水下非接触爆炸舰员抗冲击防护地板设计与试验

周欣，王汝夯，李冰，周健

1海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海201913 2中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

0 引 言

水面舰船在特定的航行环境下可能会遭受水下非接触爆炸，从而导致船体产生剧烈的冲击运动，其中尤以垂向冲击较为猛烈。若不采取有效的冲击防护措施，船体冲击载荷传递到底部舱室，会使舱室中的舰员遭受中度以上人体损伤，在一定时间内不能恢复正常工作，甚至会危及舰员生命安全，从而严重影响舰员战斗力。针对舰船冲击，国内外研究人员建立了较为完备的舰船结构和设备冲击载荷、冲击损伤、抗冲击设计以及考核试验的技术体系，而针对舰员的冲击防护研究则起步较晚。Mahone［1］和 Payne等［2］研究了坐姿状态下舰员在舰船不同位置处对水下冲击的生物力学响应，并对损伤危险性进行了评估。唐德高等［3］对舰员承受爆炸冲击的耐受限标准予以了研究。张玮等［4］、刘新祥等［5］和黄建松等［6-7］建立了人体集中参数模型，研究了人体在坐姿、站姿和行走状态下对水下爆炸冲击的响应，并开展了舰员冲击损伤评估，为水面舰船非接触爆炸冲击的舰员冲击限值和防护措施效果考核提供了依据。在舰员冲击防护方面，吴静波等［8］和张磊等［9］在人体—地砖冲击响应模型的基础上，研究了抗冲击地砖的防护效能，以及用于人体冲击防护的抗冲击头盔［10］、抗冲击鞋［11］及抗冲击座椅［12］等。

上述舰员冲击防护措施均能为舰员提供一定的抗冲击防护作用，但要为冲击环境恶劣的战位提供区域化的舰员抗冲击平台，目前仅有抗冲击地砖一种措施。为了提升舰员抗冲击设计及各种防护措施的防护效果，本文将在分析由水下非接触爆炸引起的冲击环境以及舰员抗冲击安全范围的基础上，研究设计一种具有非线性变刚度力学特性的抗冲击弹性地板，并在冲击台模拟的中、重度冲击环境下对其冲击防护效果进行验证和评估。

1 水下非接触爆炸舰员冲击环境及安全范围

由水下非接触爆炸引起的冲击环境是开展舰员冲击防护设计与考核的基础输入。水面舰船非接触爆炸冲击具有冲击加速度大、峰值压力高、持续时间短的物理特征。由于水面的衰减作用，水面舰船的非接触爆炸冲击响应是以垂向为主。水面舰船在遭受非接触爆炸时，各个战位舰员的冲击环境一般通过实船非接触爆炸来测量或是通过数值模拟方法得到。在水面舰船的设计阶段，通常采用数值模拟方法来获得舰员冲击环境，而实船爆炸一般用于实船抗冲击性能考核。

文献［13］根据设定的水下非接触爆炸工况，采用二阶双重渐近近似方法（DAA2），对爆炸冲击波及舰船结构的响应模型予以了模拟，并采用有限元软件计算得到了舰船各部位的冲击环境。从得到的舰船冲击环境数据可以得出：1）舰船底层甲板或战位所承受的冲击作用时间最短，但冲击加速度最大；2）自下层甲板往上，冲击加速度逐渐减小，但作用时间依次增加；3）船体舯部的冲击加速度普遍高于船的艏、艉部；4）位于中、底层甲板的舱室，如机舱、集控室等部位的冲击环境较为恶劣。

根据GJB 2689-1996《水面舰艇冲击对人体作用安全限值》标准［14］，人体坐姿对冲击的耐受值要大于站姿，因此将站姿下的人体冲击限值作为人体冲击安全评估标准。当舰船的冲击作用时间小于15 ms时，冲击损伤主要取决于冲击速度大小，即轻度损伤的速度范围为2.2～3.0 m/s，中度损伤的速度范围为3.0～4.0 m/s，重度损伤的速度范围大于4.0 m/s。当舰船冲击作用时间大于15 ms时，冲击损伤主要取决于冲击加速度，安全冲击加速度的限值小于140 m/s2。舰员冲击环境安全范围可以作为评估冲击环境优劣、是否需要采取舰员冲击防护措施的依据，也是考核舰员抗冲击防护措施实际效果的参考限值。

