水下爆炸條件下裝置沖擊環境研究

郭敬彬，胡會朋，秦麗萍

(1. 中國船舶集團有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2. 河南省水下智能裝備重點實驗室，河南 鄭州 450015)

0 引 言

潛艇在水下航行時會受到魚雷等水下兵器的攻擊，水下非接觸爆炸沖擊載荷是艇載設備設計時必須要考慮的載荷環境，近年來水下設備抗爆性能的研究受到極大重視[1–5]。裝載航行體的儲運筒布置在潛艇上，當儲運筒受到沖擊、振動載荷作用時，筒上減震系統須滿足水下航行體對水平和垂直方向的減震性能要求以保證其安全性。隨著現代水下武器的發展，潛艇設計時對儲運筒的水下抗沖擊能力也有了更高的要求。

儲運筒減震墊的設計和航行體動力學特性的研究主要通過仿真及相應的優化算法進行[6]，但水下爆炸沖擊載荷傳遞特性復雜[7–9]，單純依靠理論分析及仿真計算對于儲運筒、航行體沖擊環境研究遠遠不夠，需進行水下爆炸沖擊試驗，驗證計算方法，校驗仿真模型，改進減震設計。但原型試驗受場地、經費等環境因素的制約，縮比試驗為研究水下結構水下沖擊環境研究提供了一種思路。

本文介紹在靶場水池進行的縮比模型水下爆炸沖擊試驗，獲取儲運筒不同位置試驗數據，然后分析試驗數據獲取橫向沖擊載荷特性。通過縮比模型沖擊響應仿真與試驗校驗，驗證仿真模型合理有效，迭代優化設計。后續還可通過縮比關系推導全尺寸模型輸入載荷，研究全尺寸結構沖擊動響應特性，支撐全尺寸結構沖擊環境研究工作。

1 縮比模型爆炸沖擊試驗

1.1 水下爆炸經驗理論

水下爆炸試驗受經費、場地等條件的約束，大裝藥水下爆炸實施條件困難，縮比試驗是研究水下爆炸沖擊的重要手段，而縮比關系則是水下爆炸試驗研究的基礎[10]。用量綱分析或已知試驗方程導出其他變量的相似條件, 確定基本相似量。水下爆炸沖擊波的傳遞變化規律如下：

其中：P(m)為峰值壓力， θ為時間常數，W為爆炸質量，R為爆炸距離，TNT 的KP為52.4，ap為1.13。

1.2 試驗概況

水下爆炸試驗在靶場水池開展。深水炸彈、水雷、魚雷等常規攻擊武器對應的TNT 當量在80～1 000 kg 之間，威脅最大的反潛魚雷裝藥基本在130～500 kg 之間。考慮遭受強攻擊情況縮比后爆炸藥量為1.5 kg，TNT 通過變換攻擊方位（正上、橫向、斜下、正下）及沖擊因子（0.2，0.35），設置不同的水下爆炸沖擊試驗工況，深入研究沖擊載荷與彈艙系統動響應的關系。本文分析左、右橫向沖擊工況。

水下爆炸左、右側正橫向沖擊如圖1 所示。

圖1 水下橫向沖擊試驗示意圖Fig. 1 Schematic diagram of underwater lateral impact test

試驗裝置中，儲運筒相對于中軸線對稱布置，航行體布置在儲運筒中。在航行體與儲運筒之間均勻布置6 圈減振墊，取圖中右側儲運筒為研究對象，測試其在左、右橫向方位沖擊下各部位的動態響應。

1.3 儲運筒中的減震試驗產品

儲運筒中起橫向與縱向減震作用的主要是橫向減震墊和垂直減震器。其中減震墊對沖擊載荷傳遞規律的影響主要由其剛度特性決定，按照縮比關系應對全尺寸減震墊進行剛度縮比等效模擬。

