擺錘式?jīng)_擊臺(tái)與浮動(dòng)沖擊平臺(tái)沖擊動(dòng)力特性對(duì)比試驗(yàn)研究

刁愛民，王慰慈，朱金晏

(1.海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院，湖北 武漢 430032；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108)

0 引 言

在戰(zhàn)時(shí)水下非接觸爆炸所產(chǎn)生沖擊造成的艦載設(shè)備損壞，是艦船喪失戰(zhàn)斗能力和生命力的主要因素。為驗(yàn)證并提高關(guān)鍵艦載設(shè)備的抗沖擊性能，各國海軍都開展了大量關(guān)于艦船設(shè)備抗沖擊能力設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證方法的研究，制定了相關(guān)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并研制了對(duì)應(yīng)的考核設(shè)備抗沖擊性能的試驗(yàn)裝置[1-4]。美海軍強(qiáng)調(diào)用沖擊試驗(yàn)考核艦船設(shè)備抗沖擊能力和作為艦船設(shè)備的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[5]。艦載設(shè)備可在沖擊試驗(yàn)機(jī)上或者浮動(dòng)沖擊平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)考核。浮動(dòng)沖擊平臺(tái)試驗(yàn)時(shí)間周期長，經(jīng)濟(jì)代價(jià)大，因此大中型艦載設(shè)備的某些關(guān)鍵分系統(tǒng)的設(shè)備可以先進(jìn)行沖擊試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)，考核較小設(shè)備的抗沖擊性能，對(duì)于提高浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的成功率有一定積極意義。國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)沖擊試驗(yàn)機(jī)機(jī)理和設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，取得了豐碩的研究成果[6-9]。但是即使設(shè)備通過了沖擊試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)考核之后安裝到浮動(dòng)沖擊平臺(tái)上進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)，又是否一定可以通過相關(guān)抗沖擊的要求？解決這一關(guān)鍵問題，便可以實(shí)現(xiàn)利用沖擊試驗(yàn)機(jī)先考核小設(shè)備，合格后再進(jìn)行浮動(dòng)沖擊平臺(tái)試驗(yàn)，減少因?yàn)槭『笤斐傻拇罅拷?jīng)費(fèi)損失。分析兩者動(dòng)力特性的異同，便可以從理論基礎(chǔ)上解決這一問題。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃凸r

利用某型泵的擺錘式?jīng)_擊臺(tái)沖擊試驗(yàn)結(jié)果和某大型裝備浮臺(tái)沖擊試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比擺錘式?jīng)_擊臺(tái)與浮動(dòng)沖擊平臺(tái)沖擊動(dòng)力特性。對(duì)某型泵擺錘式?jīng)_擊臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)位垂向的沖擊輸入和大型設(shè)備的沖擊試驗(yàn)結(jié)果中安裝基座的垂向沖擊輸入進(jìn)行對(duì)比分析。擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)位取水平安裝狀態(tài)下擺錘最低高度和最高高度2 種工況，分別記為擺錘臺(tái)工況1 和擺錘臺(tái)工況2，浮臺(tái)沖擊試驗(yàn)結(jié)果取浮臺(tái)橫向狀態(tài)下爆源最近距離和最遠(yuǎn)距離2 種工況，分別記為浮動(dòng)平臺(tái)工況1 和浮動(dòng)平臺(tái)工況2。

2 分析內(nèi)容及基本原理

對(duì)于艦載設(shè)備的抗沖擊響應(yīng)，一般采用2 種不同的方法：一是時(shí)間歷程分析，也就是在時(shí)域內(nèi)分析沖擊響應(yīng)的時(shí)間歷程；另一種是采用響應(yīng)譜對(duì)設(shè)備的沖擊響應(yīng)進(jìn)行分析。對(duì)沖擊響應(yīng)進(jìn)行時(shí)間歷程分析直觀、簡單，但設(shè)備的沖擊響應(yīng)是強(qiáng)非線性過程，不同設(shè)備、不同結(jié)構(gòu)的響應(yīng)差異性極大，很難用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行描述。采用沖擊響應(yīng)譜分析不僅可以量化沖擊的劇烈程度，而且可以對(duì)沖擊環(huán)境的惡劣程度進(jìn)行參數(shù)化描述。

