LED光源水下爆炸隔振設計

王文冠，　周　力

（1. 大連測控技術研究所， 遼寧 大連， 116013； 2. 大連理工大學 船舶工程學院， 遼寧 大連， 116024）

LED光源水下爆炸隔振設計

王文冠1，周力2

（1. 大連測控技術研究所， 遼寧 大連， 116013； 2. 大連理工大學 船舶工程學院， 遼寧 大連， 116024）

為了分析水下爆炸氣泡的脈動特性， 直觀地觀察水下爆炸氣體產物的脈動過程， 設計了發光二極管（LED）照明設備，并對隔振設計進行了研究。文中應用數值仿真方法， 研究了LED光源隔振系統在非接觸水下爆炸載荷作用下的性能， 利用Hypermesh軟件建立了LED燈、隔振系統、保護罩及周圍水介質的有限元分析模型， 應用ABAQUS軟件中的聲-結構耦合方法， 分析了隔振器的動態響應。通過分析出線口位置彈簧兩端點加速度時程曲線， 得到結構內外介質的密度差會影響爆炸沖擊波的傳遞路徑， 并且結構的固定方式會影響 LED光源的照明效果。文中的研究可為小型結構水下爆炸隔振設計提供參考。

水下爆炸； LED光源； 聲-結構耦合； 隔振系統； 沖擊加速度

0　引言

氣泡脈動的能量約占水下爆炸產生總能量的二分之一， 對結構產生的破壞主要有鞭狀振動（whipping）和水射流（jetting） 2種形式。隨著高性能炸藥的大量應用， 爆炸產生的氣泡所攜帶的能量比例逐漸提升。當今， 各國海軍皆致力于對水下爆炸氣泡毀傷的研究， 以提高其在實戰中的應用［1］。開展水下爆炸氣泡脈動研究的關鍵在于如何得到真實的氣泡脈動圖像， 以研究氣泡脈動的過程和作用機理。

由于水下諸多因素會對光的傳輸造成影響，自然光在水的吸收和散射作用下傳輸距離有限，不能滿足照明的需要［2］， 因此， 水下拍攝對照明技術要求很高。高速攝像拍攝的幀率很高， 對照明條件要求更高， 因此水下人工照明系統就成為水下爆炸高速攝像不可或缺的輔助設備。

以發光二極管（light emitting diode， LED）為發光體的LED光源具有效率高、壽命長、耗電量少， 安全可靠性強， 防潮、抗振動、有利于環保等特點， 可連續使用10萬小時， 比普通白熾燈泡壽命長100倍。所以， LED光源憑借其優秀的性能被選為水下爆炸照明光源。但是， 作為水下爆炸照明專用燈， 其還應具備在爆炸環境中正常工作的能力， 故需要加裝保護罩和隔振系統， 確保LED燈的沖擊加速度在安全范圍內。

近年來， 國內外學者在水下爆炸隔振系統的動態響應領域做了一些研究。1999年， D.V. Balandin等人對單自由度沖擊隔振系統進行了研究及設計優化［3］； 2000年， 宗智等人第一次給出了人體隔振系統模型， 并基于模型優化了水下爆炸隔振計算公式［4］； 2009年， 蔣國巖等人將壓力曲線施加在船底， 采用ANSYS軟件進行時間歷程計算分析， 得到船體結構以及隔振系統的沖擊響應結果［5］； 2012年， 劉東岳等人給出了艦艇抗沖瓦水下爆炸流固耦合沖擊動力學模型，模型很好的反映了具有復雜芯層結構的抗沖瓦在水下爆炸沖擊波作用下的緩沖與耗能機理［6］；2013年， J. Chung和Y.S. Shin對高速雙體船水下爆炸載荷作用下的動態響應進行了研究［7］。

D.V. Balandin和宗智等都是基于單自由度系統給出的沖擊隔振模型； 蔣國巖、賈則將壓力曲線施加在船底， 以上2種模擬方法所給出的爆炸環境都和真實的爆炸環境有很大差異。文中基于聲-結構耦合算法， 應用ABAQUS軟件模擬LED光源水下爆炸沖擊過程， 對結構設計和邊界條件的選取進行了探究。

