空间成为主要设计方向。

1 抗冲击平台结构设计

根据实际使用的环境状态，抗冲击平台需满足：台面尺寸不小于1.2 m×1.2 m，能够完成现有舱室内安装，并可便捷化固定试验测试仪器，集成化供电，同时在所预测强冲击环境条件下，平台所承载测试仪器三向冲击加速度响应不大于10 g的功能要求。

1.1 抗冲击平台结构组成

根据抗冲击平台的需求，选用具有大变形能力的低频三球体空气弹簧（FT76-20型）作为主要的抗冲击元件，通过辅助气室设计调节空气弹簧系统阻尼以保证平台系统稳定性，同时尽可能选取了标准化、轻量化型材用于平台结构的模块化拼装设计。抗冲击平台主要由：工作平台、空气弹簧、辅助气室、横向支座及UPS电源等模块组成，结构示意如图1。

图1 抗冲击平台结构示意图

1.2 抗冲击平台结构设计

抗冲击平台多为现役船舶加改装使用，在设计过程中需考虑可拆装设计以便搬运与组装[5]。工作平台尺寸较大，同时冲击环境下受力复杂，其结构设计是重点。工作平台选用钢质型材通过搭接组合成“井”字结构后采用螺栓紧固而形成的框架结构作为主要承载结构，工作平台框架部套件及组装示意如图2所示。

图2 工作平台框架组合示意图

由于各次测量任务所选用仪器组合的差异性及台面轻量化考虑，台面选用高硬度铝合金型材拼装铺设，型材自身具有固定仪器设备用的槽口，根据测试仪器的布放位置先安装固定用拉手，然后通过扎带棘轮灵活固定测试仪器，台面所用型材结构示意如图3所示。

图3 台面型材结构示意图

1.3 抗冲击平台组装

根据结构拼装设计，抗冲击平台安装时首先将“辅助气室”、“横向支座”及“空气弹簧”按结构布置要求通过螺栓安装于设备基座上，安装示意如图4所示。

图4 辅助气室等安装示意图

在舱室内组装工作平台框架后，将框架结构与图4所示的空气弹簧相连接。根据工作平台框架的工作高度完成空气弹簧充气工作，安装示意如图5所示：

图5 平台框架组装示意图

最后完成台面铺板及测试所用仪器设备的安装工作。

根据平台结构设计方案，按照1:1尺寸制造了抗冲击平台的样机，平台样机结构及实船安装如图6所示。

图6 抗冲击平台样机

抗冲击平台采用框架结构搭接，螺栓、螺母紧固方式，安装可靠方便，仪器布置灵活，可满足现场实际使用的需求。

2 抗冲击平台动力学计算

2.1 工作模态计算

抗冲击平台的工作模态可以反映出，当仪器设备固定于平台后，成为工作系统的稳定性情况，通过模态计算可以得到抗冲击性能的初步评估结论。图1所示平台结构经适当简化后，采用MSC公司的仿真软件进行计算[6–8]。台体采用MSC.Patran软件实体建模，UPS电源及搭载仪器采用质点简化，UPS及测量设备作为质点通过MPC与台体连接。抗冲击平台模态由MSC.Nastran有限元软件计算。有限元计算模型见图7。

图7 抗冲击平台有限元计算模型

单元类型：

1)零维MASS质点单元；

2)二维BUSH弹簧单元；

3)三维SOLID实体单元。

边界条件：采用基础连接螺栓位置全自由度约束。

材料的计算参数如表1所示。

表1 材料参数

空气弹簧性能参数根据产品样本中“力-高度”曲线进行估算，计算参数如表2所示。

表2 弹性元件参数/(N∙mm-1)

经计算，平台系统前10阶固有频率如表3所示。前6阶为平台系统频率，频率较低，有利于冲击缓冲，冲击变形较大。第7阶模态为台体作为弹性体的扭转模态，频率为102.17 Hz；第8阶模态为台体弯曲模态，频率为106.39 Hz；第9阶、第10阶为平台面板局部模态，频率为125.63 Hz和128.84 Hz。由计算可知，平台刚性较好，可以避免冲击发生时局部共振对测试设备的影响。