沖擊響應(yīng)譜亦簡稱沖擊譜，由Maurice Biot 首次提出，經(jīng)過大量學(xué)者深入研究，在地震工程、航天、船舶抗沖擊等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[10]。圖1 即為沖擊譜的形成原理。首先在安裝基座上布置一系列的彈簧振子，為了盡量減小彈簧振子對(duì)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)的影響，假設(shè)這些陣子是單自由度無質(zhì)量的。如圖所示，該組從低到高依次排列的彈簧振子的固有頻率為 f1， f2，…，fn，當(dāng)安裝基座上受到一個(gè)瞬態(tài)的加速度沖擊時(shí)，彈簧振子得到對(duì)應(yīng)的最大響應(yīng)幅值 G1， G2， G3，…，Gn，通過二者之間的關(guān)系曲線便得到彈簧振子系統(tǒng)在此瞬時(shí)加速度沖擊下的沖擊譜。

圖 1 沖擊譜形成原理Fig.1 Formation principle of impact response spectrum

3 基于試驗(yàn)結(jié)果的沖擊動(dòng)力特性對(duì)比

3.1 時(shí)間歷程對(duì)比分析

對(duì)2 種不同試驗(yàn)方法的時(shí)間歷程分析時(shí)，由于水面艦船安裝設(shè)備的多樣性，因此一般綜合考慮，通常模態(tài)分析的頻率范圍為5～250Hz，通過對(duì)美海軍的水下爆炸試驗(yàn)加速度響應(yīng)分析方法進(jìn)行研究后，可以略去船體結(jié)構(gòu)中頻率較高的成分，這些高頻加速度響應(yīng)通常對(duì)大部分的設(shè)備影響很小[11]，為了與其保持一致，對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行截止頻率為250 Hz 的低通濾波。

圖 2 擺錘臺(tái)工況1 加速度時(shí)間歷程曲線Fig.2 The acceleration time history curve of pendulum impact table under condition 1

圖 3 擺錘臺(tái)工況2 加速度時(shí)間歷程曲線Fig.3 The acceleration time history curve of pendulum impact table under condition 2

圖 4 浮動(dòng)平臺(tái)工況1 加速度時(shí)間歷程曲線Fig.4 Acceleration time history curve in floating platform under condition 1

表 1 各工況時(shí)間歷結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison table of time history results of each condition

通過對(duì)比各工況下時(shí)間歷程曲線的原始數(shù)據(jù)和250 Hz濾波后的數(shù)據(jù)可知，擺錘式?jīng)_擊臺(tái)加速度峰值受擺錘高度的影響更大，不同高度間的加速度波動(dòng)更大，而浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的加速度峰值在不同工況下波動(dòng)更小。由于浮動(dòng)沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響阻尼耗散的影響，高頻成分所占比重為87%和84%，擺錘式高頻成分所占比重穩(wěn)定在91%。從信號(hào)的衰減速度上來看，擺錘式?jīng)_擊臺(tái)的信號(hào)衰減也更快。

3.2 沖擊譜對(duì)比分析

沖擊速度有3 個(gè)因素，分別為峰值、作用時(shí)間和波形，可以完整描述沖擊輸入特性，對(duì)沖擊輸入脈沖曲線做時(shí)間的積分，即該曲線所覆蓋的面積，便得到了沖擊速度。因此本文采用速度沖擊譜來描述和分析對(duì)比2 種不同沖擊考核方式的異同是合理的、符合實(shí)際的[12]。

圖 5 浮動(dòng)平臺(tái)工況2 加速度時(shí)間歷程曲線Fig.5 Acceleration time history curve in floating platform under condition 2

圖 6 擺錘臺(tái)2 種工況下速度譜Fig.6 Velocity spectrum of pendulum impact table under two conditions

表 2 各工況速度譜結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison table of velocity spectrum results of each condition

通過對(duì)比各工況下速度譜的數(shù)據(jù)可知，擺錘式?jīng)_擊臺(tái)速度譜值受擺錘高度的影響更大，不同高度間的速度譜值波動(dòng)更大，同時(shí)間歷程曲線所對(duì)應(yīng)的情況一致。擺錘式?jīng)_擊臺(tái)位的最大速度譜值雖然大于浮動(dòng)平臺(tái)第1 個(gè)工況的速度譜值，但是小于浮動(dòng)平臺(tái)第2 工況的速度譜值。

4 結(jié) 語

通過對(duì)比擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)和浮動(dòng)沖擊平臺(tái)在水下爆炸下的動(dòng)力特性的異同可知，擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)艦載設(shè)備的沖擊輸入沖擊峰值可以達(dá)到較高的水平，甚至可能大于浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的峰值，但是含有高頻成分所占比重較大。沖擊速度譜有可能小于浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的沖擊速度譜值，存在設(shè)備通過了沖擊試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)考核，但是在浮動(dòng)沖擊平臺(tái)條件下艦載設(shè)備不能夠滿足抗沖擊要求的風(fēng)險(xiǎn)。