1　ABAQUS聲-結構耦合方法

ABAQUS軟件在計算水下爆炸載荷時， 首先通過經驗公式計算出臨近結構表面一點流體介質的壓力時程曲線， 再通過這點自動差分出流場其余各點壓力分布［8］。這是ABAQUS軟件計算水下爆炸的最大優勢， 避免沖擊波在流體介質中傳播產生的能量損失［9］。

圖1給出了一艘艦船漂浮于水面上的示意圖［10］。圖中:Sfp為壓力值已知的邊界面；Sfi為輻射邊界， 例如無反射邊界條件；Sfs是聲-結構耦合邊界，在這個耦合邊界上結構與流場法向位移相等；Sfr是阻抗邊界， 通常為海底反射面等。

圖1　流場及邊界條件示意圖Fig. 1　Sketch map of fluid domain and boundary conditions

假設流體是線性聲學介質， 密度在均值ρ0附近波動。設流場壓力分布為p， 速度分布為v。進一步假設流體是正壓的， 離散的流固耦合方程［11］

式中: p為流體節點上的壓力； u為結構節點上的位移； M為質量陣； C為阻尼陣； K為剛度陣；和Sfs分別表示流體對結構的作用力和結構對流體的作用力。

2　隔振器模擬方法

如圖2所示， 設有彈性子系統A和彈性子系統B， 他們之間通過N1個隔振器連接， 第i個隔振器的剛度矩陣、阻尼矩陣和旋轉變換矩陣為Ki， Ci，Ri，隔振器在彈性子系統A， B上隔振器安裝點彈性變形矩陣分別為Wai， Wbi， 截取 A， B子系統前nb， nc階模態參與系統的綜合， 并設A，B子系統廣義坐標分別為qa，qb， 質量矩陣分別為Ma，Mb， 剛度矩陣分別為Ka，Kb， 力分量分別為Fa，Fb［12］， 則由彈性體建模理論， 彈性體子系統A和彈性體子系統B的動力學方程分別為

經過整理彈性體子系統A和彈性體子系統B系統綜合后的動力學方程可寫為

圖2　彈性子系統和彈性子系統綜合Fig. 2　Elastic subsystems and their composition

3　LED光源模型建立

LED光源由LED燈和保護罩組成， LED光源整體為圓柱形， 上下、左右對稱， 保護罩將LED燈包裹在內部， 二者由隔振系統連接。

隔振系統由23根彈簧組成， 分布于LED燈周圍， 將LED燈與保護罩連接在一起， 見圖3。表1給出了23根彈簧特征。

表1　彈簧特征Table 1　Characteristics of spring

根據散熱方式的不同， 給出3種不同方案。

方案1: LED燈和保護罩之間充滿海水， 且內部海水和外部海水連通。方案1結構圖見圖3。

方案2: LED燈和保護罩之間充滿海水， 但燈頭的玻璃罩使內外海水不連通。結構圖見圖4。

方案3: LED燈和保護罩之間充滿空氣， 在LED燈內部加散熱液體， 燈頭處玻璃罩使內外隔絕。結構圖見圖5。

圖3　方案1結構圖Fig. 3　Structure diagram of scheme 1

圖4　方案2結構圖Fig. 4　Structure diagram of scheme 2

圖5　方案3結構圖Fig. 5　Structure diagram of scheme 3

LED光源總體長度小于0.5 m， 半徑0.237 m。保護罩和LED燈座采用316L鋼， 燈頭和玻璃罩為有機玻璃材料， 外部水域為海水， 水域半徑取LED燈長的3倍。通過Hypermesh軟件建立LED光源和海水幾何模型和有限元模型。LED光源采用殼單元， 海水采用聲學四面體單元。圖6～圖8給出了部分有限元模型。

保護罩和LED燈的面網格平均邊長0.005 m。水域網格由內向外從0.005 m逐漸漸變到0.08 m，此為最大值。然后導入到ABAQUS軟件進行后處理， 彈簧由ABAQUS給出兩結點之間的連接屬性模擬。

