艦船爆炸試驗環境監控攝像機的抗沖擊設計＊

張 濤 孫穎宏

（中國電子科技集團公司第二十七研究所 鄭州 450047）

1 引言

當艦船遭到距離其數十米至百米的水下爆炸時，會產生沖擊波和后續氣泡的脈動作用，稱這種作用形式為非接觸爆炸［1］，其沖擊作用一方面對船體結構產生損傷，降低艦船生命力；另一方面會引起船體劇烈振動，導致艦船系統及艦載電子設備的沖擊破壞和戰斗人員的身體損傷，使艦船戰斗力受到嚴重損傷甚至是完全喪失［2～4］。

在水下非接觸爆炸研究領域中，以船體結構動力響應為輸入條件的艦載電子設備的隔沖結構設計是重要的研究內容。本文作者及項目組科研人員通過長期工程實踐，在利用商用有限元軟件進行仿真分析的基礎上，對隔沖減振材料進行仔細篩選，完成了攝像機復合減振結構設計，實現了一種以粘彈性阻尼材料為主的復合隔振結構，能有效緩沖高頻響船體作用于攝像機的強沖擊。從而研制出了一款能夠適應強沖擊爆炸環境的攝像機，并通過實驗室模擬試驗和現場真實對攝像機的加固措施進行驗證。

2 隔沖結構的原理及功能

2.1 隔沖原理分析

隔沖源于材料耗能，材料耗能主要在于其內部分子的摩擦，使用結構阻尼能恰當地描述材料的摩擦耗能特性［5～6］。由等效粘性阻尼比和結構阻尼比的定義及其能量轉換法，結構阻尼所表述的離散多自由度系統運動微分方程表示為

上式，ψlr、ψpr、Kr、ηr和λr均為系統固有屬性，稱之為模態參數。通過選擇適當的ηr和Kr值，可有效降低系統的（ω）。尤其在共振頻段，通過增大ηr的值，可有效降低品質因子，但在后，增加ηr反而會降低隔沖效果。因此在隔沖結構設計中，應使結構的固有頻率盡可能分布在低頻段，且具有適當的阻尼。

2.2 沖擊激勵及隔沖結構功能描述

圖1 艦載電子設備的瞬態激勵

水下非接觸爆炸將一半以上的爆炸能量以沖擊波的形式作用于船體結構，船體的瞬態響應又成為艦載電子設備的瞬態激勵［7］。鑒于這種瞬態激勵的波形具有時域復雜性和不可復制性，因此各種沖擊試驗和仿真計算時均采用“等效損傷原則”模擬水下爆炸沖擊。又因這種瞬態激勵具有時域譜能量強烈且集中、頻域譜連續且分布廣等特點，可以用瞬時脈沖函數來表示由水下非接觸爆炸產生的瞬態激勵。圖1為上述瞬態激勵的波形。

應對這種瞬態激勵，隔沖結構應具有以下兩方面功能：1）具備足夠的剛度以適應高強度的瞬態沖擊；2）具備足夠的阻尼以降低設備在各頻段特別是共振區的振幅放大因子，并快速消耗沖擊能量，迅速進入穩定狀態。

鑒于以上的分析，本文考慮采用一種以粘彈性材料和金屬板件組成的復合材料結構來進行隔沖結構設計。復合材料結構內部由金屬板件來承載攝像機，在攝像機和彈性板件外圍包裹粘彈性材料以起到隔沖和快速耗能的作用，這樣的復合隔沖結構既有一定剛度又有足夠的阻尼，在實驗室沖擊試驗和實船爆炸試驗中均能達到理想的隔沖效果。

3 粘彈性阻尼材料

很多諸如玻璃、橡膠和高聚物等材料在受力情況下的力學特性被描述成彈性和粘性的結合，即一方面具有彈性固體的儲能特性，另一方面又具有粘性液體的耗能特性，通常這類物質可用粘彈性材料來表述［8～10］。

粘彈性材料的力學性能主要表現在其優良的阻尼特性方面，其阻尼機理與材料的微觀和宏觀結構有關。高聚物內部分子鏈的運動、摩擦、破壞與重構構成了阻尼的微觀效應；熱彈性、熱傳導是阻尼的宏觀表象。

3.1 粘彈性材料的數學模型

一般工程條件下，高聚物經歷小應力作用，其內部大分子的螺旋結構變形通常不會破壞分子鏈，這時可用線性粘彈性理論來表述其本構關系，即應力應變呈線性關系。但因其具有時間參數，所以對應不同時間有不同的應力應變關系，這些關系可表述為以應力松弛和蠕變為代表的兩種現象。

