浮動沖擊平臺橫向沖擊譜受外形結構的影響*

王志凱，王逸南，孫貝生，姚熊亮，楊娜娜

（哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

艦載設備抗沖擊能力是艦艇生命力的重要組成部分，輕級、中級艦載設備用沖擊機進行考核，重級艦載設備用浮動沖擊平臺進行考核[1]。浮動沖擊平臺作為檢驗設備抗沖擊能力的重要工具，它所能提供的沖擊譜譜值大小直接影響了其檢驗能力的閾值[2-3]。設備安裝在平臺內底上如圖1 所示，當受到舷側方向爆炸載荷作用后，會產生橫向、縱向、垂向3 個方向的振動。其中縱向振動不在爆炸主要沖擊方向，相比橫向和垂向振動幅度小很多，由此可見橫向和垂向的沖擊震動譜值過大是導致設備損壞的主要原因。

圖1 水下爆炸示意圖Fig. 1 Underwater explosion sketch

不同艦載設備有不同的抗沖擊要求，檢驗重級設備抗沖擊能力需要使用浮動沖擊平臺，因為浮動沖擊平臺能夠提供足夠嚴厲的沖擊環境。工程上常用設計譜的低頻譜位移、中頻譜速度和高頻譜加速度來量化沖擊環境的嚴厲程度[4]，更高的譜值對應著更嚴厲的沖擊環境。對于設計譜的3 個譜值，譜速度和譜位移過大往往是導致設備損壞的直接原因[5]，因此如何提高平臺譜速度、譜位移成為了沖擊平臺研究領域內的一個核心問題[6]。此外，高頻段譜值很大程度上受濾波影響，因此沖擊譜高頻段不作為研究重點。對于某些設備，不僅要考慮垂向譜速度，橫向譜速度也是考核重點，此時應在不會明顯影響垂向譜速度的同時盡量提高橫向譜速度。改變結構形式是實現目的的一種有效手段，張磊等[7]發現浮動沖擊平臺的導流裝置能夠很好的在低頻段調節垂向和橫向的沖擊強度比例。王軍等[8]經過四種形式的對比發現外板夾層箱形梁結構形式的平臺強度最好，能夠提供盡可能高的譜值。通過改變基礎的結構形式可以改變結構振動的主振型，也可改變其上沖擊譜的整體趨勢、峰值頻率和峰值高度[9]。本文結合特定中型浮動沖擊平臺，對平臺外形結構進行設計，利用有限元軟件研究平臺外形結構特征對其沖擊環境的影響，重點分析怎樣的結構形式能夠提高沖擊平臺橫向沖擊譜譜速度和譜位移。

1 數值計算方法及數據處理方法介紹

1.1 平臺模型介紹

作者參考多篇文獻，所用平臺模型引用王軍[10]的設計，如圖2～3 所示，平臺外形參數如表1 所示。為防止平臺進水，需要在上面加一個頂蓋，頂蓋上覆蓋幕布，頂蓋質量不可忽略，數值模擬時需考慮頂蓋的影響。

材料選用強度較高的921A 鋼。平臺設備放置于內底上，針對各種設備質量，利用ANSYS 建出不同深度流場，在ABAQUS 中完成組裝，組裝完成如圖4 所示。

圖3 平臺模型圖Fig. 3 Platform model diagram

圖4 平臺流場裝配圖Fig. 4 Assembly drawing of platform flow field

表1 中型浮動沖擊平臺外形尺寸Table 1 Size of medium floating impact platform

1.2 聲固耦合法及后處理方法介紹

水下爆炸研究通常采取arbitrary Lagrange-Euler (ALE)法或聲固耦合法[11]。ALE 法要求流場包含炸藥在內，且對網格要求較高，計算近場爆炸也能得到較準確的結果，但對于遠場爆炸，其網格數量過多會導致計算時間變得很長甚至直接計算失敗。而聲固耦合法通過模擬聲學介質和邊界無反射技術允許流場不包含炸藥，對于遠場爆炸可以得到較準確的結果，相比ALE 方法花費時間更少、計算更穩定[12]。本文涉及的水下爆炸工況均屬遠場爆炸，因此選用聲固耦合法對平臺沖擊響應進行分析。

聲音在彈性介質中的傳播體現為振動的傳播，而振動在流體介質中的傳播體現為壓縮波的傳播，即聲音在水中傳播表現為縱波，衰減很慢。實際海洋流場是無限大的，不存在聲波反射問題，而有限元軟件中的流場模型是有限大，流場邊界對聲波的反射會導致計算結果產生錯誤，因此聲固耦合法利用邊界阻抗技術模擬無限流暢，即無反射邊界條件。

本計算方法已在文獻[11]中加以驗證，結果顯示聲固耦合法能夠比較準確的模擬艦船遭受水下爆炸沖擊時產生的響應。本文后續部分將用這種數值方法對一特定中型浮動沖擊平臺的沖擊響應特性進行研究。

