橫向沖擊試驗機的沖擊臺強度及運動規律分析

王乾勛， 閆　明， 史萬友， 杜志鵬

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

?

橫向沖擊試驗機的沖擊臺強度及運動規律分析

王乾勛1,2， 閆明1,2， 史萬友1， 杜志鵬2

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

橫向沖擊試驗機是考核艦艇設備抵抗水下非接觸爆炸沖擊性能的關鍵設備，用于模擬正、負波沖擊下船體的響應。被試設備安裝在沖擊臺面上，正波沖擊時，設備對沖擊臺產生巨大的傾覆力矩同時設備向沖擊缸一側傾斜，負波沖擊過程中由于設備振蕩使沖擊臺的導軌產生周期性的正壓力和摩擦力。用有限元方法分析了該沖擊臺摩擦力及運動規律，發現：傾覆力矩作用到導軌上，使燕尾槽導向產生很大的接觸力和摩擦力。導軌之間的摩擦力對沖擊臺的輸出波形有顯著影響，不僅使正波加速度峰值顯著增加或減小還使負波的波形呈現鋸齒狀。燕尾槽的摩擦力降低了沖擊臺的峰值速度，使負波過程提前結束，減少了沖擊臺的位移，并對沖擊響應譜低頻段產生嚴重影響。該研究對于橫向沖擊試驗機的設計具有一定的指導意義。

燕尾槽傾覆力矩摩擦力運動規律沖擊譜

0　引言

海軍艦艇在戰時主要承受非接觸水下爆炸的襲擊，水下爆炸造成的沖擊是艦船破壞的主要原因，其中艦艇設備是抗沖擊能力的薄弱環節。海上戰例及實船爆炸沖擊試驗表明，在爆炸沖擊環境下，艦艇殼體即便保持水密性，但艦艇設備卻可能已經損壞，導致艦艇喪失生命力和戰斗能力[1]。艦艇設備抗沖擊性能的高低，直接影響到艦艇的作戰性能，因此各國海軍積極研究艦艇設備抗沖擊設計和試驗方法、制定抗沖擊設計和試驗標準、研發抗沖擊性能考核設備[2-4]。

當前，艦艇設備抗沖擊性能考核主要有三種方式[1，5]：實船水下非接觸爆炸沖擊試驗、浮動沖擊平臺試驗和沖擊試驗機試驗。實船試驗最貼近實際海戰環境，但是成本高、操作復雜、試驗周期長、試驗次數有限、難以得到有統計意義的結果；浮動沖擊平臺試驗需要在專用的水池中進行，使用炸藥作為沖擊源，易受到天氣等條件的影響且有一定的危險性，因此主要用于5 t以上設備的沖擊試驗考核；沖擊試驗機試驗主要在實驗室內對5 t以下的艦用設備進行沖擊考核，操作簡單，可重復性好，據統計90%以上的艦艇設備都在5 t以下，因此沖擊試驗機是考核艦用設備的重要裝置。用沖擊試驗機開展艦艇設備抗沖擊試驗是目前各國普遍采用的方法。德國艦艇沖擊新軍標BV43-85、美國的軍用規范MIL-S-901D和我國頒布的國軍標GJB1060均規定了用沖擊試驗機考核艦艇設備抗沖擊能力的試驗要求[4-5]。

艦艇設備沖擊試驗機從沖擊方向上可以分為垂向沖擊試驗機和橫向沖擊試驗機，橫向沖擊試驗機主要用于模擬潛艇遭受深水炸彈等水中兵器攻擊時艇載設備受到的沖擊[2]。設備在橫向沖擊試驗中由于沖擊點與設備的重心不在同一個水平面上而產生巨大的傾覆力矩，因此水平沖擊試驗臺一定要有導向裝置來承受該傾覆力矩?？紤]到燕尾形導向承載能力大，運動平穩，間隙可調，因此設計一種燕尾槽導向的橫向沖擊試驗臺。另外，考慮到傾覆力矩使導軌彎曲變形，局部接觸應力增加，燕尾導軌與燕尾槽的摩擦力較大。下面將分析傾覆力矩和摩擦力對沖擊試驗臺的輸出波形的影響。

1　橫向沖擊試驗機組成及工作原理

水下非接觸爆炸產生沖擊波和氣泡脈動兩種沖擊效應[6-8]。沖擊波傳播速度快，作用到船體后，船體向上或向一側拱起，然后經船體結構傳遞給艦用設備，對設備產生正波沖擊，氣泡脈動隨后作用到艦體上，使船體向下或向另一側運動，船體結構和設備受到負波沖擊。沖擊試驗機就是要模擬正、負波沖擊下船體的響應。

