某型發射裝置水平減震系統仿真研究＊

張 強 吳明晨

（1.海軍駐鄭州地區軍事代表室 鄭州 450015）（2.鄭州機電工程研究所 鄭州 450015）

1 引言

某型發射裝置水平減震系統由內、外筒和彈、筒間減震裝置兩級組成，外筒與船體焊接在一起，內筒的上端通過法蘭懸掛在外筒上，內筒下端和外筒之間布置一圈筒間減震塊；內筒與彈體之間布置4圈適配器，單塊適配器通過銷子懸掛在彈體外壁上［1］。當發射裝置遭受沖擊時，減震系統起緩沖、隔振的作用，確保在一定的沖擊環境下彈體加速度響應值不能超出規定的要求。文章應用有限元技術建立某型水平減震系統模型，分析發射裝置遭受一定程度的沖擊后彈體的加速度響應情況。

2 導彈沖擊響應過程分析

沖擊發生在一個極短時間內。導彈因沖擊所產生的運動，可分為兩個階段：沖擊作用階 段，自 由 振 動 階 段［2］。導彈、適配器、船體構成的沖擊系統可簡化成如圖1所示的力學模型。

當發生基礎沖擊（因船體運動而產生）時，瞬態的、強烈的沖擊波，使適配器產生很大的變形，急劇的能量放大以位能形式最大限度地儲存于適配器中［3］，少部分傳到彈體上，使彈體受到沖擊并產生運動。由于適配器的儲能作用，此時彈體產生的加速度較小，沖擊完成后，適配器中的能量釋放，彈體在初始速度、慣性力作用下開始自由振動。如能量釋放得緩慢，且遠小于沖擊傳能的速度，則可以起到緩解沖擊的保護作用。如儲存的能量被消耗掉，不被用來驅動彈體運動，則具有更佳的緩沖效果。

3 常用的沖擊脈沖及譜特性

對船用設備的抗沖擊特性進行評價，一般采用試驗的方法進行［4］。艦船在戰斗條件下可能遭受的沖擊環境不能準確確定，為模擬戰斗條件下的沖擊環境，所有沖擊實驗均是對設備作用一個脈沖載荷。常用的脈沖載荷有：三角形脈沖，矩形脈沖，指數脈沖，正弦脈沖。

1）三角形脈沖［5］

三角形脈沖具有如下函數形式：

頻譜為

由圖2可以看出，三角形脈沖的頻譜可覆蓋全頻段，不是等值譜，能量集中在下述頻率點上：

圖2 三角形脈沖及頻譜

且隨著頻率的增大，能量衰減。

2）矩形脈沖［5］

矩形單脈沖具有如下函數關系

頻譜為

圖3 矩形脈沖及頻譜

由圖3可以看出，矩形脈沖的頻譜可覆蓋全頻段，不是等值譜，能量集中在下述頻率點上：

且隨著頻率的增大，能量迅速衰減。

3）指數脈沖［5］

指數單脈沖具有如下函數關系

頻譜為

圖4 指數脈沖及頻譜

由圖4可以看出，指數脈沖的頻譜可覆蓋全頻段，不是等值譜，能量隨著頻率的增大而衰減。

4）簡諧脈沖［5］

簡諧脈沖具有如下三角函數關系，或正弦脈沖，或余弦脈沖，兩者頻譜相同：

頻譜為

圖5 簡諧脈沖及頻譜

由圖5可以看出，正弦脈沖是離散頻譜，能量集中在脈沖的頻率點處。顯然，對結構作用一個簡諧脈沖，其譜具有單頻特性，能量集中在指定的頻率點，所進行的沖擊測試驗證是單頻考核驗證。進行一系列的沖擊試驗，且沖擊脈沖頻率間隔足夠小，即可對整個頻段的抗沖擊特性進行全面考核驗證。

4 仿真計算模型

4.1 彈體仿真模型建立

依據某型的結構參數建立有限元仿真模型，用NASTRAN軟件中shell單元［6］模擬殼體結構，在發動機相連處設橫隔壁，取發動機在0s時刻的質量作為計算質量，采用等效技術將發動機質量等效到相應的有限元模型上［7］。