圖6　方案1的發光二極管（LED）光源Fig. 6　Light emitting diode（LED） light source of scheme 1

圖7　方案2的LED光源剖視圖Fig. 7　Sectional view of LED light source of scheme 2

圖8　方案3外部水域剖視圖Fig. 8　Sectional view of out water of scheme 3

LED光源放在水深30 m處， 炸藥懸浮在水深30 m， 水平距離燈頭9 m處， 爆炸工況如表 2， 爆點布置示意見圖9。

表2　爆炸工況Table 2　Explosion condition

圖9　爆炸工況示意圖Fig. 9　Schematic of explosion condition

邊界條件設置如下: LED光源和海水接觸面設置為聲-結構耦合面， 海水表面壓強為0， 海水外表面為無反射表面。然后應用ABAQUS進行后處理計算。

4　結構形式對隔振的影響

根據散熱方式的不同， 上述3種方案采用了3種不同的結構形式。圖10、圖11給出了3種方案出線孔位置彈簧兩端點加速度時程曲線。表3對比了3種方案的加速度衰減率。

圖10　出線口LED端加速度時程曲線Fig. 10　Acceleration time history curves of LED at cable outlet

圖11　出線口保護罩端加速度時程曲線Fig. 11　Acceleration time history curves of protection cover at cable outlet

表3　3種方案出線口處加速度Table 3　Acceleration at cable outlet of three schemes

由以上給出的3種方案沖擊加速度輸出結果可以看出， 方案1加速度峰值＞方案2加速度峰值＞方案3加速度峰值。其中， 方案1和方案2中的保護罩和LED燈都受到沖擊波的作用。方案3中保護罩沖擊加速度峰值很大， LED燈沖擊加速度峰值卻很小。因此， 方案1和方案2的隔振系統沒有起到保護作用， 沖擊波的能量經過海水直接傳播到了LED燈上， 方案3中的沖擊加速度衰減了99%，能量沒有通過空氣繼續傳播， 而是沿著隔振彈簧傳播到LED燈， 說明保護罩內外介質密度差對傳播路徑有影響， 而內外介質是否連通對傳播路徑影響很小。

5　邊界條件對隔振的影響

相對于30 kg TNT藥量， LED光源尺寸較小，氣泡脈動和氣泡遷移對LED光源姿態影響很大。根據爆炸工況， 氣泡在脈動上浮的過程中會造成LED光源周圍水域上下壓力的不對稱， 引發LED光源整體運動。因此， 將繼續研究邊界條件對LED光源隔振系統的影響。

首先， 通過給出水域中典型點的壓力時程曲線， 得到氣泡脈動的具體時間點。選取水平距玻璃罩圓心0 m， 0.165 m， 0.5 m為水壓力1， 2， 3號測點。圖12給出了3個測點的水壓力時程曲線。

圖12　3個測點水壓力時程曲線Fig. 12　Water pressure time history curves of three measuring points

由圖12給出的3個測點水壓力時程輸出結果可以發現， 當沖擊波到來時， 水壓力達到1個最高的峰值， 之后迅速衰減至很小。上文出現的沖擊加速度就是由這個峰值產生， 對結構破壞尤為嚴重。在0.29 s附近水壓力達到了第2個峰值， 該峰值就是由于氣泡的收縮膨脹所產生的壓力峰值， 如果其頻率和結構的固有頻率相似， 就會使結構產生鞭狀運動， 造成結構毀傷。

下面選取自由邊界條件（懸浮在水中）和固定邊界條件（用鋼架固定在水下）， 對沖擊波和氣泡聯合載荷作用下出線孔處彈簧LED端沖擊加速度時程曲線輸出， 觀察隔振系統響應情況。圖13和圖14給出了測點的彈簧軸向加速度時程曲線。

由自由邊界條件仿真結果可以看出， LED端在沖擊波到來之后沖擊加速度趨于0， 但在第1個氣泡脈動到來后， 沖擊加速度突然出現了沒有規律的多個峰值， 隔振系統失效。

圖13　出線口LED端加速度時程曲線（自由）Fig. 13　Acceleration time history curves of LED at cable outlet（free）

圖14　出線口LED端加速度時程曲線（固定）Fig. 14　Acceleration time history curves of protection cover at cable outlet（fixed）

由固定邊界條件仿真結果可以看出， LED端沖擊波到來之后做小幅劇烈震蕩， 在沖擊波過后做簡諧振動， 加速度幅值很小。大約在0.29 s時，加速度幅值再次出現小幅增加， 這是氣泡載荷作用引起的。通過結果可以看出， 固定邊界條件沖擊加速度幅值數量級明顯小于自由邊界條件， 且運動更具有規律性。

