應用浮動沖擊平臺考核艦載設備響應分析*

王 軍，姚熊亮，郭 君

(1.哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001; 2.中國船舶重工集團公司第七一九研究所，湖北 武漢 430064)

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應用浮動沖擊平臺考核艦載設備響應分析*

王 軍1,2，姚熊亮1，郭 君1

(1.哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001; 2.中國船舶重工集團公司第七一九研究所，湖北 武漢 430064)

為研究安裝甲板模擬器的浮動沖擊平臺系統考核艦載設備的機理，對整個系統建立有限元模型進行數值模擬并建立力學模型進行了理論分析。根據船體甲板結構產生的垂向低通濾波特性，提出甲板模擬器具有減緩高頻沖擊并滿足設備安裝頻率要求的作用。將被試設備的浮動沖擊平臺考核系統簡化為有阻尼的三自由度系統強迫振動模型，通過拉普拉斯變換方法求解了不同沖擊環境下被試設備的響應。數值模擬與理論計算結果比較吻合，被試設備響應迅速達到峰值后逐漸衰減，振動頻率由高頻向低頻過渡，在分析浮動沖擊平臺艦載設備考核系統長時間響應時需考慮阻尼的影響。

爆炸力學；設備響應；有限元方法；浮動沖擊平臺；甲板模擬器

艦船生命力是船體在遭受一定攻擊后仍能維持作戰任務的基本能力，要達到艦船生命力要求的底線，艦載設備在設計制造時，需具備適當的抗沖擊能力來滿足規范要求。船上的設備設施可能在作戰時遭受武器攻擊發生損壞而無法完成作戰任務，需要通過沖擊實驗考核來保證規范要求的抗沖擊能力[1]。

美國MIL-S-901D艦載設備抗沖擊考核標準中規定，對于質量小于3.36 t的輕型艦載設備，可通過沖擊機完成抗沖擊考核，而對于重量較大的重型艦載設備，則需通過浮動沖擊平臺進行水下爆炸實驗考核[2]。分析艦載設備在浮動沖擊平臺中的響應可對設備的抗沖擊考核提供指導，更好地理解浮動沖擊平臺考核設備的機理。我國現階段主要是針對小型浮動沖擊平臺進行實驗研究[3-4]，分析浮動沖擊平臺在水下爆炸的沖擊環境，同時對美國MIL-S-901D標準和大型浮動沖擊平臺進行過數值模擬研究[5-6]，分析設備的抗沖擊能力[7]，也開展過中型浮動沖擊平臺水下爆炸實驗的安全性分析[8]。已有成果未對浮動沖擊平臺考核艦載設備的機理進行深入研究，同時都未考慮為滿足彈性安裝設備安裝頻率要求的甲板模擬器結構。根據研究現狀，本文中將對安裝甲板模擬器輔助結構的浮動沖擊平臺艦載設備考核系統進行理論和數值模擬分析，對艦載設備在浮動沖擊平臺中不同沖擊環境下的響應進行理論研究，為我國重型艦載設備抗沖擊考核體系的建設提供參考。

1 浮動沖擊平臺考核設備的力學模型

浮動沖擊平臺相對于沖擊機更能真實模擬實船在受到水下爆炸沖擊載荷作用下的沖擊環境。但由于浮動沖擊平臺的質量、尺寸等與實船差異較大，浮動沖擊平臺提供設備的沖擊環境也與實船有所差別。實際船體結構有不同數量和形式的甲板結構，諸多甲板形成的結構好比一個低通濾波器[9]。船體在承受水下爆炸沖擊載荷時，其響應從底部向上由高頻向低頻過渡，即船體結構會對沖擊波的傳播產生濾波效應，使位于船體不同位置的設備承受的沖擊環境不同。而浮動沖擊平臺是簡單的雙層底結構形式，內底板與外底板通過實肋板和縱桁相連接，外底板直接承受水下爆炸沖擊波的作用，內底板上沖擊環境中必然含有較多高頻成分。同時對于剛性安裝設備，安裝頻率一般在60 Hz左右，直接將設備安裝在內底板上即可，而彈性安裝的設備，對安裝頻率有較高要求，一般在10 Hz左右，最高不超過25 Hz[10]，需采取措施滿足其安裝要求。