中型浮動沖擊平臺最大考核設備質量為113 t，據分析計算可知設備越輕，平臺沖擊響應越大，沖擊譜譜值越大，為使沖擊譜的變化更明顯，運用文獻[4]工況中最近的工況，即裝藥55 kg TNT、水深8.2 m、舷側水平距離6.71 m（參考圖1），安裝10 t 設備采用一體化分析方法[13]進行數值模擬。仿真時間設為0.25 s，已經包含了整個沖擊波作用階段。

在結果文件中提取出內底板上如圖5 所示3 個縱橫桁材交叉點上的時歷加速度響應。所提取的時歷響應含有很多高頻成分，而實際工程中，設備安裝頻率一般較低，普遍低于250 Hz。時歷響應中的高頻段成分對其影響很小，因此需要對初始響應進行濾波操作，把研究重點放在中低頻。參考實際艦船沖擊環境及其他相關領域研究材料，本文采用250 Hz 低通濾波，濾波前后平臺內底時歷加速度響應如圖6所示。

圖5 內底測點Fig. 5 Inner bottom point

圖6 250 Hz 濾波前后平臺內底時歷加速度響應Fig. 6 The acceleration response of the front and rear platform of the 250 Hz filter is obtained

圖中紅色曲線是原始時歷曲線，藍色曲線是250 Hz 低通濾波之后的時歷曲線，用此曲線繪制沖擊譜。利用自主開發程序首先根據沖擊譜理論完成Duhamel 積分得到原始沖擊譜，然后將原始譜圓整為設計譜，即可得到各測點處譜位移、譜速度和譜加速度。

2 外形結構對沖擊譜影響規律研究

2.1 外形結構設計分析

浮動沖擊平臺通過水面以下的濕表面接收沖擊波載荷[14]，在質量不變的情況下，受到的力越大，則沖擊譜譜值越大，因此考慮如何在不明顯改變平臺質量的情況下增加橫向載荷的接收。平臺所受的水下爆炸沖擊波載荷大小與濕表面積密切相關，因此考慮在平臺舷側底端迎爆面加裝豎直擋板，在不明顯改變平臺質量的情況下增加橫向濕表面面積，從而提高橫向載荷的接收，達到提高譜值的目的。豎直擋板位于舷側下方，厚0.032 m，長1 m，如圖7 所示。中型浮動沖擊平臺最大考核設備質量為113 t，據分析計算知設備越重，平臺距藥包越近，塑性變形越大，現將流場和113 t 設備組裝好進行安全性分析，檢驗擋板結構能否滿足平臺考核設備時的強度要求，結果如圖8 所示。

由圖8 可以看出，載荷作用時間結束后等效塑性應變為0.038，滿足強度要求，可展開下一步研究。在此結構上施加不變的工況，分析此結構內底上的橫向沖擊譜，與相同載荷下無擋板結構橫向沖擊譜進行對比。為保證沖擊載荷不變，藥包水深隨著吃水改變而改變，保證爆距不變，沖擊因子不變[15]。取圖5中的平臺內底上C、L、R三個測點，橫向沖擊譜（譜位移u、譜速度v、譜加速度a）如圖9 所示。由圖可以看出，能略微提高橫向譜速度值但效果并不明顯，下一節分析其主要原因。

圖7 舷側豎直擋板Fig. 7 Side vertical baffle

圖8 加舷側擋板后塑性應變Fig. 8 Plastic strain after adding side baffle

圖9 舷側豎直擋板與無擋板的各測點水平沖擊譜對比Fig. 9 Horizontal shock spectrum with and without vertical baffle plates

2.2 外形結構作用效果影響因素

由圖9，豎直擋板受某些因素影響不能發揮預想的效果，查閱相關文獻資料，將主要影響因素歸結為以下兩點。

（1）沖擊波的繞射：當沖擊波被一個小于其波長的物體阻擋，就會繞過這個物體繼續行進[16]。擋板尺寸遠小于沖擊波波長，沖擊波繞過擋板兩側和底部后會產生指向擋板背面的力，與擋板正面的力相抵消，如圖10 所示，由于擋板厚度很小，繞射波不會有很大的衰減，即增加舷側擋板不能明顯增加橫向載荷的接收。

（2）阻力的增加：豎直擋板在船體做橫向振動時無疑會增加阻力，阻礙振動，降低譜速度。

圖10 豎直擋板沖擊波繞射現象Fig. 10 Vertical baffle wave diffraction phenomenon

綜合以上兩點，如圖9 所示，豎直擋板幾乎不能提高沖擊平臺譜速度。沖擊波繞射現象廣泛存在于水下爆炸作用過程中，與阻力一樣，二者都是不可避免的，但可以通過合理的結構設計進行盡量削弱其影響。圖10 只給出了增加的豎直擋板處的沖擊波繞射現象，但實際上平臺本體也一樣受到繞射波的作用，如圖11 所示。但由圖9 所示，平臺依然由很大的橫向振動，這是由于平臺橫向尺寸很大繞射波傳到平臺另一側后有明顯衰減。考慮到這一點，下一節將對平臺外形結構進行優化，以盡量削弱沖擊波繞射和阻力增加的影響。

2.3 外形結構的優化

針對豎直擋板存在的問題，作者提出流線型擋板優化方案，為方便對比分析，取圖12 和圖13 所示大小不同兩個尺寸，其為參考文獻[17]中流線型結構進行設計，裝配圖如圖14 和圖15 所示。

圖11 平臺本體沖擊波繞射現象Fig. 11 Platform body wave diffraction phenomenon.