2 现有的舰员冲击防护措施

根据舰员非接触爆炸冲击环境评估结果及冲击防护安全限值，需对舰船冲击环境恶劣和舰员战位密集的部位采取必要的舰员冲击防护措施，衰减冲击载荷对舰员的损伤。目前，水面舰船的舰员冲击防护主要采取以下措施：

1）为可能受到冲击损伤的舰员配备人体防护用具，如抗冲击头盔、抗冲击鞋等；

2）为重要战位的坐姿舰员配备抗冲击座椅；

3）为人员密集、冲击环境恶劣的部位铺设抗冲击平台，如抗冲击地砖等。

舰员穿戴的冲击防护用具在装具内设置有冲击缓冲层，可增大人体的受力面积或缓冲吸收冲击载荷，在冲击导致舰员飞离或跌倒时能减轻人体重要部位受到的损伤。但该种措施仅能对离散的舰员身体局部起防护作用，且装具的配置数量和佩戴受舰船布置空间的限制，难以满足大量舰员在发生冲击时保持作业能力的要求，仅能作为辅助措施加强重点战位和舰员的防护效果。

能为舰员密集的重要部位提供区域化安全冲击环境的措施目前仅有抗冲击地砖。抗冲击地砖是一种由橡胶制成的蜂窝状六角形薄壁柱状单元构成的组合体。每个橡胶抗冲单元在受到冲击时会变形塌陷，形成一个具有阻尼缓冲作用的类气囊构造。通过大量的实验验证［7-9］，显示在冲击环境下，抗冲击地砖可以保护地砖上舰员的安全，但在应用过程中，也反映出舰员在地砖上行走时有脚感不适、橡胶易老化及维护不便等缺点。

对舰员冲击防护措施效果的评估，通常采用隔冲率（隔冲率=（输入冲击平均加速度-输出冲击平均加速度）/输入冲击平均加速度×100%）作为考核各项防护措施实际效果的表征量。现有的舰员冲击防护措施及防护效果如表1所示。

表1 现有的舰员冲击防护措施及效果对比Table 1 Existing measures of shock protection for seamen and effects comparison

从表中可以看出，虽然目前用于舰员抗冲击防护的措施有多种，但从文献［7，10-12］中公开的防护效果数据来看，冲击防护用具的隔冲效果明显低于抗冲击地砖，且防护范围也不够全面。可见，研究能为舰员提供区域化安全环境的抗冲击平台是舰员冲击防护的发展趋势。

3 抗冲击弹性地板

为进一步提高舰员冲击防护效果，改善舰员工作环境的舒适性和安全性，本文借鉴舰船设备抗冲击隔离系统的理论模型，研究提出了一种舰员抗冲击弹性地板防护平台。

理想的舰员抗冲击防护平台应在非接触爆炸冲击发生时隔离来自船体的冲击载荷，其上表面的冲击响应应满足舰员的冲击安全限值，以保证平台上舰员的安全。在正常工况下，该平台应具有一定的刚度，以保证舰员行走时具有较好的稳定感，且变形小。在冲击作用下，抗冲击平台的刚度将迅速变小，变形量增大，从而具有良好的冲击缓冲效果。因此，抗冲击平台应该是一个具有非线性变刚度的冲击隔离系统，如图1所示。

图1 抗冲击弹性地板的变刚度力学性能曲线Fig.1 Variable stiffness mechanical properties curve of anti-shock elastic floor

将承载了舰员的弹性地板等效为具有阻尼特性的单自由度冲击隔离系统，系统由弹簧—阻尼元件组成，将抗冲击弹性地板的弹性部件称为缓冲装置。图2所示为双正弦冲击脉冲作用下具有阻尼特性的单自由度冲击隔离模型。图中：m表示质量块，代表地板上承载的舰员；a表示速度；a1为最大加速度值。

图2 具有阻尼特性的单自由度冲击隔离系统模型Fig.2 Shock isolation system model of single-degreeof-freedom with damping

当非接触爆炸冲击发生时，假设甲板的冲击位移为u，舰员的冲击位移为x，则运动方程为

若抗冲击弹性地板满足渐软的非线性刚性特性，则其运动微分方程可以表示为

式中：k为缓冲装置的刚度；d1为缓冲装置的变形量。

在冲击作用时间t=0下，δ=0，。对式（1）进行积分，可得

当缓冲装置的相对位移达到其极值δ=δm时，其速度=0 ，于是式（3）可以转换为

式（4）左边的积分表示冲击作用在缓冲装置上的功，右边表示地板上舰员的初动能。将代入式（1），得

式中：δm和分别为相对位移和加速度的最大值；ωn为缓冲区域的冲击响应频率。对于具有如图1所示非线性力学性能的缓冲系统冲击响应频率。将式（5）代入式（4），再经过积分变换，可得到隔离系统的速度响应，如式（6）所示。

