水下非接觸爆炸的負波對艦船設備破壞的影響

鄒　斌，閆　明，劉　棟，金　昊（沈陽工業大學機械工程學院，沈陽110870）

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水下非接觸爆炸的負波對艦船設備破壞的影響

鄒斌，閆明，劉棟，金昊
（沈陽工業大學機械工程學院，沈陽110870）

摘要：揭示水下非接觸爆炸的負波對艦船設備沖擊破壞影響，并分析沖擊破壞規律，對艦船設備抗沖擊設計及考核具有重要意義。設計不同固有頻率的懸臂梁，分別計算在不同負波脈寬和負波延遲時間的沖擊載荷作用下梁固定端應力響應，得到負波脈寬與應力、負波延遲時間與應力的關系曲線，同時繪制了相應的沖擊響應譜。結果表明：增加負波脈寬可提高沖擊載荷對低頻設備破壞能力，對中頻和高頻設備破壞影響不大；負波延遲可加劇低頻設備破壞，可降低中頻設備破壞，對高頻設備破壞無影響；增加負波脈寬和負波延遲時間均可加劇沖擊載荷對低頻設備的破壞。

關鍵詞：振動與波；水下非接觸爆炸；負波；艦船設備；沖擊響應；延遲時間

來稿日期：2015-10-26

海軍艦船在戰時不可避免地遭受水雷、魚雷等敵方武器的攻擊，由此產生的水下非接觸爆炸一般不會擊穿船體結構，卻會造成設備大范圍的損壞（比如螺栓斷裂、管路泄漏、主軸卡死等），導致艦船喪失生命力和戰斗能力[1–7]。由此可以看出設備是艦船抗沖擊能力的薄弱環節，其抗沖擊性能的高低，會直接影響到艦船的作戰性能。

水下非接觸爆炸產生沖擊波壓力脈沖和氣泡脈動兩種沖擊效應。沖擊波壓力脈沖傳播速度快，作用到船體后，船體向上拱起，船體結構和設備受到正波沖擊；氣泡脈動隨后作用到船體上，使其突然向下運動，船體結構和設備受到負波沖擊。因此，艦船設備在遭受水下爆炸沖擊時在時域上呈現近似正、負雙波的沖擊特性。與正波相比，負波的加速度峰值較小而脈寬較大。為此，一般認為主要是正波造成設備的沖擊破壞。我國艦船設備抗沖擊設計與試驗標準GJB4000-2000《艦船通用規范》和GJB1060《艦船環境條件要求》規定了用正波設計和校核艦船設備的抗沖擊能力，在我國能夠模擬正波雙波聯合作用的沖擊試驗機也是比較罕見的。

氣泡脈動效應(負波效應)是由爆炸產生的高壓氣體在水中膨脹、收縮而產生。氣泡脈動具有周期性，其基頻與艦船的1、2階頻率接近，極易使艦船產生振蕩，容易使艦船發生整體屈曲甚至斷裂，為此氣泡脈動對設備的沖擊破壞不應被忽視[8-11]。近年來我國海軍開展了大量的實船水下非接觸爆炸試驗表明，沖擊波壓力脈沖產生的正波與氣泡脈動產生的負波具有明顯的時間間隔。

本文將設計不同固有頻率的懸臂梁代表低頻、中頻和高頻設備，計算懸臂梁在不同負波脈寬和不同負波延遲時長沖擊載荷作用下的應力響應，繪制四坐標沖擊響應譜，探討負波及其延遲時間對艦船設備破壞的影響。

1　沖擊響應譜

艦船設備在水下非接觸爆炸沖擊環境中的響應與其固有頻率息息相關。為了形象地反映沖擊環境對各種固有頻率設備的破壞潛能，MauriceBiot等將沖擊載荷作用于圖1所示的一系列(k個)不同固有頻率(fn)的彈簧振子，計算各個彈簧振子的最大相對位移響應、偽速度響應、最大加速度響應。其中：最大相對位移響應是指沖擊載荷作用時間歷程中以及沖擊結束后彈簧振子自由振動時質量點相對沖擊點的最大位移幅值，即彈簧的最大變形量；偽速度響應是彈簧振子的最大位移響應與其固有圓頻率的乘積，其量綱與速度相同；最大加速度響應是指沖擊載荷作用時間歷程中以及沖擊結束后彈簧振子自由振動時質量點的最大加速度幅值。

