潛艇設備沖擊試驗艙段環境特性研究

韓 璐，馮麟涵，張 磊，閆 明

(1.沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870；2.海軍研究院，北京 100161)

隨著現代兵器技術的快速發展，其威力越來越大、命中率越來越高，水面艦船及水下潛艇的生命力面臨著日益嚴重的威脅[1-2]。相比而言，水下潛艇作戰環境更為惡劣，因此要求其外部結構及內部設備具有更高的抗沖擊性能。準確掌握潛艇不同部位的沖擊環境和相應部位設備的抗沖擊性能，已經成為各國海軍關注的重點。

由于潛艇設備考核問題密級較高，目前國內外可查閱的相關資料相對較少，且大多數是基于對潛艇外部結構及材料的研究[3]。日本的永井保對尺寸不同、加筋形式不同、加筋尺寸不同的圓柱殼進行了一系列試驗研究，并對試驗后變形的圓柱殼進行了耐壓強度試驗[4-5]。Stultz等對單、雙層圓柱殼體結構進行了水下爆炸試驗研究，通過對比動態響應發現雙層殼間含水量對殼體的變形有較大影響[6]。肖鋒等研究了潛艇濕表面覆蓋層壓與抗沖擊之間的矛盾，討論了鋼片厚度及偏距對承壓與抗沖擊性能影響[7]。潘杰等設計了三種新型潛艇舷側結構，并基于有限元分析三種結構在爆炸載荷下的沖擊響應，與傳統的舷側結構進行比較，得出新型舷側結構具有提高潛艇抗沖擊能力作用的結論[8]。據了解，目前美國海軍主要采用模擬潛艇艙段的試驗平臺，通過小當量近距離的爆炸試驗來模擬實艇的總體沖擊能量，進而完成對潛艇電機等重型設備沖擊試驗考核[9]。但是這種試驗平臺所提供的沖擊環境具有速度譜較低而位移譜較高的特點，與實際沖擊環境恰恰相反。相比而言，我國對潛艇及內部設備的抗沖擊性研究剛剛起步，僅停留在理論分析和數值模擬階段，而潛艇海上抗沖擊試驗對完善其抗沖擊設計，提高其作戰能力等都具有重要意義，因此，國內應對新研潛艇及相關設備進行水下爆炸考核試驗予以重視。

本文根據潛艇內大型設備沖擊環境指標，借鑒實船抗沖擊試驗成果，設計并建造了一種新型潛艇試驗艙段來考核大型設備的抗沖擊性能。首先，通過歸納水下爆炸載荷種類，分析水面艦船和水下潛艇沖擊環境差別之處；然后，針對大型設備沖擊環指標，在ABAQUS中建立了試驗艙段及簡化設備的有限元模型，并進行水下爆炸數值模擬，對試驗艙段提供的沖擊環境進行預報；接著，根據數值模擬及相關理論計算的結果，選取合適的試驗工況，開展了大型設備的水下爆炸考核試驗；最后，利用有效的實測數據，對設備安裝頻率處的沖擊譜進行了圓整，再通過沖擊譜的插值擬合獲取了無效實測數據工況下的沖擊環境，為潛艇內大型設備抗沖擊性能的進一步研究提供環境支撐。

1 沖擊環境描述

1.1 水下爆炸載荷

水下爆炸試驗作為艦載設備抗沖擊考核的一種方式，具有較高的可靠性。在水下爆炸數值模擬或試驗過程中，根據爆距與TNT當量藥包的半徑之比，可將水下爆炸劃分為接觸爆炸、近場爆炸和遠場爆炸。在炸藥爆炸過程中，伴隨著大量的化學反應和物理現象，艦船及設備的沖擊響應主要是由水中爆炸沖擊波、氣泡脈動、空化效應及射流共同作用的結果。其中，以聲速傳播的爆炸沖擊波為主，所含能量約占水下爆炸總值的53%左右[10]，氣泡脈動次之，空化效應及射流主要對近場水下爆炸影響較大，一般遠場水下爆炸均不考慮[11]。