圖1 被試設備安裝于浮動沖擊平臺甲板模擬器之上Fig.1 Equipment under test mounted on the deck simulator fixture of floating shock platform

對于安裝頻率有要求的被試設備，美國MIL-S-901D中規定通過甲板模擬器來滿足彈性設備安裝要求，如圖1所示。浮動沖擊平臺中的甲板模擬器類似于船舶的甲板結構，兩端通過連接構件與浮動沖擊平臺連接，中間與浮動沖擊平臺內底板保持適當距離，如圖2所示，通過調節連接構件的剛度來滿足不同被試設備的安裝頻率要求。

當使用甲板模擬器來進行浮動沖擊平臺水下爆炸實驗時，被試設備考核的受力模型成為圖3所示的三自由度系統。它包括2個系統：一級結構和二級結構。浮動沖擊平臺支撐一級和二級結構，甲板模擬器支撐二級結構，一級結構在水下爆炸沖擊載荷下的響應是二級結構沖擊響應的輸入。

圖2 甲板模擬器局部結構Fig.2 Local structure of deck simulator fixture

圖3 浮動沖擊平臺力學模型Fig.3 Mechanical model of floating shock platform

2 浮動沖擊平臺力學模型理論分析

在許多情況下，阻尼對振動系統響應的影響是次要的，可忽略不計。然而，如果與系統的固有周期相比，所分析的是系統在相當長時間內的響應，則必須考慮系統的阻尼。此外，當激振力(如簡諧力)的頻率在系統的固有頻率附近時，阻尼也是相當重要的，必須予以考慮。一般情況下，由于阻尼的影響預先并不知道，因此對任意系統的振動分析都必須考慮阻尼的影響[11]。由于浮動沖擊平臺系統中阻尼的影響并沒有研究成果，因此在進行理論分析時考慮阻尼的影響，首先推導出考慮阻尼的浮動沖擊平臺系統運動微分方程。對于圖3所示的三自由度系統，系統的動能為

(1)

勢能為

(2)

(3)

則拉格朗日方程為

(4)

將式(1)～(3)代入式(4)中，得到浮動沖擊平臺系統的運動微分方程:

(5)

式中:

在被試設備考核實驗過程中，只有浮動沖擊平臺承受水下爆炸沖擊載荷，因此有F2(t)=F3(t)=0。由于系統自由度數較多，同時作用給浮動沖擊平臺的水下爆炸沖擊載荷難以給出確切的表達式，因此很難對式(5)進行求解得到x(t)的解析表達式。然而在確定系統模型各參數及水下爆炸沖擊作用力F1(t)大小的情況下，可對安裝甲板模擬器的浮動沖擊平臺三自由度系統進行數值方法的求解。

通過浮動沖擊平臺進行艦載設備的抗沖擊能力考核，實質是利用浮動沖擊平臺提供給被試設備抗沖擊規范所要求的沖擊環境，因此在進行理論計算分析時，可把圖3中的二級結構分離出來單獨進行分析[12]，計算模型如圖4所示。

圖4 被試設備分析模型Fig.4 Analysis model of equipment under test

在國軍標及德軍標BV043/85中，艦載設備的抗沖擊要求都以頻域表示的沖擊譜參數確定。在進行分析計算時，可根據傅里葉逆變換方法，將頻域表示的沖擊環境轉換為時域的沖擊信號。在此參照德國BV043/85規范，使用簡化的計算公式，將頻率內表示的沖擊譜轉換為在時域表示的組合正弦波，如圖5所示。在沖擊譜中與橫坐標成45°的坐標系表示譜位移，如圖中0.1、1、10cm等，而與橫坐標成-45°的坐標系表示譜加速度，如圖中1g、10g、100g等。轉換到組合正弦波后，圖5所示的時域曲線中各參數計算如下：

(6)

式中:ds為沖擊譜的譜位移，vs為譜速度，as為譜加速度。

圖5 沖擊譜到時域沖擊的轉換Fig.5 Time domain conversion of shock spectrum

將頻域表示的沖擊輸入轉換為時域表示的曲線后，可以用分段函數表示為:

1.2.1 問卷調查 通過查閱文獻、集體討論和預調研相結合的方式設計調查問卷；調研內容包括醫學生的一般情況、英語學習現狀、重視程度及需求狀況，影響其參與專業英語學習的因素。

(7)

則圖4所示的被試設備分析模型強迫振動的方程為

(8)

由于a(t)是分段函數，直接求解式(8)的運動微分方程較為繁瑣。在此將式(8)進行拉普拉斯變換，求解變換后的系統響應，再應用拉普拉斯反變換求出所需要的解。拉普拉斯變換法可以用來求解一個系統在任何激勵下的響應，包括諧波激勵和周期激勵。這種方法可用于求線性微分方程的精確解，尤其是式(8)所示的常系數微分方程。它可以將微分方程轉換為代數方程，以便于求解。這種方法的最大優點為可以解決分段和離散函數問題，而不增加難度，而且它可以自動考慮初始條件。將式(8)兩側同時進行變換得到

(9)

式中：

(10)

(11)

(12)

式中：ωn為無阻尼振動系統的固有頻率，阻尼比ζ為阻尼系數c與臨界阻尼系數cc的比值，表達式為：

(13)

將式(7)代入式(11)，求得a(t)的拉普拉斯變換表達式，再代入式(12)得

(14)

式(14)即為圖5所示沖擊環境輸入激勵下在拉氏域表示的被試設備的位移響應表達式。為了由X(s)求出所需要的響應x(t)，對X(s)進行拉氏反變換，x(t)可表示為:

(15)

通過式(15)即可求得圖4所示的被試設備分析模型在不同沖擊環境下的位移響應。

3 理論分析的合理性驗證

為驗證上述浮動沖擊平臺力學模型理論分析的合理性，建立美國中型浮動沖擊平臺有限元模型，通過ABAQUS軟件進行水下爆炸模擬分析。浮動沖擊平臺為雙層底結構形式，內底和外底之間通過縱桁和實肋板連接，四周為抗沖擊圍壁，采用箱形梁加強，在內底板之上安裝甲板模擬器。在此以30 t艦載增壓鍋爐為例，在有限元建模中將增壓鍋爐處理為變形體，安裝于甲板模擬器之上。浮動沖擊平臺外部水域半徑取為平臺半寬的4倍，單元類型選為ABAQUS中的聲介質單元AC3D4，各模型組裝之后如圖6所示。

按照MIL-S-901D中規定的設備考核工況，采用沖擊因子最大的工況進行水下爆炸數值模擬分析，得到增壓鍋爐和甲板模擬器接觸處的垂向響應加速度，如圖7中藍色實線所示，紅色虛線為300 Hz低通濾波之后的加速度時歷曲線。在水下爆炸初始階段，沖擊波先作用于浮動沖擊平臺底部，甲板模擬器并無響應。大約在1.5 ms時，甲板模擬器開始有響應，并迅速達到響應峰值，之后由于數值模擬模型中有阻尼的影響，加速度隨時間變化而逐漸衰減。由濾波之后的加速度響應時歷曲線也可以看出，甲板模擬器上節點加速度響應由高頻慢慢向低頻過渡，同時響應峰值也漸漸衰減。從結構動力學及機械振動理論中可知，對承受沖擊載荷的結構來說，阻尼對控制結構的最大反應就顯得不太重要了。因為在沖擊載荷下，很短的時間內結構就達到了最大反應，在這之前，阻尼力還來不及從結構吸收太多的能量。然而，如果所分析的是系統在相當長時間內的響應，則必須考慮系統的阻尼。因此只分析設備響應峰值可不考慮結構的阻尼，而在研究系統長時間內的響應時，必須考慮系統的阻尼。

圖6 增壓鍋爐安裝于浮動沖擊平臺甲板模擬器之上Fig.6 Supercharged boiler mounted on the deck simulator fixture of floating shock platform

根據甲板模擬器的垂向加速度響應，計算時間取為0.1 s，得到甲板模擬器提供給增壓鍋爐的沖擊環境為：譜位移5.67 cm，譜速度3.30 m/s，譜加速度296 g。根據上節被試設備理論分析模型，將增壓鍋爐所受沖擊環境加載到圖4所示的力學模型上，由于浮動沖擊平臺中的甲板模擬器剛度k和阻尼c的確定較為繁瑣，在此不作為研究重點。根據30 t考核質量設備，取k=20 MN/m，阻尼比ζ=0.1，對其響應進行理論分析，同時與數值模擬計算得到的結果進行對比。數值模擬和理論計算得到的被試設備位移響應如圖8所示。