圖1　彈簧振子模型

以彈簧振子固有頻率為橫坐標，以最大響應為縱坐標即可繪制出沖擊載荷的相對位移響應譜、偽速度響應譜和加速度響應譜。換言之，沖擊響應譜是一系列固有頻率不同的單自由度線性系統受同一沖擊激勵響應的總結果。Gaberson等發明了一種對數四坐標沖擊響應譜的繪制方法，可將上述三種響應在同一個圖中顯示出來，如圖2所示。圖中，橫坐標表示彈簧振子的固有頻率，縱坐標表示偽速度，與橫坐標成+45°和- 45°的坐標分別表示最大相對位移響應和最大加速度響應。對數四坐標系中的沖擊響應譜形似三折線，在艦船設備的設計與試驗過程中一般將沖擊響應譜簡化為三條折線，因此艦船設備的設計譜也叫做三折線譜，左側折線表示彈簧振子的極限譜位移(d0)，中間直線表示彈簧振子的極限譜速度(v0)，右側折線表示彈簧振子的極限譜加速度(a0)[12–14]。

圖2　對數四坐標中的沖擊響應譜和三折線譜

在艦船設備設計及試驗過程中需要將三折線譜轉換為圖3所示正負組合三角波沖擊信號，圖中橫坐標為時間，縱坐標為加速度。

圖3　正負組合三角波

美國軍用標準ANSI/ASA S2.62-2009[15]規定了沖擊響應譜與時域沖擊信號之間的轉換關系

2　計算模型

鑒于國內外常用懸臂梁結構研究水下非接觸爆炸對艦船設備的沖擊破壞機理[12，13]，設計不同固有頻率的懸臂梁，分析懸臂梁在各種沖擊載荷下的應力響應，進而分析負波對設備的破壞影響。一般認為，固有頻率小于10 Hz的設備為低頻設備，10 Hz～160 Hz為中頻設備，大于160 Hz為高頻設備[5]，因此選取固有頻率為4 Hz、60 Hz和200 Hz的懸臂梁分別代表低頻、中頻和高頻設備。

圖4所示懸臂梁模型長度為l，寬度為b，厚度為h，其材料為Q235鋼，彈性模量E =206 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。保持梁的截面寬度b = 30 mm不變，根據式(8)變換長度l和厚度h兩參數，可設計出不同固有頻率的懸臂梁，列于表1中。

圖4　懸臂梁模型

式中：截面慣性矩I =bh3/12；截面面積A =bh。式(8)用于計算懸臂梁在沖擊方向的1階固有頻率。

表1　懸臂梁參數

3　負波對設備沖擊破壞的作用

經大量實船水下非接觸爆炸試驗測得負波脈寬一般為16 ms至40 ms。據圖3設計五條時域加載曲線，并將參數列于表2中，這五條加載曲線的正波峰值和脈寬不變，改變負波脈寬，并保證負波與橫坐標所圍面積不變，即保證載荷作用結束后，設備或懸臂梁加載部位的速度為零。

表2　沖擊載荷參數

計算后提取懸臂梁的最大應力，在圖5中展示懸臂梁最大應力與負波脈寬之間的關系。從圖可知，固有頻率為4 Hz的懸臂梁最大應力響應隨著負波脈寬增加而增大；固有頻率為60 Hz和200 Hz的懸臂梁最大應力響應幾乎不變。可見，增加負波脈寬將提高沖擊載荷對低頻設備的破壞能力。

將表2中不同負波脈寬沖擊載荷1、2、3、5繪制成如圖6所示的沖擊譜圖，載荷1、2、3、5對應的負波脈寬依次增加。由圖6可知，負波脈寬越大，極限譜位移越大。從式(1)至式(7)可知，沖擊載荷正波幅值決定沖擊譜的譜加速度，正波幅值和脈寬共同決定譜速度。綜合考慮圖6及式(1)—式(7)可知，負波決定了譜位移，而負波脈寬的增加本質上是通過增大譜位移來加劇對低頻設備的破壞。

圖5　負波脈寬對沖擊破壞的影響

圖6　不同負波脈寬對應的沖擊譜圖

4　負波延遲對設備沖擊破壞的影響

如前所述，受到藥包大小、距離、深度等多種因素影響，正波和負波不會正好銜接，如圖7所示，此時負波相對正波有一定的時間延遲。

圖7　沖擊加速度載荷曲線

為了研究負波延遲對艦載設備沖擊響應的影響，同樣選取固有頻率為4 Hz、60 Hz和200 Hz的懸臂梁分別代表低頻、中頻和高頻設備，保證圖7中正波脈寬t20=3.5 ms、正波幅值a1=452.8 m/s2、負波脈寬t22- t21=15 ms和負波幅值a2=105.6 m/s2四個參數未定值，設計六種正負波之間的延遲時間t21- t20=0 ms、5ms、10ms、15ms、20ms和25ms的沖擊載荷。