圖12 擋板1 截面線型Fig. 12 Baffle 1 section type

圖13 擋板2 截面線型Fig. 13 Baffle 2 section type

圖14 擋板1 模型圖Fig. 14 Baffle 1 model diagram

圖15 擋板2 模型圖Fig. 15 Baffle 2 model diagram

當沖擊波從迎流一側傳來時，會從擋板底部繞到擋板另一面并產生指向擋板的壓力，擋板表面受力如圖16 所示。

圖16 底部流線擋板沖擊波繞射現象Fig. 16 The bottom streamline baffle wave diffraction phenomenon

在同一高度微元 dh處沖擊波水平方向合力為：

式中： θ1為p1方向與水平方向夾角； θ2為p2方向與水平方向夾角；L1為dh對應的迎流面長度；L2為dh對應的背流面長度。由式(1)，F僅與沖擊壓力波衰減有關，而沖擊波在流線擋板兩側的衰減要比豎直擋板的正反兩面明顯得多，流線型擋板所受合力顯然更大。并且采用流線造型可以大幅度的降低擋板所受阻力，減少阻力對振動的阻礙作用，流線型擋板設計很好地解決了豎直擋板存在的兩個問題。

流線型擋板重心不在平臺中心處，在其重心對稱位置沿長度方向一條線上加上若干壓載，使重心回到平臺中心處，并將爆點位置隨平臺吃水的改變豎直移動，保證與平臺相對位置不變。對流線型擋板進行安全性分析，如圖17 和圖18 所示。由圖可以看出，兩種流線擋板等效塑性應變分別為0.029 3 和0.035 1，滿足強度要求。

圖17 擋板1 塑性變形Fig. 17 Plastic deformation of baffle 1

圖18 擋板2 塑性變形Fig. 18 Plastic deformation of baffle 2

在兩種結構上施加與之前相同的工況，分析內底上C、L、R三個測點沖擊譜，與相應載荷下無擋板結構垂向及橫向沖擊譜進行對比，如圖19 所示。由圖可以看出流線型擋板對平臺垂向沖擊譜幾乎無影響，但卻可以明顯提高平臺橫向沖擊譜中低頻段譜值。對于無擋板、擋板1、擋板2 分別取C、L、R三測點設計譜譜速度和譜位移進行對比，如表2 所示。擋板2 由于尺寸比擋板1 大一些，對橫向載荷接收較大，相應的平臺沖擊譜譜值也比較大。

圖19 流線擋板結構與無擋板結構各測點沖擊譜對比Fig. 19 Comparison of the impact spectrum between the flow baffle structure and the non-baffle structure

由表2 看出，流線型擋板可以在幾乎不影響（影響小于4%）平臺垂向譜速度和譜位移的同時提高平臺橫向譜速度和譜位移。擋板2 可以將橫向譜速度提高46.3%，譜位移提高18.5%，可見效果十分顯著。當待考核艦載設備對橫向沖擊環境有較高要求的時候，應考慮添加流線型擋板。而流線擋板幾乎不會影響垂向沖擊環境，這就說明在設計好內底隔板數量和決定是否使用甲板模擬器之后，可以再進行擋板的考慮，而不會干擾到內底隔板和甲板模擬器對沖擊譜的影響。

表2 有無擋板4 測點譜值平均值對比Table 2 comparison of the mean value of the four measuring points

3 結 論

本文對浮動沖擊平臺外形結構進行了結構設計和優化，研究了外形結構特征對其沖擊環境的影響并提出了提高橫向沖擊譜譜值的方法。由于沖擊譜譜加速度很大程度受濾波影響，平臺結構特征對沖擊環境的影響主要體現在沖擊譜譜位移和譜速度上。研究得出以下結論：（1）增加舷側豎直擋板對垂向和橫向沖擊譜均沒有明顯影響；（2）增加底部流線型擋板對對垂向沖擊譜影響很小，小于4%；（3）增加底部流線型擋板對橫向沖擊譜有很大影響，能明顯提高譜值。隨著流線型擋板尺寸變大，對橫向沖擊譜的影響也會變大，對于美軍標中最近工況，采用圖13 所示擋板2 結構，可使橫向沖擊譜譜位移提高18.5%，譜速度提高46.3%。而何種尺寸擋板形式最優，高度應如何選取最佳等相關問題將在之后的工作中進一步探索和研究。