由流變理論，以彈簧和黏壺模型表達的松弛條件下的線性粘彈性材料時域本構方程的微分形式為

式中，σ（t）和ε（t）表示應力和應變，ai和bi為權系數。

一般情況下，粘彈性材料的應力應變方程不但與現在的應力應變有關，也與整個應力應變的發展歷程有關。這種本構關系可一般由Boltzmann疊加積分形式表達。將上式積分，得到麥氏串聯模型在松弛條件下時域本構方程的積分形式為

式中，G（t）為應力松弛模量，它反映了σ（t）的時間依賴關系。

對于各向同性粘彈性材料，其變形可以分為剪切變形和體積變形。假設其剪切特性和體積特性為完全非耦合，并且這種特性能夠用與時間相關的剪切松弛模量G（τ）和體積松弛模量K（t）所表述，更一般意義的各向同性粘彈性材料的本構方程可表述為剪應力和體應力之和。鑒于剪切松弛模量和體積松弛模量在數學形式上一致以及剪應力在粘彈性材料力學性能中的重要地位，本文僅以剪切松弛模量G（t）為論述對象，這也是式（5）使用G（t）的原因。

3.2 粘彈性材料動力特性

由于粘彈性材料的動力學特性非常依賴于頻率，將式（5）表述的時域模型經過拉氏變換并投影到傅氏域，得到粘彈性材料應力應變本構關系的頻域模型為

式中，G＊（ω）為復應力模量，G′（ω）和G″（ω）分別表示材料的存儲模量和損耗模量，η（ω）為粘彈性材料的能量損失因子。由于粘彈性材料耗能主要源于剪切作用，剪切應變能為占主導地位，因此一般三維狀態下的應力由復數形式的以頻率為變量的剪切模量和實常數泊松比來表達。

在復模量式（7）中有：

式中，β為應變落后于應力的相位角，粘彈性材料的能量損失因子η正比于相位角β，因此可得到第一個結論：粘彈性材料的應變越滯后應力，其應力－應變圖的遲滯回線所包圍的面積越大，一個周期內所耗散的能量越多。粘彈性材料的ηG′正比于相位角β，ηG′值表示材料的減振降噪能力，因此得到第二個結論：粘彈性材料的損失因子η的峰值越高，損耗能量越多。

3.3 粘彈性材料的物理描述

本次物理樣機試驗使用的高聚物為雙組份室溫硫化硅橡膠作為粘彈性阻尼材料（膠體）。硅橡膠在硫化前是流動性能較好的黑色糊狀流體（膠料），主要成分是高摩爾質量的乙烯基硅氧烷。

將膠料在容器中充分均勻的進行攪拌，然后將膠料和硫化劑以一定比例充分混合，并灌入需要保護的攝像機、彈性鋼板及外殼之間，將攝像機完全充分的包裹住。室溫條件下（25℃）靜置4～6個小時，膠料經硫化劑硫化后成為柔軟透明的有機硅橡膠即膠體。這種膠體在－60℃～200℃范圍內可長期保持粘彈性，具有優良的電器絕緣性能和化學生理惰性，具有良好的耐水、耐腐蝕、耐老化的性能，尤其是具有優良的隔沖減振性能，且無毒、無味，線收縮率低，易于操作。

4 粘彈性復合材料隔沖結構有限元模型建模及瞬響分析

4.1 有限元模型建模

粘彈性復合材料隔沖結構力學模型建模的主要特點表現為其全方位的非線性。粘彈性復合材料隔沖結構的非線性問題包括材料非線性、幾何非線性和邊界條件非線性。

本文結合研究課題，使用MSC.Patran建立粘彈性復合材料隔沖結構的力學模型（如圖2所示）。該模型包括外殼、膠體、金屬板和電子設備四個幾何部分以及動力載荷、材料、接觸和解算控制等參數。

圖2 粘彈性復合材料隔沖結構有限元模型

圖3 瞬態半正弦加速度激勵

隔沖結構模型的外殼厚重，分析中起承載和傳遞激勵的作用，其變形可以忽略不計，定義為剛體。外殼與膠體的接觸采用高庫倫摩擦系數接觸或粘合技術，與金屬板的連接方式采用多點約束，這里僅固結激勵方向。外殼與船體采用一維彈簧連接用以表達緊固螺栓。

膠體是主要變形體，定義為粘彈性材料，使用prony級數描述其剪應力和體應力松弛模量，松弛模量數值和密度由膠體生產廠家提供。膠體有限元模型采用體單元，拓撲形式為8節點12邊形的一次單元，劃分單元后的膠體共離散為2541個節點、2000個單元。考慮到分析過程的復雜性與求解次數，在計算結果精度允許的范圍內，劃分單元較為稀疏。