利用所設計的六種不同負波延遲時間的沖擊載荷對懸臂梁進行沖擊響應計算，計算后提取懸臂梁固定端的最大應力，繪制出如圖8所示的三種固有頻率懸臂梁的應力與負波延遲時間之間的關系曲線。從圖8可知，負波延遲會提高低頻設備的最大應力，降低中頻設備的最大應力，負波延遲對高頻設備的最大應力響應幾乎無影響。可見，負波延遲時間的增加可以提高沖擊載荷對低頻設備的破壞能力，可以降低沖擊載荷對中頻設備的破壞能力，對高頻設備的破壞能力幾乎無影響。

圖8　負波延遲時間對沖擊破壞的影響

為進一步研究負波延遲對艦船設備破壞的本質，將負波延遲時間依次取為0、5 ms、15 ms、25 ms的沖擊載荷繪制成如圖9所示的沖擊譜圖，通過對比分析可得：極限譜位移隨著沖擊載荷負波延遲時間的增加而增大；譜速度隨著負波延遲時間的增加而增大；結合前文得到的負波延遲可提高對低頻設備的破壞能力這一結論，可再次得到極限譜位移值可以代表沖擊載荷對低頻設備的破壞能力這一結論；通過對比圖9中的沖擊譜圖與圖7中的沖擊譜圖，可以得到不同負波脈寬的沖擊載荷與不同負波延遲時間的沖擊載荷對于低頻設備的破壞具有相同的影響，均可加劇低頻設備的破壞。

圖9　負波不同延遲時間對應的沖擊譜圖

5　結語

(1)通過對三種頻率懸臂梁進行不同負波脈寬的沖擊計算，可知增加負波脈寬可提高沖擊載荷對低頻設備的破壞能力，對中頻和高頻設備的破壞影響不大。由于不同負波脈寬對應不同的極限譜位移，進而可知極限譜位移可代表沖擊載荷對低頻設備的破壞能力。

(2)負波延遲可以提高沖擊載荷對低頻設備的破壞能力，降低沖擊載荷對中頻設備的破壞能力，對高頻設備的破壞能力幾乎沒有影響。由于不同負波延遲時間對應于不同的極限譜位移值，因此可再次得到極限譜位移可代表沖擊載荷對低頻設備破壞能力的結論。

(3)增加沖擊載荷的負波脈寬與增加沖擊載荷的負波延遲時間對低頻設備的破壞具有相同的影響，均可加劇沖擊載荷對低頻設備的破壞能力。

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Effect of Negative Wave Induced by Underwater Non-contact Explosion on Ship Devices’Damage

ZOU Bin , YAN Ming , LIU Dong , JIN Hao
( School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110780, China)

Abstract:Theinfluenceof negativewaveinduced by underwater non-contact explosion on ship devices’damagewas revealed. The law of shock damage, which has great significance to the design and assessment of shock-resistance for ship devices, was analyzed. The cantilevers with different natural frequencies were designed, and the stress response of the fixed end under the impact loads with different negative wave pulse width and different time-delay was calculated. The curves of thenegativewavepulsewidth and thenegativewavetime-delay vs. theresponsestresseswereplotted and thecorresponding shock response spectrum was drawn. The results show that increasing the negative wave pulse width can raise the damage ability of the shock load to the low-frequency devices, but has little effects on medium and high frequency devices. The negative wave time-delay can increase the damage of the low-frequency devices, but can reduce the damage of mediumfrequency devices, and haslittleeffectson thedamageof thehigh-frequency devices. Increasing negativewavepulsewidth andincreasingnegativewavetime-delay canincreasedamageability of theshock loadtothelow-frequency devices.

Key words:vibrationandwave; underwater non-contact explosion; negativewave; devices; shock response; timedelay

通訊作者：閆明(1978- )，男，碩士生導師，副教授。E-mail:yanming7802@.163.com

作者簡介：鄒斌(1989- )，男，河北保定人，碩士研究生，主要研究方向為艦船設備抗沖擊設計。

基金項目：中國博士后基金資助項目(2014M562622)

文章編號：1006-1355(2016)02-0144-04

中圖分類號：U66

文獻標識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.032