传递率是冲击隔离系统中表示传递的运动或力减少的能力度量，为缓冲装置的相对位移幅值与输入激励幅值之比，对于具有阻尼作用的缓冲装置，其传递率TA可表示为

式中：ξ为缓冲装置所取的阻尼系数；ω为冲击输入的激励频率。根据式（7）得到的不同阻尼系数下抗冲击缓冲装置的传递曲线如图3所示。

机械电气一体化技术的发展经历了一个漫长的过程，并在发展的过程中，逐渐形成了一个较为完整的技术体系。从技术层面上来说，机械电气一体化技术属于一种综合性技术，但并不是单纯地将机械技术和电子信息技术等拼接到一起，而是以系统工程为出发点，并将机械技术与现代信息技术进行融合，将整个系统进行优化。在此基础上，按照系统的性能目标规定，对各个性能单元进行科学配置和合理安排，进而实现其特殊的价值。

图3 抗冲击缓冲装置传递曲线Fig.3 Transfer curves of anti-shock damping buffer

根据前文对水下非接触爆炸舰员冲击环境的分析，舰船中、下层甲板的冲击环境以中度和重度冲击为主，对舰员的伤害最大。为了提高重度冲击环境下舰员的冲击防护效果，对于舰员抗冲击弹性地板，选取典型的重度冲击环境［14］（最大速度4.2 m/s，冲击作用持续时间 6～8 ms）作为设计输入，在冲击工况下，系统刚度小于60 N/mm，地板的冲击响应作用时间大于15 ms，平均加速度小于120 m/s2。

依据上述设计要求，通过抗冲击缓冲装置的理论计算，按照式（6）计算得到缓冲系统的最大冲击位移响应δm，即可确定缓冲装置的变形量和压缩行程。由于设备抗冲击隔离系统中钢丝绳隔振器具有较好的非线性渐软的刚度特性，因此抗冲击弹性地板的缓冲装置将钢丝绳作为弹性部件，将气缸作为缓冲阻尼器。依据地板承载的舰员重量m和缓冲区域的冲击响应频率ωn，选取确定钢丝绳弹性体的匝数、钢丝直径等结构参数。然后，按照缓冲装置的传递率曲线，调节气缸阻尼器的阻尼系数，以使缓冲装置能够延长冲击作用时间，起到有效的缓冲作用，从而输出满足设计要求的冲击响应。通过安装框架，将地板、缓冲装置连接为抗冲击弹性地板整体，如图4所示。

图4 抗冲击弹性地板Fig.4 Anti-shock elastic floor

4 性能试验

性能试验是检验抗冲击弹性地板主要性能的重要手段。抗冲击弹性地板用于舰员的冲击防护，除了需要进行本身的性能验证外，还需开展振动环境、毒性、耐腐蚀等舰船环境试验。本文重点研究弹性地板的抗冲击性能，将通过开展刚度性能试验和抗冲击性能试验来验证设计方法的可行性及冲击防护的有效性。

4.1 测试工况

抗冲击弹性地板的刚度性能试验，是通过对缓冲装置施加垂向外力来获得其在各个变形量下承受的载荷。

针对抗冲击弹性地板的抗冲击性能试验，选取舰船典型的中、重度冲击环境作为抗冲击弹性地板的测试工况，如表2所示。

表2 抗冲击性能测试工况Table 2 Performance test cases of anti-shock

4.2 试验对象与方法

刚度性能试验是将单个缓冲装置放置在拉压试验机平台上，通过加压变形来测试得到其在达到最大变形量前的载荷—变形性能曲线，以验证其非线性变刚度的力学性能。刚度性能试验如图5（a）所示。

抗冲击弹性地板的抗冲击试验单元由单块地板和4个缓冲装置组成，采用螺栓与试验平台进行紧固连接，如图5（b）所示。在地板上加装75 kg的标准人体质量以模拟载荷，然后按照测试工况施加半正弦冲击波输入，在地板的上表面安装传感器，测量地板上模拟人质量的加速度与脉冲持续时间等参数，并将传感器测得的冲击加速度时程通过零线修正后积分转换为冲击速度时程曲线，读取最大冲击速度Vmax和达到最大速度的时间tmax。按照式（8），计算得到地板冲击响应的平均加速度为