4.2 適配器仿真模型建立

圖6 適配器在彈上位置

根據各型適配器的結構特點，將其劃分為不同的區域：銷釘組件區、預彎柱體區、電纜槽區。再將各個區域劃分成若干個子塊的集合，每個子塊用一個非線性彈性單元模擬［8］，結合整圈適配器的剛度數據定義相應的參數，使模擬后的適配器剛度特性與試驗數據一致。非線性彈性單元，選用NASTRAN軟件技術的“PBUSH1D”理論［9］。模擬適配器的彈性單元，一端節點在彈體表面，另一端節點在內筒上。適配器位置如圖6所示。

4.3 仿真計算模型建立

根據外筒、內筒結構參數建立仿真模型，采用shell、beam單元模擬外筒、內筒結構，采用“點連接”技術模擬內筒與外筒上端的懸掛連接，在內、外筒底部設置一個彈簧單元模擬筒間減震墊，用筒間減震塊的剛度特性定義彈簧單元相應的參數。彈體與內筒之間建立模擬適配器的非線性彈性單元，將這些模型組裝在一起，即構成減震系統仿真計算模型。

5 仿真計算方法

水下爆炸、碰撞、擱淺、觸礁等，對船體和發射裝置形成強烈的沖擊作用，均可使彈體受到沖擊而產生振蕩。沖擊振蕩構成艇上設備的沖擊工作環境，通常簡稱之為沖擊環境［10］。本文就10Hz～150Hz頻率下的沖擊進行仿真計算。對結構作用一個簡諧脈沖，其譜具有單頻特性，能量集中在指定的頻率點，通過進行一系列的沖擊試驗，即可對整個頻段的抗沖擊特性進行考核驗證，分析彈體遭受沖擊后的加速度響應情況。

計算中取沖擊脈沖為半正弦波脈沖，每隔20Hz取一個沖擊頻率點，共取八個頻率點構成計算工況。表1是各個頻率點工況的橫向沖擊輸入函數。

表1 橫向沖擊輸入函數

6 仿真計算結果

通過計算，得出了在不同頻率沖擊作用下，彈體的加速度響應時間和響應值，結果如圖7～14所示。

圖7 頻率為10Hz的沖擊下彈體加度響應

圖8 頻率為30Hz的沖擊下彈體加度響應

圖9 頻率為50Hz的沖擊下彈體加度響應

圖10 頻率為70Hz的沖擊下彈體加度響應

圖11 頻率為90Hz的沖擊下彈體加度響應

圖12 頻率為110Hz的沖擊下彈體加度響應

圖13 頻率為130Hz的沖擊下彈體加度響應

圖14 頻率為150Hz的沖擊下彈體加度響應

通過計算得出了在各頻率沖擊作用下彈體的加速度時間和響應值，在頻率為30Hz、50Hz、70Hz的沖擊下彈體加速度響應值偏大。沖擊頻率超過70Hz后，彈體的加速度響應值越來越小，這說明高頻沖擊對彈的影響較小。從上圖中可以看出，在一次沖擊作用后，外筒、內筒的加速度響應值明顯高于彈體，這說明水平減震系統具有良好的減震效果。

7 結語

通過仿真計算，彈體在30Hz、50Hz、70Hz的沖擊下彈體加速度響應值偏大，沖擊頻率超過70Hz后，彈體的加速度響應值越來越小，由外筒、筒間減震塊、內筒、適配器組成的兩級減震系統具有良好的減震效果，能大幅衰減傳遞到彈體上的沖擊。

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［2］都軍民，戴宗妙.沖擊響應譜在沖擊試驗中的應用研究［J］.艦船科學技術，2007：29（1）：1－3.

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［4］中華人民共和國國家軍用標準.GJB 150.18.軍用設備環境試驗方法沖擊試驗［S］.國防科學技術工業委員會，1986.

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［7］冷紀桐.有限元技術基礎［M］.北京：化學工業出版社，2007：95－98.

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［9］郭已木，萬力，黃丹.有限元法與MSC.Nastran軟件的工程應用［M］.北京：機械工業出版社，2006：90－95.

［10］中華人民共和國國家軍用標準.GJB 1045.3－90.艦艇船體振動評價基準·潛艇［S］.國防科學技術工業委員會，1991.