對艦載設備抗沖擊性考核時，一般進行遠場水下爆炸試驗，當爆炸載荷傳遞到設備上時，受艦船類型、設備安裝位置等因素的影響，其沖擊響應情況也大有不同。相比較而言，潛艇系統及設備的沖擊環境更為嚴峻。一方面，潛艇處于半潛狀態，對于相同布深的炸藥，與水面艦船相比，爆源與沖擊載荷入射點距離較近，沖擊波在所含能力較大時便對潛艇系統及設備產生沖擊作用。另一方面，早期氣泡脈動的壓力幅值約為沖擊波峰值的1/5，具有持續時間較長、能量逐漸衰減的特點[12-14]，其對艦船結構主要振動模態有持續擾動作用，此期間的氣泡脈動過程對水深較為敏感，因水深而導致的不同浮力會影響氣泡的坍塌、上浮等狀態，并且隨著氣泡的上浮，其脈動周期逐漸增大，在其脈動周期較小、所含能量較多時，便對已經承受強烈沖擊波的潛艇系統和設備產生后續的振動影響。此外，潛艇浸入流域的體積較大，使得圍繞潛艇的流體附加質量明顯增大，引起潛艇的振動模態頻率與干模態頻率相差較大，使得艇體結構在水中的剛度變小。流域的阻尼對水下爆炸下的潛艇沖擊響應也有較大影響，與流域接觸面積較大導致艇體系統吸收的沖擊能量較多，進一步使得其內部設備的沖擊環境更為惡劣。

1.2 沖擊環境要求

開展艦船系統和設備抗沖擊研究之前，其沖擊環境的設計也是重點研究內容，針對此問題，各國海軍均采用不同的方法進行設計。為對水面艦船及水下潛艇的沖擊環境明確區別，國軍標GJB 1060.1—1991[15]對彈性安裝的設備做出如表1、2所示的設計規定。

表1 水面艦船沖擊環境設計值Tab.1 Design value of surface ship impact environment

表1中：

表2 水下潛艇沖擊環境設計值Tab.2 Design value of underwater submarine impact environment

表2中：

其中，m0均為考核的設備質量。

為更顯著地對水面艦船和水下潛艇的沖擊環境進行對比，假設設備質量為200 t，由上述計算公式可知：水面艦船垂向譜加速度為425.69 m/s2，譜速度為3.08 m/s；水下潛艇垂向譜加速度為1 019.20 m/s2，譜速度為4.34 m/s，對比分析可知，譜加速度增幅為139%，譜速度增幅為41%，顯然水下潛艇系統的沖擊環境更為惡劣。因船體外部沖擊環境的不同導致其內部設備所受的沖擊載荷也大有不同，國軍標GJB 1060.1—1991對內部設備的沖擊環境的譜值及橫垂比也進行了詳細規定。為對潛艇用某大型設備進行抗沖擊性能考核試驗，根據設備的質量，計算出沖擊環境中的譜加速度記為Aσ，譜速度記為vσ，則可得設計的沖擊環境如表3所示。

表3 設備沖擊環境要求Tab.3 Environmental requirements for equipment impact

2 數值模擬

目前,我國的艦用設備沖擊試驗規范“GJB 150.18—1986[16]軍用設備環境試驗方法-沖擊試驗”只規定了重量小于13.4噸的設備沖擊試驗方法，而潛艇用大型設備不含隔振系統的重量遠遠超過此限制值，因此沒有可借鑒的試驗方法。結合大型設備沖擊環境指標、設備質量及安裝情況發現，國內現有的沖擊機及不同型號的浮動沖擊平臺等試驗裝置也不能提供大型設備需求的沖擊考核環境。為此，設計一種模擬潛艇艙段的新型試驗艙段平臺，以完成對大型設備的考核。在試驗艙段的設計過程中，不僅要考慮所能提供的沖擊環境，還要兼顧試驗艙段的空間布置，滿足被試設備安裝條件，滿足被試設備在試驗過程中的油、水、氣、電等需求，滿足試驗實施所需的拖帶、布放、定位要求，滿足試驗測試所需的測量系統安裝要求，滿足在水下爆炸沖擊下保持水密性、浮態、穩性等要求。

2.1 艙段及水域模型

根據潛艇用大型設備要求的抗沖擊設計譜，考慮試驗艙段尺度、重量、吃水、炸藥當量、爆距、爆源位置等參數，進行了大量數值模擬，得出了各參數對沖擊試驗沖擊譜的影響，從中優選出合適的參數取值，最終設計出一種以經典的環形艙壁作為艇體艙段耐壓的主結構，兩側封頭采用平面艙壁，艙段內設置平衡壓載水艙，試驗艙段底部設置龍骨，在大型非線性有限元軟件ABAQUS中建立的具體模型如圖1所示。