為了能更形象的表現出自由邊界條件下LED光源隔振系統失效的過程， 通過圖15觀察LED光源的運動過程。LED姿態圖中每幅圖模型的坐標原點位置一致，其中海面為下部。

由LED光源運動姿態圖可看出， 在氣泡脈動上浮的過程中， 氣泡造成LED光源上部海水壓力大于下部海水壓力， 保護罩出現垂首現象， 之后回彈出現抬首現象， 幾個周期后做無規則運動。由于LED燈和保護罩只通過彈簧相連， 彈簧剛度不足， LED燈沒有馬上隨著保護罩運動， 造成LED燈和保護罩撞擊， 而且撞擊可能造成之后的計算不收斂。LED燈的無規則運動也會影響光源光束的直線穩定性， 造成了照明光束的不確定性， 失去了照明功能。

圖15　LED光源運動姿態圖Fig. 15　Moving posture of LED light

經過多次修改彈簧剛度發現， 隔離沖擊波載荷和防止撞擊是一個相互矛盾的問題， 彈簧剛度過大則不能消減沖擊波載荷的能量， 彈簧剛度過小則LED燈和保護罩會發生碰撞， 造成LED燈的損壞。在此， 固定邊界條件能更好的控制LED光源的運動狀態。

6　結論

文中應用數值仿真方法探究了LED光源在水下爆炸沖擊波載荷和氣泡載荷作用下的沖擊隔振問題。應用ABAQUS軟件， 探究了LED光源結構形式和邊界條件對隔振系統的影響， 得到以下主要結論: 1） 當計算結構內外介質密度差很小時，沖擊波會穿過結構， 沿著介質繼續傳播， 且能量衰減很少， 對內部結構造成損傷； 2） 當用彈簧作為主要隔振裝置時， 要注意其剛度的選取。剛度過小， 會增加隔振效果， 但可能支撐不住結構；剛度太大， 雖然支撐住了結構， 但是隔振效果又不好， 這是一個相互矛盾的問題。故在做設計時要對彈簧的剛度和彈簧的數量做詳細的預估； 3）在進行水下爆炸氣泡載荷隔振設計時， 不僅要考慮氣泡脈動引起結構鞭狀運動造成的結構毀傷，還要考慮氣泡脈動遷移引起的結構的大位移和姿態改變， 這既有可能造成結構的毀傷， 也有可能引起結構功能失效。

文中的研究解決了 LED光源在水下爆炸載荷作用下的隔振問題， 為氣泡脈動特性的研究提供了照明光源， 給出的幾個影響隔振系統性能的因素，可為小型結構水下爆炸隔振設計提供借鑒。

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（責任編輯: 楊力軍）

Design of Vibration Isolator Against Underwater Explosion for LED Light Source

WANG Wen-guan，ZHOU Li
（1. Dalian Scientific Test and Control Technology Institute， Dalian 116013， China； 2. School of Ocean Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China）

To directly observe and analyze the impulsion characteristics of the bubbles induced by underwater explosion，a light-emitting diode（LED） light source and its vibration isolator are designed. The characteristics of the vibration isolator under non-contact underwater explosion load are simulated. Finite element models of the LED， its vibration isolator，protection cover and water medium are built by using the software Hypermesh. Then the acoustic-structural coupling method in the software ABAQUS is employed to analyze the dynamic response of the isolator. By analyzing the time history curve of acceleration of two terminal points on the isolator， it is concluded that the medium density difference between inside and outside of the structure will affect transmission path of explosion shock wave， and the fixing mode of the structure will influence illumination of the LED light source. This research may provide reference for design of vibration isolator against underwater explosion for small structure.

underwater explosion； LED light source； acoustic-structural coupling； vibration isolation system； impact acceleration

TB858.1； O389

A

1673-1948（2016）05-0386-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.05.0010

2016-04-18；

2016-07-04.

國家自然科學基金（61273333）， 西北工業大學基礎研究基金（JC20100224）.

王文冠（1989-）， 男， 碩士， 主要從事水聲工程方面的研究.