表3 模型前10阶频率/Hz

2.2 抗冲击计算

根据抗冲击平台安装位置预测的垂向及横向输入冲击环境要求（如图8），进行台面加速度响应、台面冲击相对位移及台体结构冲击应力响应的预测仿真计算，计算采用MSC.Nastran软件的瞬态时域冲击模块进行仿真计算并分析。

经计算抗冲击平台台面最大加速度响应及台面最大相对冲击位移如表4所示，计算结果显示两个方向上冲击最大加速度响应均小于10 g，满足技术指标要求。

由于工作平台与辅助气室、横向支座之间采用大变形空气弹簧连接，工作平台在瞬态冲击完成后进行低频大位移震荡，空气弹簧两侧结构件在整个冲击历程中最大结构应力发生的时刻点不同，因此，分别选取空气弹簧两侧结构件的最大冲击应力进行分析。辅助气室及横向支座最大冲击应力响应云图如图9(a)和9(c)所示，工作平台最大冲击应力响应云图如图9 (b)和图9(d)所示。由结果可以得出两个方向上冲击响应的最大应力为134 MPa，发生在工作平台结构与空气弹簧连接处，如图9(b)所示，小于选用材料的许用应力，工作平台在实际使用中是安全的。

图8 输入时域波形

图9 冲击应力响应结果

表4 冲击响应计算结果

3 结语

抗冲击平台选用了大变形空气弹簧，作为抗冲击元件采取了拼装式框架设计，样机的实船安装满足了平台的安装功能要求。

通过大型仿真计算软件从冲击最大响应加速度、冲击相对位移、结构最大冲击应力等方面的仿真计算结果说明三向大变形抗冲击平台方案所选用的抗冲击元件能够满足图8冲击环境下台面加速度响应垂向与水平向均小于10 g的要求，同时所选取的台体材料在冲击环境下满足许用应力范围。

抗冲击平台具有优异的抗冲击性能，设计技术与方案可行，但由于现有条件限制，冲击机不能完全按照图4所示仿真输入曲线进行冲击输入，实际抗冲击效果可待实船试验进一步验证。

[1]吴静波.实船水下爆炸冲击试验测量技术[J].科技导报，2009，27(14)：42-47.

[2]刘建湖.舰船非接触水下爆炸动力学的理论与应用[D].无锡：中国船舶科学研究中心，2003.

[3]罗松林.水下爆炸研究现状[J].工程爆破，1999，3：84-87.

[4]蒋国岩.水下爆炸研究现状及发展方向展望[J].科技导报，2009，27(9)：87-90.

[5]郭云松.测试仪器缓冲技术及平台研究[J].噪声与振动控制，2012，32(6)：74-77.

[6]MSC软件公司.MSC产品实用技术技巧[M].北京：中国水利水电出版社，2006：289-302.

[7]赵应龙.船舶浮筏隔振系统冲击响应的时域计算[J].噪声与振动控制，2004，24(2)：14-17.

[8]田利思.MSC Nastran动力分析指南[M].北京：中国水利水电出版社，2012：84-93.

Simulation ofAnti-shock Buffering Platform with Large Deformations in 3 Directions

GUO Yun-song,ZHANG Qian,PENG Yong-sheng,DING Wei
（704 Institute of CSIC,Shanghai 200031,China）

The equipment for impact testing needs effective buffering protection under the rigorous shock environment. A new buffering platform with 3-direction large deformations can provide a reliable working environment for the testing equipment on the platform.Meanwhile,it can provide a stable power supply and a sufficiently large operating space in the progress of impact test.Buffering platform is an elastic platform that consists of large deformations air spring swith air damping cavity,which configures an isolation transformer and a continuous high power supply from the ship electrical power system.Based on the numerical analysis by MSC.Nastran software,laboratory test and practical equipment impact test,it is demonstrated that the buffering platform with the testing equipment is a necessary protection device for reliably acquiring testing data during the impact test.

vibration and wave;large deformation;anti-shock buffering;platform;air spring;UPS

V216.+5

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.03.037

1006-1355(2017)03-0185-04

2017-01-16

郭云松（1979－），男，辽宁省喀左县人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为船舶辅机设备减振降噪抗冲击研究。E-mail:kayunsong@163.com