撓性板導向的水平沖擊試驗臺強度及運動規律分析

蔣永博， 張明遠， 閆 明

(沈陽工業大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110870)

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撓性板導向的水平沖擊試驗臺強度及運動規律分析

蔣永博， 張明遠， 閆 明

(沈陽工業大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110870)

水平沖擊試驗臺可用于艦載設備抗沖擊能力的考核試驗，但導軌導向的水平沖擊試驗臺工作時會出現卡死問題，為此提出撓性板導向的水平沖擊試驗臺。為驗證其可行性，用有限元方法計算分析了該試驗臺的輸出波形以及撓性板的應力分布情況。結果發現，撓性板在沖擊過程中儲存彈性勢能，對試驗波形有一定的影響；臺體最大位移設計值為94 mm，計算值為89.5 mm，減少了4.8%；臺體最大速度設計值為4 m/s，計算值為3.93 m/s，減少了1.75%；臺體正波峰值加速度設計值為571 m/s2，計算值為532 m/s2，減少了6.8%；臺體負波峰值加速度設計值為175 m/s2，計算值為183 m/s2，增加了4.6%。因此用撓性板作為導向裝置能夠滿足沖擊試驗臺對設計波形的要求。

艦載設備 沖擊 試驗臺 撓性板 波形

0 引言

艦艇作為海軍的主要力量，海戰時不可避免地受到多種形式的沖擊，包括：自身武器發射時后坐力對船體的沖擊；敵方炸彈直接接觸爆炸產生的沖擊；敵方魚雷等水中爆炸物所產生的沖擊波和氣泡脈動帶來的沖擊；這些沖擊會對艦載設備造成嚴重的損傷。大量的艦艇經歷爆炸沖擊后，盡管船體仍保持水密性，但由于內部設備功能喪失，導致艦艇完全喪失戰斗力，因此各國海軍都十分重視艦載設備抗沖擊能力的考核試驗[1-2]。

實船水下非接觸爆炸沖擊試驗、浮動沖擊平臺試驗和沖擊機試驗是目前考核艦載設備抗沖擊能力的三種主要手段[3-4]。實船水下非接觸爆炸沖擊試驗成本昂貴，試驗次數有限，難以得到有統計意義的試驗結果，而且艦艇沖擊試驗具有一定的破壞性，有時試驗當量無法全面達到真實的戰場沖擊環境強度。國外浮動沖擊平臺可以對最大質量為181 t的設備進行沖擊試驗考核，但是浮動沖擊平臺試驗需要在爆炸水池中進行，并且需要用真實TNT炸藥爆炸產生沖擊源，操作較復雜且存在一定危險性。

用沖擊試驗機開展艦艇設備沖擊試驗是目前各國普遍采用的方法[5-8]。美國于1989年制定的軍用規范MIL-S-901D和德國于1985年制定的艦艇沖擊新軍標BV043/85，皆規定了艦載設備和系統沖擊機試驗要求，以考核艦載設備抗沖擊能力，并作為艦載設備的沖擊驗收標準。

水平沖擊試驗臺是用來對艦載設備抗沖擊能力進行考核的重要試驗設備。艦載設備在水平沖擊考核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。一些小型水平沖擊試驗平臺都是采用導軌作為導向裝置[9-10]，對于考核大中型設備的沖擊試驗平臺，傾覆力矩足以讓導軌發生變形，沖擊試驗時導向可能出現卡死導致試驗意外終止。因此提出一種撓性板導向的水平沖擊試驗臺以避免導軌導向時卡死問題，并對其進行有限元計算和分析，對后期水平沖擊試驗臺結構的選取與設計提供一定的參考依據。

1 水平沖擊試驗臺的組成及工作原理

水平沖擊試驗臺主要由沖擊臺、沖擊缸、阻尼缸和大質量基礎組成，如圖1所示。在大質量基礎下面和前、后兩端都布置有隔振器，用于防止系統的沖擊振動對周圍環境的影響。沖擊臺通過撓性板與大質量基礎相連，被測設備安裝在沖擊臺上。沖擊缸和阻尼缸也安裝在大質量基礎上。試驗時，沖擊錘在液壓力的作用下加速運動，與沖擊臺發生碰撞，產生正波沖擊，沖擊臺推動阻尼缸的活塞，之后沖擊臺逐漸停下，產生負波沖擊，沖擊試驗機就是要模擬艦艇設備在正、負波沖擊下設備結構的響應。

圖1 沖擊試驗臺簡圖

因被試設備安裝在沖擊臺面上，沖擊錘沿著水平方向高速撞擊沖擊臺的中心，由于沖擊點偏離設備重心，因此設備會對沖擊臺產生巨大的傾覆力矩，不僅對沖擊臺的強度要求很高，而且撓性板還要承受相應的傾覆力矩。撓性板在沖擊過程中會變形吸收沖擊能量，對波形產生會有一定的影響，因此設計時不僅需要計算沖擊臺和撓性板的強度，而且還要分析沖擊臺的運動規律。