在模型的建立過程中，采用Initial Mass定義的質量點模擬外部壓載及設備。此外，為真實模擬潛艇設備的安裝狀態，在沖擊試驗艙段上裝配了相關陪試設備及輔助結構，包括基座、高頻隔振器與氣囊隔振器構成的雙層隔振器、筏架、聯軸器、假軸和軸承座等。在建模過程中，通過Connector的塑形Beam單元對氣囊隔振器進行模擬，8個氣囊隔振器在設備兩側下方對稱分布；筏架用平板簡化，20個高頻隔振器對稱分布在筏架和基座之間。在有限元模型中的連接情況如圖2所示。

圖1 艙段有限元模型Fig.1 Finite element model of the bay section

圖2 隔振器模型示意圖Fig.2 Sketch of isolator model

諸多水下爆炸數值模擬仿真結果表明，水域模型要建立的足夠大，以使得圓柱殼低頻的梁彎曲模態附連水質量施加充分，與此同時，要兼顧模型的計算效率。此次，選取水域半徑為試驗艙段半徑的3倍，水域采用四面體線性聲學單元AC3D4模擬，具體模型如圖3所示。結合研究條件，選取聲固耦合算法模擬水下爆炸載荷作用下試驗艙段的動態響應。

圖3 艙段的水域模型Fig.3 Flow model of cabin section

2.2 工況設置

為保證試驗艙段設計的合理、有效，對試驗艙段進行水下爆炸試驗的數值模擬。數值模擬前，沖擊載荷的擬定主要根據Geers and Hunter提出半經驗沖擊波—氣泡模型[17]得出沖擊波峰值的理論解。該方法統一處理爆炸載荷，無論沖擊波或是氣泡，都假定周圍水介質是可壓縮的；公式中的參數來源于試驗，載荷預報可靠度高。在整個過程中，爆源相對艙段位置示意如圖4所示，潛艇艙段的吃水深度占整體艙段的3/4，總排水量達260.069 t。為達到大型設備沖擊環境要求，通過調整爆源的正橫距，選擇沖擊因子依次減小的24種工況對試驗艙段提供的沖擊環境進行預報，以便選取最佳的試驗工況，選取40個通道測點獲取艙段殼體周圍水壓、艙段結構、設備基座、雙層隔振、設備本體等部位的各向沖擊加速度及應變等信號。

圖4 位置示意圖Fig.4 Sketch of location

2.3 數值模擬結果分析

為進一步分析試驗艙段所能提供的沖擊環境，計算出設備基座上測點速度均值，將24種數值模擬工況下的垂向譜速度vv和橫向譜速度vh與設備的沖擊環境指標中譜速度vσ進行比較，如圖5、6所示。從圖中可看出，數值模擬中工況1～工況3譜速度值與沖擊環境指標較為接近，誤差在20%以內。且無論垂向或是橫向，譜速度值均隨著爆源正橫距的逐漸增大，呈現衰減趨勢。

圖5 垂向譜速度Fig.5 Velocity spectrum of vertical

圖6 橫向譜速度Fig.6 Velocity spectrum of transverse

3 水下爆炸試驗

在艦船抗沖擊評估初期，各國海軍大都采用沖擊因子來反映水下爆炸試驗的嚴酷程度。這是因為沖擊因子反映了爆炸載荷的能量密度，沖擊因子越大，說明沖擊能量越大，爆炸的嚴酷度越高。一般情況下，沖擊因子分為兩種：一種是涉及外殼結構或受壓結構的損傷位勢的殼層沖擊因子(KSF)；另一種是用于艦船作為一個整體的損傷位勢的龍骨沖擊因子(HSF)。結合國內外抗沖擊試驗情況，潛艇試驗一般采用殼板沖擊因子進行描述，且最大沖擊因子應不大于1，其具體計算公式如下

(1)

式中，W為考慮海底反射系數的裝藥當量，R是爆源與船體最近距離。

在此次試驗過程中，根據數值模擬對艙段提供沖擊環境的預報及相關的理論計算分析，選取表4中的三種工況進行水下爆炸試驗。

表4 試驗工況Tab.4 Test conditions

對于海上爆炸試驗，試驗艙段與爆源在水下的相對位置決定了艙段所受沖擊載荷的強度。在水下的爆源受海流影響會發生擺動和偏移，海上風浪流等環境因素也會影響艙段的浮動情況，這都會嚴重影響試驗艙段與爆源的相對位置，從而影響沖擊因子的大小。比如爆距為10 m，如果爆距偏差1 m，沖擊因子偏差約10%。為此，結合前期開展海上實船水下爆炸試驗布放與定位技術，針對潛艇艙段半潛狀態、試驗海區風浪流數據，在試驗過程中，制定橫流四點錨固定位的方案。圖7為潛艇艙段某次水下爆炸試驗實況。