图5 抗冲击弹性地板的性能试验Fig.5 Performance test of anti-shock elastic floor

4.3 冲击试验系统

冲击试验采用标准电动冲击台，冲击载荷不低于200 kg，最大冲击速度不低于4.5 m/s，具有控制精度高、模拟的冲击运动曲线准确的特点，其输出的半正弦冲击波与理论值间的误差小于5%，各项指标满足试验要求。冲击试验系统原理如图6所示。

4.4 试验结果

在刚度性能试验中，测量抗冲击缓冲装置在0～20 mm变形量下的输出力，得到其刚度性能曲线如图7所示。在试验中，将实测结果与理论值进行了比较，发现两者吻合较好，实现了非线性变刚度力学性能的设计目的。

图6 冲击试验测试系统原理Fig.6 Schematic diagram of shock test system

图7 抗冲击弹性地板载荷—变形曲线Fig.7 Load-strain curves of anti-shock elastic floor

冲击试验中，根据表2所示测试工况，冲击台台面输出的中、重度冲击波时域曲线如图8所示。对模拟质量上表面处的传感器记录数据进行积分处理后，得到响应速度曲线如图9所示。

根据图9所示抗冲击弹性地板的输出冲击速度响应曲线，得到中度冲击环境下达到的最大速度Tmax1=1.815 m/s，达到最大速度的时间，即冲击作用时间约为30 ms，根据式（8），求得输出的平均加速度为60.5 m/s2。重度冲击环境下达到的最大速度Tmax2=2.64 m/s，达到最大速度的时间，即冲击作用时间约为50 ms，输出的平均加速度为52.8 m/s2，如表3所示。

图8 输入冲击加速度—时间曲线Fig.8 Acceleration-time curves of input shock

图9 抗冲击弹性地板输出冲击速度响应曲线Fig.9 Shock response curves of anti-shock elastic floor

表3 抗冲击弹性地板冲击试验结果Tab.3 Shock test results of anti-shock elastic floor

由图9和表3可以得出，在中度冲击环境下，抗冲击弹性地板输出的冲击响应最大速度为1.815 m/s，作用时间约30 ms，根据舰员冲击安全限值标准，抗冲击弹性地板承载的舰员是安全的。在重度冲击环境下，抗冲击弹性地板输出的冲击响应最大速度为2.64 m/s，作用时间约50 ms，抗冲击弹性地板承载的舰员可能发生轻度损伤，需采取抗冲击鞋或头盔等辅助防护措施。在这2种冲击环境下，抗冲击弹性地板的隔冲率均在88%以上，表现出了良好的抗冲击防护效果。

5 结 论

本文通过开展典型舰船非接触爆炸冲击环境下舰员抗冲击防护地板研究，得到以下结论：

1）在舰船非接触爆炸冲击环境中，中、下层甲板舰员集中区域的冲击环境与上层甲板相比更为恶劣，对人体的损伤较大，在目前所采取的多种防护措施中，为舰员提供区域化安全冲击环境冲击防护平台装置的防护效果要优于冲击防护用具，是舰员冲击防护措施研究的发展趋势。

2）借鉴舰船设备抗冲击隔离系统的理论原理，提出了舰员抗冲击防护弹性地板的设计方法，并以舰船中、重度冲击环境为设计输入，设计了具有非线性变刚度力学性能的抗冲击弹性地板，能显著改善恶劣冲击环境或战位密集部位的舰员冲击环境。

3）通过性能试验，对抗冲击弹性地板的非线性变刚度的力学性能和冲击防护效果进行了验证，结果显示，其非线性变刚度力学性能与理论值吻合较好。在模拟舰船中、重度冲击环境的冲击性能试验中，抗冲击弹性地板的隔冲率分别达88.1%和89.9%，具有良好的舰员冲击防护效果，可以为舰船重要区域的舰员冲击防护提供一种高效的防护措施。在重度冲击环境下，抗冲击弹性地板上的舰员会受到轻度损伤，因此建议综合采取已有的冲击防护措施而形成组合式的舰员冲击防护措施，从而将舰员损伤程度降至最低。