2 撓性板與沖擊臺有限元計算模型

建立圖2所示的沖擊試驗臺有限元模型，其中設備重5 t，重心高1 m。臺體長2.7 m，寬2.2 m，高0.4 m，重7.5 t。撓性板端部厚度為0.02 m，尾部厚度為0.01 m，高1.5 m，其材料為彈簧鋼60Si2MnA，密度為7 900 kg/m2，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3。

圖2 沖擊試驗臺有限元模型

此沖擊臺最大沖擊速度設計值為4 m/s，臺體水平方向最大位移設計值為94 mm，臺體正波峰值加速度設計值為571 m/s2，臺體負波峰值加速度設計值為175 m/s2。 沖擊臺輸出波形為正半正弦波加負半正弦波(見圖3)，圖中正半正弦波寬度t1為7 ms～11 ms，負半正弦波寬度(t2-t1)為20 ms～36 ms。

圖3 沖擊臺理論波形

3 撓性板與沖擊臺計算及分析結果

在最長脈寬的工況下(t1= 11 ms，t2= 47 ms)，沖擊臺發生的水平位移最大，撓性板所受彎曲應力最大，為此需要計算該工況下臺體的運動規律及撓性板應力。沖擊力和阻尼力都按照正弦波加載，沖擊載荷脈寬11 ms，阻尼載荷脈寬36 ms，沖擊錘達到的最大速度為4 m/s。加載沖擊力和阻尼力如圖4所示。

圖4 沖擊力和阻尼力曲線

在正、負波沖擊過程中臺體水平方向位移、速度、加速度響應值曲線分別如圖5～圖7所示。

圖5 臺體水平方向位移曲線

圖6 臺體水平方向速度曲線

圖7 臺體水平方向加速度曲線

由圖5～圖7可知，正波沖擊過程中設備受到很大的傾覆力矩并向沖擊缸一側傾斜，且正波沖擊過后設備仍然處于振蕩狀態，因此臺體輸出負波含有高頻分量，使臺體輸出負波加速度波形呈鋸齒狀。

在沖擊過程中撓性板會儲存彈性勢能，對試驗波形有一定的影響。臺體最大位移設計值為94 mm，計算值為89.5 mm，減少了4.8%。臺體最大速度設計值為4 m/s，計算值為3.93 m/s，減少了1.75%。臺體正波峰值加速度設計值為571 m/s2，計算值為532 m/s2，減少了6.8%。臺體負波峰值加速度設計值為175 m/s2，計算值為183 m/s2，增加了4.6%。

此外，臺體在豎直方向的位移如圖8所示，其最大值為3.5 mm，說明撓性板在垂直方向形變較小。

圖8 臺體豎直方向位移曲線

沖擊階段試驗臺最大應力位置為撓性板根部固定處，最大應力分布如圖9所示，其值為513 MPa，小于彈簧鋼的屈服極限。

圖9 撓性板應力分布

4 結論

水平沖擊試驗機沖擊點在沖擊臺的水平中心，被試設備重心距離沖擊臺水平中心的距離稱為偏心距，由于被試設備較高，因此偏心力矩很大。為此通過有限元方法計算了撓性板導向的水平沖擊試驗臺在正、負雙波沖擊下的動態響應及其撓性板的強度，發現以撓性板作為沖擊試驗臺的導向裝置，雖然在沖擊過程中撓性板會儲存彈性勢能對輸出沖擊波形有一定影響，但是其輸出響應峰值與設計要求值偏差較小，能夠滿足沖擊試驗臺對設計波形的要求，所以此方案可行。

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[ 3 ] 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.

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The Strength and Motion Law Analysis of the Horizontal Shock Testing Machine Guided by the Flexible Plate

JIANG Yong-bo, ZHANG Ming-yuan， YAN Ming

( School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang Liaoning 110870， China)

The horizontal shock testing machine can be used to test the impact resistant ability of the shipboard equipments, but the shock testing machine guided by the lead rail possible is likely to occur stuck fault during working. Therefore， the horizontal shock testing machine, which guided by the flexible plate was put forward. To verify the feasibility, using the finite element method to analyze the output waveform of the shock testing machine and the stress distribution of the flexible plate. Then find out the flexible plate stored elastic energy in the process of impact which has a certain influence on the testing waveforms. The test-bed theoretical value of maximal displacement is 94 mm, the calculated value is 89.5 mm, the decrease is 4.8%. The test-bed theoretical value of maximal speed is 4 m/s, the calculated value is 3.93 m/s, the decrease is 1.75%. The test-bed theoretical value of positive wave peak acceleration is 571 m/s2, the calculated value is 532 m/s2, the decrease is 6.8%. The test-bed theoretical value of negative wave peak acceleration is 175 m/s2, the calculated value is183 m/s2, the increase is 4.6%. Therefore, the flexible plate as a guide equipment can satisfy the theoretical requirement of the shock testing machine for waveform.

Shipboard equipments Impact Test-bed Flexible plate Waveform

蔣永博(1990-)，男，碩士，從事艦艇設備抗沖擊方面的研究。

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