艦船沖擊試驗及大型振動沖擊臺的應用

吳暉，張成，任龍龍，張亮，程曉達

（1．海軍駐武漢701所軍事代表室，湖北武漢430064; 2．哈爾濱工程大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱150001; 3．哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

船用大型設備抗沖擊性能研究可通過計算機仿真或試驗手段來實現。對于大型設備的抗沖擊性能評估目前主要采用數值仿真手段，而相關的試驗研究卻很少，數值仿真手段是否能準確反映大型設備的抗沖擊性能還沒有定論，必須進行相關的試驗研究才能對數值手段的可信度進行驗證。

沖擊試驗手段通常包括跌落式臺架試驗、擺錘式沖擊試驗、浮動沖擊平臺試驗及海上實船水下爆炸沖擊試驗等［1－3］。海上實船水下爆炸沖擊試驗耗資巨大，不易實施。跌落式臺架試驗、擺錘式沖擊試驗產生的沖擊載荷峰值有限，而且載荷的作用時間、峰值大小很難控制，很難對設備的抗沖擊性能進行完善的試驗。而沖擊振動臺平臺試驗采用計算機自動控制，能較準確地產生一系列的沖擊載荷，沖擊波形式包括半正弦波、三角波、矩形波、梯形波等，而且花費較少，所以較適合用來模擬水下爆炸產生的沖擊載荷。

1 抗沖擊試驗手段

試驗手段通常包括跌落式臺架試驗、擺錘式沖擊試驗、浮動沖擊平臺試驗、海上實船水下爆炸沖擊試驗等。

1.1 跌落式臺架試驗

跌落式沖擊試驗的原理:將樣品直接固緊到臺面或通過夾具固緊到臺面上，將工作臺面提升至一定的高度，釋放后自由跌落，或使用壓縮空氣加速，臺面底部與底座上的緩沖墊層（波形發生器）碰撞，使臺面受到一個向上的沖擊載荷，再由臺面將所產生的脈沖載荷傳遞給固定于臺面的樣品，從而實現對固定于臺面上的產品的沖擊。另外，在臺面上裝有加速度感測器，通過量測臺面的加速度，以確定樣品所承受到的沖擊脈沖載荷，如圖1所示。

圖1 跌落沖擊試驗臺Fig．1Dropping impact test bed

跌落式沖擊試驗的方法及規格相當多，依據其目的有以下2種［4］:

1）檢測包裝貨物中內容是否充分受到保護的試驗，檢驗使用過程中或運輸過程中是否能承受反復顛簸的沖擊試驗。試驗方法為:IEC 60068－2－29－87 （Basic Environmental testing procedure Ea:Bump）JI C0042－95環境試驗方法——電器及電子顛簸試驗法。

此沖擊試驗規格是1種測試零組件和機器運輸途中，或使用中受到反復沖擊的品質管理手法，采用沖擊脈沖為半正弦波，試驗條件是最大加速度，需組合作用時間及顛簸次數選擇。

2）規定保證產品或零組件品質，保證在使用中及運輸途中不被破壞的沖擊試驗，為包裝設計而求取產品耐沖擊強度的沖擊試驗。試驗的目的是為保證產品有適當的緩沖包裝結果，能耐使用中和運輸中所受沖擊的方法。

此類試驗對樣品的重心偏移誤差，沖擊面的剛性及環境所造成的誤差有一定的要求。

1.2 擺錘式沖擊試驗

擺錘式沖擊試驗是評價試件沖擊韌性應用最廣泛的一種傳統力學性能試驗。目前，由于擺錘式沖擊試驗機的結構簡單緊湊、操作方便、價格便宜，并具有一定的模擬性和重復性等優點，因此在國內外被廣泛使用。

1.3 海上實船水下爆炸沖擊試驗

在海上進行實船抗沖擊試驗是抗沖擊性能研究最有效的手段之一，實船抗沖擊試驗和現代測試技術結合，即可形象直觀地了解艦船在水中兵器攻擊下柴油機的運行和損壞情況，又可定量獲取柴油機運行參數和抗沖擊性能參數。實船抗沖擊試驗貼近實際海戰沖擊環境，試驗規模和耗資龐大，對艦船破壞性強，海上試驗條件惡劣，對測試設備的可靠性，以及參試人員安全性要求高。