圖7 爆炸試驗實況Fig.7 The explosive experiment

試驗按預定工況完成后，將實測垂向、橫向沖擊環境與上述預報的沖擊環境對比，如表5、表6所示。垂向沖擊譜速度偏差在18%～33%，沖擊譜加速度偏差在11%～28%。橫向沖擊譜速度偏差在18%～25%，沖擊譜加速度偏差在9%～33%，以上誤差均在35%以內，滿足沖擊試驗的可接受范圍。

表5 垂向數據對比Tab.5 Contrast of horizontal data

表6 橫向對比Tab.6 Contrast of vertical data

4 實測信號處理與分析

4.1 沖擊譜圓整

為便于分析實測數據是否滿足設備的設計沖擊譜，按照ISO 18431[18]將試驗測點加速度數據轉化為沖擊譜，所轉換的沖擊譜是復雜曲線并非真實可用，需要根據HJB 554[19]和北約共同標準STANG 549對實測設備的安裝頻率附近沖擊譜進行圓整成三折線譜，圓整過程主要有三個要求：① 實測沖擊響應譜在設備最低固有頻率或安裝頻率左右各一倍頻程內，應高于沖擊試驗考核標準工況的90%；② 實測沖擊響應譜不低于所在頻率對應的沖擊試驗考核標準工況的70%；③ 個別頻段實測沖擊響應譜值低于上述兩種情況所規定的下限譜線時，位于下限譜線上方的測量譜線與下限譜線所被包圍的面積大于下限譜線下方的測量譜線與下限譜線所包圍的面積。以工況2設備基座上測點的橫向沖擊譜(圖8)為例，對沖擊譜圓整規則進行具體說明。設備安裝頻率處的左右一倍頻程的頻域內，圓整譜值應低于實測譜值，滿足第一、第二個圓整原則。在54～110 Hz頻域內實測譜值有凹陷，但在110～300 Hz有凸起，兩者面積接近，滿足第三個圓整原則，另外，實測沖擊譜低頻段的上翹主要是加速度信號零飄引起，由于其不在設備安裝頻率范圍內，對設備的響應貢獻不大。根據以上圓整要求對實測數據所做出的沖擊譜進行圓整。

圖8 沖擊譜圓整方法示意圖Fig.8 Sketch of impact spectrum rounding

4.2 沖擊譜插值擬合

在試驗過程中，工況3中只有假軸軸承座基礎可用，大部分測點數據出現異常，導致實測結果不可用。為此，利用沖擊譜插值擬合的方法進行分析。根據實船試驗，沖擊譜與沖擊因子之間是線性關系。美國海軍泰勒水池的Keil和澳大利亞海軍水面戰中心的Reid在總結艦船水下爆炸響應時都曾指出沖擊因子與艦船沖擊響應之間存在線性關系，我國實船抗沖擊試驗也得出了類似的規律[20-21]。因此可以根據沖擊因子插值和沖擊位置插值得出設備基座處的沖擊環境。

在3次水下爆炸試驗過程中，假軸基礎測點的沖擊加速度數據獲取完整，進行圓整后將其與沖擊因子關聯，進行線性插值擬合，擬合結果如圖9所示，橫向譜速度隨沖擊因子呈斜率為5.086 84的線性增加，垂向斜率為4.848 93的線性增加，沖擊譜擬合值與圓整值誤差在10%以內。根據以上擬合的斜率，按照工況1、工況2實測設備基礎沖擊譜速度值，擬合外插得工況3設備基礎譜速度，橫向和垂向均為1.3vσ，且與數值模擬結果相比誤差為9%，說明插值譜速度值可以代表實際的沖擊強度。

圖9 沖擊因子插值沖擊譜Fig.9 Shock factor value impact spectrum

5 結 論

本文設計并建造了一種考核潛艇用大型設備的試驗艙段平臺，為檢驗其是否能提供大型設備所需沖擊環境，在ABAQUS中進行大量的水下爆炸數值模擬，對試驗艙段提供的沖擊環境進行預報，并以此為參考依據開展了3次設備的水下爆炸試驗，分析了實測信號，并對設備安裝頻率處的沖擊譜進行了圓整及插值擬合，通過分析得到如下結論：

(1)試驗艙段提供沖擊環境的譜速度值隨沖擊因子的增大呈近線性增大

(2)采用插值擬合譜值得出異常測點譜數據與3個實測得到譜速度值相差小于10%，與數值模擬相差小于9%，說明插值譜速度可以代表實際的沖擊強度。

(3)試驗艙段的建立滿足潛艇用大型設備考核的沖擊環境指標中的譜值及橫垂比要求。