減震墊沿儲運筒軸向分布，減震墊采用粘接方式安裝于預設位置，儲運筒自上而下布置有6 圈剛度不等的減震墊。垂直減震器布置于儲運筒底部，對航行體起垂向減震及支撐作用。

在進行爆炸沖擊試驗前，進行減震墊、減震器靜剛度試驗、沖擊剛度試驗，測試縮比減震墊沖擊剛度。

測試可知：低剛度縮比減震墊沖擊剛度約為5.5 E6 N/m；高剛度縮比減震墊沖擊剛度約為2.4 E7 N/m；縮比垂直減震器沖擊剛度約為6.8 E7 N/m。

1.4 測點布置與試驗流程

水下爆炸試驗通常測點較多，本文介紹與儲運筒、航行體相關的測點布置情況。如圖2 所示，加速度測點共8 各，測點1 布置于儲運筒頂部法蘭，測點2～測點7 自上而下布置于航行體上，位置為所對應儲運筒減震墊1～減震墊6 下端位置處，測點8 布置于垂直減震器基礎上，加速度測點采樣率50 kS/s。

圖2 測點布置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of measuring point arrangement

試驗基本流程為：測量系統布置分配；傳感器布置；測量系統調試；模型狀態檢查；模型布置；爆炸前試驗準備；爆炸試驗；模型回收。最終完成正上、橫向、斜下、正下沖擊試驗，橫向沖擊方位試驗的爆炸深度H為5 m，距離縮比模型距離L為5 m。為提高試驗數據的有效性，左、右側橫向沖擊同樣條件下，試驗2 次。

2 縮比模型爆炸橫沖擊試驗數據分析

2.1 數據分析方法

試驗獲取相應測點加速度測試數據、位移測試數據。對加速度進行積分獲取儲運筒測試部位的速度響應曲線，對速度響應數據進行積分，獲取位移響應曲線。分別對左側正橫向沖擊下發射裝置橫向響應、右側正橫向沖擊下發射裝置橫向響應進行分析，獲取儲運筒橫向沖擊載荷特性。垂向、斜方向沖擊數據分析方法也如此，本文僅正橫向的試驗數據進行分析。

2.2 橫沖擊試驗工況裝置數據處理分析

對測點1 和測點8 即儲運筒上法蘭和減震器2 處的測試加速度數據分析處理。法蘭和減震器2 處獲得的速度響應如圖3～圖6 所示。

圖3 左正沖擊下法蘭橫向速度響應Fig. 3 Flange velocity response under left lateral impact

圖4 右正沖擊下法蘭橫向速度響應Fig. 4 Flange velocity response under right lateral impact

圖5 左正沖擊下減震器橫向速度響應Fig. 5 Shock absorber velocity response under left impact

圖6 右正橫沖擊下減震器橫向速度響應Fig. 6 Shock absorber velocity response under right impact

法蘭和減震器處獲得的位移響應如圖7～圖10所示。

圖7 左正沖擊下法蘭橫向位移響應Fig. 7 Flange displacement response under left lateral impact

圖8 右側正橫沖擊下法蘭橫向位移響應Fig. 8 Flange displacement response under right lateral impact

圖9 左正橫沖擊下減震器橫向位移響應Fig. 9 Shock absorber displacement response under left ateral impact

圖10 右正橫沖擊下減震器橫向位移響應Fig. 10 Shock absorber displacement response under right ateral impact

橫向方位沖擊下儲運筒響應有以下特點：

1）此次測試獲取的儲運筒法蘭、減震器安裝基座速度響應規律可以簡化為1 個正負三角波速度載荷和一小段振蕩；

2）從速度角度來看，儲運筒垂直減震器基礎階躍速度峰值約2.5 m/s，內筒法蘭處躍速度峰值約0.8 m/s；

3）從位移響應來看，儲運筒橫向位移沖擊載荷可以簡化為半正弦波，周期0.4 s，儲運筒垂直減震器基座在左正橫沖擊工況下位移約為0.018 m，右正橫沖擊工況下，約為0.035 m。