圖7 垂向響應加速度時歷曲線Fig.7 Acceleration time history of vertical response

圖8 數值模擬和理論計算結果對比Fig.8 Results comparison of numerical simulation and theoretical calculation

從圖8可以看出，數值模擬結果和理論計算結果完全吻合，從而驗證了本文浮動沖擊平臺力學模型理論分析的正確性。在甲板模擬器提供給被試設備的沖擊環境下，被試設備的最大位移響應為4.0 cm。與圖7變化規律類似，被試設備位移響應迅速達到最大值，隨時間變化而逐漸衰減，同時響應頻率也由高頻向低頻慢慢過渡。沖擊激勵輸入之后，由于系統阻尼的存在，被試設備最終位移趨于零。

在浮動沖擊平臺、甲板模擬器及被試設備的三自由度系統中，由于模型剛度、阻尼系數及浮動沖擊平臺受到的水下爆炸沖擊載荷難以確定，同時存在剛度的非線性等問題，最后整個模型簡化為在不同沖擊環境下有阻尼單自由度系統的沖擊響應求解。根據式(14)～(15)可快速求出被試設備在不同沖擊環境下的位移響應，對被試設備在浮動沖擊平臺考核實驗中的位移響應進行初估，指導甲板模擬器剛度的設計及浮動沖擊平臺水下爆炸實驗的進行。

4 結 論

對浮動沖擊平臺中被試設備的響應進行了數值模擬和理論分析，考慮了為滿足彈性安裝設備安裝頻率要求的甲板模擬器輔助結構，對浮動沖擊平臺考核設備的機理進行了研究。在水下爆炸沖擊作用下，安裝甲板模擬器的浮動沖擊平臺被試設備考核系統可簡化為有阻尼的三自由度強迫振動模型。在對被試設備響應分析時，可根據浮動沖擊平臺提供給設備的沖擊環境，按照本文的理論方法對設備的響應進行快速求解。在水下爆炸初始沖擊階段，設備響應迅速達到最大值，隨時間的變化響應峰值逐漸衰減，振動頻率也由高頻向低頻過渡。在分析被試設備響應峰值時可不考慮結構的阻尼，而在分析系統長時間的響應時必須考慮阻尼的影響。所研究內容及分析方法可對浮動沖擊平臺的建設及重型艦載設備考核中被試設備響應的分析提供參考。

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(責任編輯 曾月蓉)

Response analysis of shipboard equipment under test on floating shock platform

Wang Jun1,2, Yao Xiong-liang1, Guo Jun1

(1.CollegeofShipbuildingEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,Heilongjiang,China; 2.The719ResearchInstituteofCSIC,Wuhan430064,Hubei,China)

For the study of the mechanism of shipboard equipment on floating shock platform with installation of deck simulator fixture, the numerical simulation and theoretical analysis were carried out through building the finite element model and the mechanical model of the entire system. According to the vertical lowpass filtering characteristics of the deck structure from the hull, the function of the deck simulator fixture which can reduce the impact of high-frequency percussion and meet the requirements of equipment mounting frequency was put forward. The examining system of ship board equipment under test on floating shock platform was simplified to a damping forced vibration model of the three-axis system. The response of the shipboard equipment in different shock environments was calculated by Laplace transform. The results show that the numerical simulation is consistent with the theoretical calculation. The response of the equipment under test increases rapidly to maximum and then decays with time, and the vibration frequency transforms from high to low frequency. The damping effect should be considered when analyzing the long-term response of the examining system of the equipment under test on floating shock platform.

mechanics of explosion; equipment response; FEM; floating shock platform; deck simulator fixture

10.11883/1001-1455(2015)06-0832-07

2014-04-29；

2014-06-16

國家安全重大基礎研究項目(613157);國家自然科學基金項目(51279038，51109042)

王 軍(1989— )，男，博士研究生;通訊作者： 郭 君，wangjun5613@163.com。

O383.3 國標學科代碼： 13035

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