摆锤式冲击台与浮动冲击平台冲击动力特性对比试验研究

刁爱民，王慰慈，朱金晏

(1.海军工程大学 舰船与海洋学院，湖北 武汉 430032；2.中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108)

0 引 言

在战时水下非接触爆炸所产生冲击造成的舰载设备损坏，是舰船丧失战斗能力和生命力的主要因素。为验证并提高关键舰载设备的抗冲击性能，各国海军都开展了大量关于舰船设备抗冲击能力设计和试验验证方法的研究，制定了相关设计和试验标准，并研制了对应的考核设备抗冲击性能的试验装置[1-4]。美海军强调用冲击试验考核舰船设备抗冲击能力和作为舰船设备的验收标准[5]。舰载设备可在冲击试验机上或者浮动冲击平台上进行试验考核。浮动冲击平台试验时间周期长，经济代价大，因此大中型舰载设备的某些关键分系统的设备可以先进行冲击试验机试验，考核较小设备的抗冲击性能，对于提高浮动冲击平台的成功率有一定积极意义。国内许多学者对冲击试验机机理和设计进行深入研究，取得了丰硕的研究成果[6-9]。但是即使设备通过了冲击试验机试验考核之后安装到浮动冲击平台上进行抗冲击试验，又是否一定可以通过相关抗冲击的要求？解决这一关键问题，便可以实现利用冲击试验机先考核小设备，合格后再进行浮动冲击平台试验，减少因为失败后造成的大量经费损失。分析两者动力特性的异同，便可以从理论基础上解决这一问题。

1 试验模型和工况

利用某型泵的摆锤式冲击台冲击试验结果和某大型装备浮台冲击试验结果，对比摆锤式冲击台与浮动冲击平台冲击动力特性。对某型泵摆锤式冲击台试验台位垂向的冲击输入和大型设备的冲击试验结果中安装基座的垂向冲击输入进行对比分析。摆锤式冲击试验台位取水平安装状态下摆锤最低高度和最高高度2 种工况，分别记为摆锤台工况1 和摆锤台工况2，浮台冲击试验结果取浮台横向状态下爆源最近距离和最远距离2 种工况，分别记为浮动平台工况1 和浮动平台工况2。

2 分析内容及基本原理

对于舰载设备的抗冲击响应，一般采用2 种不同的方法：一是时间历程分析，也就是在时域内分析冲击响应的时间历程；另一种是采用响应谱对设备的冲击响应进行分析。对冲击响应进行时间历程分析直观、简单，但设备的冲击响应是强非线性过程，不同设备、不同结构的响应差异性极大，很难用统一的标准对结构响应进行描述。采用冲击响应谱分析不仅可以量化冲击的剧烈程度，而且可以对冲击环境的恶劣程度进行参数化描述。

冲击响应谱亦简称冲击谱，由Maurice Biot 首次提出，经过大量学者深入研究，在地震工程、航天、船舶抗冲击等领域得到广泛应用[10]。图1 即为冲击谱的形成原理。首先在安装基座上布置一系列的弹簧振子，为了尽量减小弹簧振子对基础运动的影响，假设这些阵子是单自由度无质量的。如图所示，该组从低到高依次排列的弹簧振子的固有频率为 f1， f2，…，fn，当安装基座上受到一个瞬态的加速度冲击时，弹簧振子得到对应的最大响应幅值 G1， G2， G3，…，Gn，通过二者之间的关系曲线便得到弹簧振子系统在此瞬时加速度冲击下的冲击谱。

图 1 冲击谱形成原理Fig.1 Formation principle of impact response spectrum

3 基于试验结果的冲击动力特性对比

3.1 时间历程对比分析

对2 种不同试验方法的时间历程分析时，由于水面舰船安装设备的多样性，因此一般综合考虑，通常模态分析的频率范围为5～250Hz，通过对美海军的水下爆炸试验加速度响应分析方法进行研究后，可以略去船体结构中频率较高的成分，这些高频加速度响应通常对大部分的设备影响很小[11]，为了与其保持一致，对响应信号进行截止频率为250 Hz 的低通滤波。

图 2 摆锤台工况1 加速度时间历程曲线Fig.2 The acceleration time history curve of pendulum impact table under condition 1

图 3 摆锤台工况2 加速度时间历程曲线Fig.3 The acceleration time history curve of pendulum impact table under condition 2

图 4 浮动平台工况1 加速度时间历程曲线Fig.4 Acceleration time history curve in floating platform under condition 1

表 1 各工况时间历结果对比Tab.1 Comparison table of time history results of each condition

通过对比各工况下时间历程曲线的原始数据和250 Hz滤波后的数据可知，摆锤式冲击台加速度峰值受摆锤高度的影响更大，不同高度间的加速度波动更大，而浮动冲击平台的加速度峰值在不同工况下波动更小。由于浮动冲击平台结构的影响阻尼耗散的影响，高频成分所占比重为87%和84%，摆锤式高频成分所占比重稳定在91%。从信号的衰减速度上来看，摆锤式冲击台的信号衰减也更快。

3.2 冲击谱对比分析

冲击速度有3 个因素，分别为峰值、作用时间和波形，可以完整描述冲击输入特性，对冲击输入脉冲曲线做时间的积分，即该曲线所覆盖的面积，便得到了冲击速度。因此本文采用速度冲击谱来描述和分析对比2 种不同冲击考核方式的异同是合理的、符合实际的[12]。

图 5 浮动平台工况2 加速度时间历程曲线Fig.5 Acceleration time history curve in floating platform under condition 2

图 6 摆锤台2 种工况下速度谱Fig.6 Velocity spectrum of pendulum impact table under two conditions

表 2 各工况速度谱结果对比Tab.2 Comparison table of velocity spectrum results of each condition

通过对比各工况下速度谱的数据可知，摆锤式冲击台速度谱值受摆锤高度的影响更大，不同高度间的速度谱值波动更大，同时间历程曲线所对应的情况一致。摆锤式冲击台位的最大速度谱值虽然大于浮动平台第1 个工况的速度谱值，但是小于浮动平台第2 工况的速度谱值。

4 结 语

通过对比摆锤式冲击试验机和浮动冲击平台在水下爆炸下的动力特性的异同可知，摆锤式冲击试验机对舰载设备的冲击输入冲击峰值可以达到较高的水平，甚至可能大于浮动冲击平台的峰值，但是含有高频成分所占比重较大。冲击速度谱有可能小于浮动冲击平台的冲击速度谱值，存在设备通过了冲击试验机试验考核，但是在浮动冲击平台条件下舰载设备不能够满足抗冲击要求的风险。