3 沖擊響應仿真與試驗校核

3.1 校驗模型用的測試數據

測試數據中測點3（第2 圈減震墊下）、測點6（第5 圈減震墊下）加速度實測數據積分后獲取的速度數據如圖11 和圖12 所示。

圖11 測點3 速度響應Fig. 11 Velocity response at measuring point 3

圖12 測點6 速度響應Fig. 12 Velocity response at measuring point 6

圖13 橫向減震系統計算模型Fig. 13 Calculation model of transverse shock absorption

圖14 垂直減震器模型Fig. 14 Calculation model of vertical shock absorption

可以看出，2 次右正橫沖擊試驗測試一致性好，可作為校驗模型用測試數據。對比2 處的速度相應，可知無論是極小值還是極大值，二者基本相當，曲線規律也基本相同，因而可認為橫向沖擊過程航行體接近于整體橫移。

3.2 橫向沖擊響應仿真

建立航行體、減震墊、儲運筒模型，忽略減震墊縫隙，減震墊在儲運筒中布置方案見表1。

表1 減震墊布置方案Tab. 1 Shock pad layout scheme

減震器采用上下2 個剛盤模擬，2 個剛盤采用彈簧單元連接參考點，彈簧剛度6.8 E7 N/m。減震墊與航行體綁定連接，與儲運筒內壁表面摩擦接觸。由減震墊壓縮剛度曲線可知，減震墊在前2.5 mm 壓縮量下，剛度曲線近似線性，低剛度約為5.5 E6 N/m，高剛度減震墊約為2.4 E7 N/m，仿真模型中減震墊采用等效彈性體代替。

在儲運筒法蘭處施加橫向位移載荷，位移載荷由儲運筒法蘭實測加速度數據2 次積分獲取，對垂直減震器模型施加相同的橫向位移載荷。

從仿真結果中提取儲運筒上測點3 位置、測點6 位置速度響應，如圖15 和圖16 所示。

圖15 仿真計算獲取的測點3 速度響應Fig. 15 Velocity response of measuring point 3 by simulation

圖16 仿真計算獲取的測點6 速度響應Fig. 16 Velocity response of measuring point 3 by simulation

3.3 橫向沖擊仿真與試驗對比分析

對比2 個位置處仿真計算結果與試驗測試結果，可以看出：

1）從規律來看，仿真與測試相似，先在0.075 s 達到第1 個波峰，然后在0.25 s 附近達到波谷，最后再在0.3 s 達到另一個波峰；

2）從響應曲線細節來看，二者有不小的差異，仿真與測試曲線均在0.1 s 與0.28 s 附近有波動，但仿真計算求得的波動較大，而測試獲取的波動較小；

3）從速度響應幅值來看，仿真結果在第1 峰值點小于試驗結果30%，在第2 個峰值點大于試驗結果25%；

4）總的來看，仿真計算可以很好模擬彈體橫向動響應量級及規律，但與真實響應存在差異。

4 結 語

通過開展縮比模型水下爆炸試驗，測量縮比模型、儲運筒、航行體等典型部位的沖擊響應參數，獲取沖擊載荷特性，為驗證艇載設備沖擊環境預報方法、研究儲運筒航行體抗沖擊特性提供試驗支撐。

1）建立縮比相似準則，設計縮比模型，完成了縮比模型水下爆炸沖擊試驗，獲取了沖擊試驗測試數據，研究爆炸沖擊下儲運筒沖擊輸入載荷特性。縮比試驗獲取的儲運筒速度沖擊載荷數據具有較高的參考價值。

2）建立縮比儲運筒沖擊動力學計算模型，進行橫向沖擊仿真計算。計算結果與試驗結果在規律、量級等方面具有很高的一致性，計算方法可行，仿真模型有效。

3）通過縮比關系，可從縮比沖擊載荷推導獲取全尺寸儲運筒沖擊載荷。采用此種計算方法對全尺寸儲運筒沖擊環境進行預報分析，可為儲運筒沖擊環境深入研究提供理論支持。