金屬板材料為彈簧鋼板，定義為彈性體。彈簧鋼板有限元模型采用薄殼單元，拓撲形式為4節點4邊形一次單元，劃分單元后的彈簧鋼板離散為231個節點、100個單元。

計算中攝像機僅提供單自由度慣性作用，因此定義其為非耦合質量點，固結在彈簧鋼板的中線位置。

動力載荷為瞬態半正弦加速度激勵，脈寬8ms，峰值300g。因要與試驗中真實載荷相一致，定義載荷作用位置在殼體底部正中，作用方向為殼體底部法向向內，即分析中僅考慮單軸－Z軸的載荷的輸入和響應。加速度激勵如圖3所示。

4.2 隔沖結構有限元模型瞬響分析

根據隔沖結構實際工況，使用 MD Nastran（SOL600）解算器進行隱式非線性動力學瞬態響應計算，得到載荷作用方向為Z向時攝像機非耦合質量點的瞬態加速度響應曲線，如圖4所示。

圖4 非耦合質量點的瞬態加速度響應曲線加速度響應曲線

圖5 加固攝像機組成透視圖

由圖4可見：1）該粘彈性復合材料隔沖結構將峰值為300g的半正弦加速度激勵在非耦合質量點即攝像機處衰減至9g以內，保證了攝像機在沖擊峰值處的安全可靠；2）該結構將沖擊載荷的影響時間縮減至70ms左右，70ms后非耦合質量點的瞬態加速度響應小于0.3g，僅為沖擊載荷峰值的1‰，因此該結構可使得攝像機迅速穩定下來并進入正常工作狀態。

5 結構設計

結合以上理論計算及仿真分析，加固攝像機基本結構組成為：整體鋁材外殼、彈簧鋼板和粘性橡膠。加固攝像機結構組成如圖5所示。

攝像機固定在彈簧鋼板上，彈簧鋼板兩側與外殼緊固連接，在外殼與攝像機之間充填粘性橡膠。為兼顧散熱問題，粘性橡膠必須具有較好的熱傳遞系數。彈簧鋼板由于具有較好的彈性和一定的剛度，在受到強大沖擊時通過彈性變形瞬間吸收沖擊能量，有效降低沖擊加速度對攝像機的影響。粘性橡膠由于具有較好的阻尼系數，通過大的剪切變形可以快速有效消耗強沖擊產生的能量，達到快速穩定攝像機的目的。

在光學窗口的設計中，不僅要考慮玻璃窗口的強度，還要考慮窗口光的透過率。因此，窗口保護玻璃既不能選擇普通玻璃透鏡，也不能選擇透過率較低而抗爆性能高的有機玻璃。經過調研，確定為玻璃光學窗口粘貼高透光率的防爆保護膜，一方面不以犧牲光透光率為代價來增加保護玻璃的抗沖擊振動能力；另一方面通過這種手段，大大提高了保護玻璃的抗爆性能，滿足了攝像機的性能要求。在光學保護玻璃的安裝方面也特別為玻璃的兩面都增加了橡膠緩沖墊，有效降低了沖擊振動對玻璃窗口的影響，大大提高了攝像機的抗沖擊性能。

6 實驗室沖擊振動試驗驗證

為了驗證加固設計的有效性，在實驗室內對不同的保護玻璃進行了沖擊性能驗證，在同樣的安裝條件下，普通的保護玻璃在沖擊加速度達到70g時就發生了碎裂現象；有機玻璃在沖擊加速度達到600g時仍沒有出現碎裂現象；貼過防爆膜的保護玻璃，當沖擊加速度達到600g時沒有發生碎裂現象，當沖擊加速度達到1200g時，保護玻璃出現了裂紋，但沒有破碎。由此可見，為玻璃粘貼防爆膜的方法十分有效，既沒有降低玻璃的透光率，又增強了保護玻璃的強度，同時了還增強玻璃的安全性。

將攝像機按著在艦船上實際的安裝方式固定在C－200型沖擊機的試驗臺上，并按實際工作狀態加電工作，首次沖擊值300g，攝像機工作正常，圖像拍攝穩定清晰，基本感覺不到模糊；第二次沖擊值450g，攝像機工作正常，圖像拍攝穩定清晰，基本感覺不到模糊；第三次沖擊值600g，攝像機工作正常，圖像拍攝穩定清晰，基本感覺不到模糊。經過三次沖擊試驗，攝像機順利通過了沖擊試驗測試，能夠滿足試驗需求。

7 結語

本文在理論計算與仿真分析的基礎上，采用粘彈性材料與彈簧鋼板相結合的復合減振措施，完成了對攝像機的加固，順利通過了實驗室沖擊振動試驗驗證，表明對攝像機的加固設計措施有效可行，能夠滿足艦船水下非接觸爆炸試驗的要求。該款攝像機研制成功后，已經多次應用于艦船強沖擊爆炸試驗，為試驗的順利進行提供了可靠的決策依據，有力保障了多次試驗的圓滿完成。目前，該款攝像機的專利申請正在受理中，具有廣闊的應用前景。

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