美國海軍早在1860年就進行了船體抗爆試驗，英國海軍也于1874年在英格蘭Portsmouth的Stoke海灣進行了第一次全面的水下爆炸試驗［5－6］。文獻［7］詳盡地闡述了艦艇水下爆炸試驗研究的完整歷史，記述了自19世紀開始的所有影響的水下爆炸試驗。艦艇沖擊試驗是驗證在戰斗沖擊環境下艦艇及其系統抗沖擊能力的最佳途徑。美海軍規定新型潛艇和水面艦艇需按OPNAC INST9072.2進行沖擊試驗［8］。艦艇沖擊試驗是在不同藥量、不同水深、不同距離等條件下對艦艇進行的一系列水下爆炸試驗。

但是，沖擊試驗需要大量費用和時間，因而各國在水下爆炸沖擊試驗研究的投入有很大差別。美國海軍研究中心采用試驗為主計算為輔的模式，對每艘艦船都進行沖擊試驗，直至艦船達標后才允許其服役。美國在二戰期間和二戰后，曾對一批報廢艦船和俘獲的日本艦船做了系列的水下爆炸試驗，取得相當多的數據和結論。20世紀70年代至80年代，歐美等國家對于艦船結構部件、機械裝置也做了不少爆炸試驗。20世紀60年代，日本對不同尺寸、不同筋板結構的多個加筋圓柱殼在不同炸藥量和不同水深下進行了大量的試驗研究。1996年，荷蘭TNO為建設“黃蜂”號掃雷艦，對1個圓柱型艦船模型進行了6次水下爆炸試驗［9］。

1.4 浮動沖擊平臺試驗

海上實船爆炸試驗雖然對提高水面艦艇在戰爭中的生命力非常有益，能提供一個近乎均勻的沖擊環境，但是和實際作戰中的武器所產生的沖擊還是有差別的，尤其是實際作戰中武器所產生的沖擊環境從艦首到艦尾都是不一樣的，局部可能超過設計要求。此外，沖擊試驗的試驗條件不考慮水下爆炸氣泡在艦艇外表面附近產生的渦旋震蕩。由于水下爆炸試驗成本昂貴，同時考慮艦艇人員安全以及對環境的影響，一般只進行模擬艦艇爆炸試驗。所謂模擬艦艇，是指在尺寸和結構上和實際艦艇相似的試驗平臺或樣艦，爆炸試驗從相對小的沖擊水平開始，逐漸增加到一定的嚴酷度。

進行模擬艦艇爆炸試驗的主要設施有爆炸水池和浮動平臺。比較有名的有阿伯丁爆炸水池、加拿大國防技術研究開發中心爆炸水池、英國的海洋技術中心浮動沖擊平臺STV01及我國702所的浮動沖擊平臺等，如圖2所示。

圖2 浮動沖擊平臺Fig．2Floating shock platform

爆炸沖擊試驗的成本昂貴，試驗次數很有限，難以從概率統計學角度得到有意義的試驗結果，而環境保護又使公開的沖擊試驗面臨更多的問題。由于艦艇沖擊試驗的上述內在風險，沖擊試驗的當量等級并沒有達到艦船破壞極限要求，甚至無法達到真實的戰時沖擊環境強度［10］。

2 目前沖擊試驗最常用手段

基于經濟性、實用性和可實現性等方面的考慮，目前最常用的沖擊試驗手段為擺錘式沖擊試驗。

擺錘式沖擊試驗的原理［11］:試驗時，擺錘沖擊試驗機的起吊臂牽引擺錘上升到預定位置后，釋放鉤張開，擺錘自由落下，錘頭擊打安裝試驗件的水平臺面。平臺受到擺錘沖擊，反復撞擊試驗臺基座上的彈性緩沖器，從而產生衰減的復雜振蕩沖擊波形。測量系統通過傳感器和電荷放大器等記錄臺面運動的時間歷程響應，沖擊采集系統將運動的時間歷程處理成為沖擊譜，得到沖擊譜試驗數據曲線，如圖3所示。