橫向沖擊試驗機主要由沖擊臺、沖擊缸、沖擊錘、阻尼缸和大質量基礎組成，如圖1所示。大質量基礎下面及前后兩端都布置有隔振器，減小系統的沖擊振動對環境的影響。沖擊臺下端加工燕尾槽，燕尾形導軌可在燕尾槽內自由滑動，燕尾形導軌與大質量基礎固定連接。沖擊缸用高壓氣體作為動力源，能夠在較短的行程內使沖擊錘獲得較高的初始速度。阻尼缸一端與大質量基礎連接，另一端與沖擊臺連接，為了保證正波沖擊時，無阻尼力作用，阻尼缸有一段空行程。試驗時沖擊錘加速運動獲得一定的初始速度，然后與沖擊臺發生碰撞，產生正波沖擊，正波結束后阻尼缸內的流體對沖擊臺產生阻尼作用，產生負波沖擊，沖擊臺逐漸停止運動。設備的傾覆力矩以及燕尾導軌與燕尾槽的摩擦力對輸出沖擊波形的影響是本文的研究重點，設備、沖擊臺、燕尾導軌、燕尾槽的連接關系如圖2所示。

圖1　橫向沖擊試驗機系統

圖2　燕尾形導向示意圖

2　導軌沖擊臺計算模型

建立沖擊臺有限元簡化模型(為節約計算成本，將載荷與重量平均分配到一條燕尾槽)，其中設備重4 t，重心高0.8 m，沖擊臺長2.5 m，寬2 m，高0.4 m，重7.8 t，如圖3(a)所示。圖3(b)是燕尾槽和燕尾形導軌的有限元模型，導軌表面設置接觸，而滑槽表面設置目標單元，由此來模擬兩者的接觸和摩擦作用，同時對整體施加向下的重力效果，考慮重力對分析的影響。

圖3　沖擊臺有限元簡化模型

3　導軌沖擊臺計算及分析

3.1沖擊環境與工況設計

艦船受到水下爆炸后，先后經過爆炸沖擊波與氣泡脈動的雙向作用，根據德國BV043-85標準，將艦艇受到的水下爆炸沖擊簡化為如圖4所示的正負雙波機制，用沖擊錘與阻尼缸對臺體實現正負雙波的沖擊效果，改變沖擊錘的速度以及阻尼缸的阻尼特性，可以實現不同的沖擊載荷輸入。

圖4　加載力波形圖

試驗設備由于具有一定的重心高度，在高速沖擊過程中，會產生巨大的傾覆力矩，同時燕尾槽導軌之間會存在一定的摩擦力，故設計三種工況：第一種工況不考慮導軌與滑臺的摩擦力即摩擦系數f=0，該計算主要是研究傾覆力矩對沖擊臺運動的直接影響；第二種與第三種工況導軌與滑臺的摩擦系數分別為f=0.08、f=0.15,該計算主要研究摩擦力對沖擊臺運動的影響。

3.2沖擊仿真結果分析

3.2.1沖擊臺位移響應分析

通過圖5可以看出傾覆力矩對燕尾槽導軌產生較為明顯的應力效應，設備振蕩引起導軌變形，燕尾槽應力分布不均，接觸應力在局部較大。由圖6可知，理想位移曲線與摩擦系數f=0的位移曲線有一定的差距，說明在沖擊作用力下，傾覆力矩會影響沖擊臺位移響應。在設計燕尾槽導軌時，應考慮試驗設備重心的高度以及傾覆力矩對于沖擊臺位移響應，同時巨大的傾覆力矩對于燕尾槽壽命的影響。

圖5　某時刻傾覆力矩對于燕尾槽產生的應力云圖

圖6　各工況下的位移響應

而摩擦力在正負波不同階段表現的作用不同：在正波作用階段與作用力反方向，效果為阻礙加速運動；在負波作用階段與作用力同向，效果為有助于減速運動。這種現象使得在時間終點處的位移小于位移最大值，如圖6中有摩擦所用的兩條位移曲線，此時認為，摩擦力使得設備在最大位移處提前停止運動。

3.2.2加速度響應及其偽速度譜分析

通過圖7可以清楚看到，摩擦與傾覆力矩對于加速度信號影響明顯，不僅使正波峰值顯著減小，而且使曲線不再光滑，尤其在負波階段，加速度曲線波動劇烈，而且隨摩擦系數的增加，波動越劇烈，這是由于運動副之間由于摩擦而引起的爬行現象導致。