圖3 擺錘式沖擊試驗系統原理圖Fig．3Principle of pendulum impact test system

研究結果表明，對一個確定的擺錘沖擊試驗機來說，影響其性能的因素主要有3條:擺錘提升角度、緩沖器的剛度、試驗件與夾具組合體的裝夾方式。

3 振動沖擊臺

隨著人們對產品精度、可靠性要求的提高，以及船舶、航天等領域發展的需要，人們越來越重視產品的抗沖擊性能，與之相應的沖擊試驗平臺也在不斷發展，以力脈沖發生器的發展為標志，沖擊試驗平臺主要經歷了以下3個發展階段:

第1階段，最早期沖擊試驗機是機械式沖擊試驗機。它主要以橡膠、氈墊、彈簧等作為力脈沖成型器，這種沖擊試驗機只產生單一的波形，它的自動化程度通常很低。

第2階段，以自動控制理論的發展、自動化設備的興起、新材料的發展為基礎，以使用特制材料與液壓或氣動控制結合為特征的力脈沖發生器作為緩沖器，不同的脈沖發生器產生不同波形。這種力脈沖發生器精確度比較高，性能也相當穩定。

第3階段，1980年以來，隨著計算機應用與集成電子技術的快速發展，以能在1臺緩沖器上產生多種力脈沖波形的智能化緩沖器為特征，并輔以高度自動化控制以及數據分析設備的新型沖擊試驗臺。

本節以ES－160振動沖擊平臺為例，介紹目前振動沖擊平臺在大型設備抗沖擊試驗中的應用。ES－160沖擊測試系統通過計算機控制液壓作動器產生多種沖擊波形，對設備進行垂向和水平沖擊，利用諧波失真縮減系統糾正液壓作動器的固有波形失真以滿足規定波形。可分別完成三軸向的正弦振動試驗、寬帶隨機振動試驗以及經典（半正弦、梯形、后峰鋸齒）脈沖和沖擊回應譜試驗。沖擊試驗平臺如圖4所示。圖5（a）為根據德國BV軍用標準生成的沖擊輸入波形，圖5（b）為試驗臺輸出的沖擊波。可以看出，振動沖擊平臺輸出的波形能準確地對軍用沖擊標準進行模擬。下面以船用主汽輪機汽缸的抗沖擊實驗為例，對采用振動沖擊臺進行船用大型設備的抗沖擊實驗進行分析。

4 振動沖擊臺應用實例

試驗在ES－160沖擊平臺上進行，載入部位為工裝件底部，范圍為與沖擊試驗臺的接觸區域。振動臺輸出半正弦波形，如圖5（b）所示，沖擊輸入的峰值及脈寬分別為工況1:4g，10 ms;工況2:6g，10 ms;工況3:8g，10 ms;工況4:12g，10 ms;工況5:16g，10 ms。試驗時分別在橫向、縱向、垂向按工況1～5依次對試驗模型加載。沖擊載入情況見圖6。

試驗測得加速度值與數值計算值對比及試驗測得應力值與數值計算值對比如圖7所示。計算的輸入為德國BV軍標規定的沖擊輸入譜。由圖7可以看出加速度計算值和實測值符合得很好;由圖8可以看出應力計算值和實測值的峰值符合得很好。說明采用振動沖擊平臺進行抗沖擊試驗能很好地模擬軍用標準。

5 結語

設備抗沖擊試驗手段包括跌落式臺架試驗、擺錘式沖擊試驗、浮動沖擊平臺試驗、海上實船水下爆炸沖擊試驗。目前擺錘式沖擊試驗應用最廣泛，但精度不高。而海上實船水下爆炸試驗是最有效的試驗手段，但耗資巨大、試驗失敗的風險較高。在ES－160沖擊平臺上進行的船用主汽輪機汽缸沖擊試驗表明:振動沖擊平臺輸出的沖擊波精度很高，能準確地對軍用沖擊標準進行模擬，而且實現起來方便、經濟，可重復實現。振動沖擊平臺克服了其他沖擊手段的缺點，兼有它們的優點，是設備抗沖擊試驗手段的發展趨勢。

圖8 應力實驗值與計算值對比Fig．8Comparison of stress measured value and calculated value

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