圖7　加速度曲線

沖擊響應譜是指一系列有著不同固有頻率的彈簧振子，在受到相同沖擊響應后，得到各個彈簧振子的最大相對位移響應、最大加速度響應、偽速度沖擊響應等變量，以不同彈簧的頻率為橫坐標，以上述變量為縱坐標而繪制的曲線。沖擊譜是艦船抗沖擊設計的重要工具，Gaberson等人發明了一種對數四坐標偽速度沖擊響應譜的繪制方法，可將最大相對位移響應、偽速度響應、最大加速度響應在同一個圖中顯示出來，圖8所示為各工況下加速度對應的偽速度沖擊響應譜。圖中，橫坐標表示固有頻率，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。通過圖8可以看到，摩擦的存在主要影響低頻處的偽速度值，使得沖擊譜值在低頻處出現比較嚴重的偏差，對于艦船中低頻結構的抗沖擊設計產生較為嚴重的影響。

圖8　四座標偽速度沖擊響應譜

4　結論

(1) 由于試驗設備的重心較高，沖擊過程中會對燕尾槽產生較大的傾覆力矩，影響沖擊臺的加速度和位移響應，同時會對燕尾槽局部導軌產生嚴重的應力效應，會對沖擊試驗機的使用壽命產生不良影響。

(2) 由于摩擦力在沖擊運動不同時間階段表現的作用不同，使得加速度位移曲線以及加速度曲線偏離理想曲線較大，而且使加速度曲線在負波階段波動劇烈，并降低了位移峰值，沖擊臺提前停止運動。

(3) 摩擦力對沖擊響應譜的低頻段影響較大，甚至達幾個數量級，對于艦艇低頻設備的抗沖擊設計產生嚴重影響。

[1]Gene R, Maurice B. 50th anniversary lecture evolution of spectral techniques in navy shock design [J].Shock and Vibration Bulletin, 1983, 3(1): 59-70.

[2]閆明, 曾澤璀, 王玉生. 振蕩與摩擦對橫向沖擊試驗臺的波形影響分析[J]. 機械設計與制造, 2015(8):39-41.

[3]高俊斌. 沖擊載荷作用下螺紋連接件屈服強度研究[J]. 機械設計與制造, 2015(3):76-78.

[4]閆明, 朱相軍, 馮麟涵,等. 艦艇管道支吊架結構及特性綜述[J]. 機械設計與制造, 2015(2):261-264.

[5]馮麟涵, 汪玉, 杜儉業. 水面艦艇非典型安裝設備沖擊環境特征 [J]. 哈爾濱工程大學學報, 2012, 46(8): 972-977.

[6]汪玉, 華宏星. 艦船現代沖擊理論及應用 [M]. 北京：科學出版社, 2005.

[7]周璞. 艦船設備反沖力動力響應的仿真計算及其研究 [D]. 上海：上海交通大學, 2011.

[8]BV0430-85. 德國國防軍艦建造規范——沖擊安全性[S]. 科布倫茨：德國國防裝備技術和采購局, 1987.

[9]國防科學技術工業委員會.軍用設備環境試驗方法——沖擊試驗：GJB150.18-86[S]. 1986.

[10]國防科學技術工業委員會.艦船環境條件要求——機械環境：GJB1060.1-91[S]. 1991.

[11]Kamaya M, Taheri S. The dynamics of three-dimensional under water explosion bubble [J]. Nuclear Engineering and Design, 2008, 238(9): 2147-2154.

[12]Bahrani N, Valley B. Calculating the Effect of Surface or Underwater Explosions on Submerged [J].Structural Safety, 2011,34(12), 381-389.

Strength and Motion Law Analysis on Shock Table of Transverse Shock Test Machine

WANG Qian-xun1,2, YAN Ming1,2, SHI Wan-you1, DU Zhi-peng2

(1.School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang Liaoning 110870, China; 2.Navy Equipment Research Institute， Beijing 100161, China)

The transverse shock testing machine is the important equipment for testing naval craft against the underwater non-contact explosive, which used to simulate the hull's response under the positive and negative wave shock. The tested equipment is installed on the shock table. When positive wave shock, the device produce a huge overturning moment to the equipment. And at the same time, the device tilt to the shock cylinder side. The rail of shock table produce the periodic positive pressure and friction because of equipment oscillation during the negative wave shock process. The friction force and motion law of the bounce table was analyzed by finite element method. It was found that the dovetail guide creates a huge contact force and friction force was made by overturning moment acts on the rail. The friction makes a significant effect on output waveform of bounce table, not only the positive wave acceleration peak significantly increasing or decreasing but also make negative wave appear jaggy. Friction force of the dovetail groove reduces the peak speed of the bounce table, make the negative wave process finish in advance and reduce displacement of the bounce table, and made the SRS appears serious deviation. The researches have a certain significant guidance on the design of transverse shock testing machine.

Dovetail GrooveOverturning momentFrictionMotion PatternShock Spectrum

王乾勛(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為艦船設備抗沖擊。

U662

A