吳暉，張成，任龍龍，張亮，程曉達(dá)

（1．海軍駐武漢701所軍事代表室，湖北武漢430064; 2．哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001; 3．哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

船用大型設(shè)備抗沖擊性能研究可通過計(jì)算機(jī)仿真或試驗(yàn)手段來實(shí)現(xiàn)。對于大型設(shè)備的抗沖擊性能評估目前主要采用數(shù)值仿真手段，而相關(guān)的試驗(yàn)研究卻很少，數(shù)值仿真手段是否能準(zhǔn)確反映大型設(shè)備的抗沖擊性能還沒有定論，必須進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究才能對數(shù)值手段的可信度進(jìn)行驗(yàn)證。

沖擊試驗(yàn)手段通常包括跌落式臺架試驗(yàn)、擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)、浮動沖擊平臺試驗(yàn)及海上實(shí)船水下爆炸沖擊試驗(yàn)等［1－3］。海上實(shí)船水下爆炸沖擊試驗(yàn)耗資巨大，不易實(shí)施。跌落式臺架試驗(yàn)、擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)產(chǎn)生的沖擊載荷峰值有限，而且載荷的作用時(shí)間、峰值大小很難控制，很難對設(shè)備的抗沖擊性能進(jìn)行完善的試驗(yàn)。而沖擊振動臺平臺試驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)自動控制，能較準(zhǔn)確地產(chǎn)生一系列的沖擊載荷，沖擊波形式包括半正弦波、三角波、矩形波、梯形波等，而且花費(fèi)較少，所以較適合用來模擬水下爆炸產(chǎn)生的沖擊載荷。

1 抗沖擊試驗(yàn)手段

試驗(yàn)手段通常包括跌落式臺架試驗(yàn)、擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)、浮動沖擊平臺試驗(yàn)、海上實(shí)船水下爆炸沖擊試驗(yàn)等。

1.1 跌落式臺架試驗(yàn)

跌落式?jīng)_擊試驗(yàn)的原理:將樣品直接固緊到臺面或通過夾具固緊到臺面上，將工作臺面提升至一定的高度，釋放后自由跌落，或使用壓縮空氣加速，臺面底部與底座上的緩沖墊層（波形發(fā)生器）碰撞，使臺面受到一個向上的沖擊載荷，再由臺面將所產(chǎn)生的脈沖載荷傳遞給固定于臺面的樣品，從而實(shí)現(xiàn)對固定于臺面上的產(chǎn)品的沖擊。另外，在臺面上裝有加速度感測器，通過量測臺面的加速度，以確定樣品所承受到的沖擊脈沖載荷，如圖1所示。

圖1 跌落沖擊試驗(yàn)臺Fig．1Dropping impact test bed

跌落式?jīng)_擊試驗(yàn)的方法及規(guī)格相當(dāng)多，依據(jù)其目的有以下2種［4］:

1）檢測包裝貨物中內(nèi)容是否充分受到保護(hù)的試驗(yàn)，檢驗(yàn)使用過程中或運(yùn)輸過程中是否能承受反復(fù)顛簸的沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)方法為:IEC 60068－2－29－87 （Basic Environmental testing procedure Ea:Bump）JI C0042－95環(huán)境試驗(yàn)方法——電器及電子顛簸試驗(yàn)法。

此沖擊試驗(yàn)規(guī)格是1種測試零組件和機(jī)器運(yùn)輸途中，或使用中受到反復(fù)沖擊的品質(zhì)管理手法，采用沖擊脈沖為半正弦波，試驗(yàn)條件是最大加速度，需組合作用時(shí)間及顛簸次數(shù)選擇。

2）規(guī)定保證產(chǎn)品或零組件品質(zhì)，保證在使用中及運(yùn)輸途中不被破壞的沖擊試驗(yàn)，為包裝設(shè)計(jì)而求取產(chǎn)品耐沖擊強(qiáng)度的沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)的目的是為保證產(chǎn)品有適當(dāng)?shù)木彌_包裝結(jié)果，能耐使用中和運(yùn)輸中所受沖擊的方法。

此類試驗(yàn)對樣品的重心偏移誤差，沖擊面的剛性及環(huán)境所造成的誤差有一定的要求。

1.2 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)

擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)是評價(jià)試件沖擊韌性應(yīng)用最廣泛的一種傳統(tǒng)力學(xué)性能試驗(yàn)。目前，由于擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單緊湊、操作方便、價(jià)格便宜，并具有一定的模擬性和重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，因此在國內(nèi)外被廣泛使用。

1.3 海上實(shí)船水下爆炸沖擊試驗(yàn)

在海上進(jìn)行實(shí)船抗沖擊試驗(yàn)是抗沖擊性能研究最有效的手段之一，實(shí)船抗沖擊試驗(yàn)和現(xiàn)代測試技術(shù)結(jié)合，即可形象直觀地了解艦船在水中兵器攻擊下柴油機(jī)的運(yùn)行和損壞情況，又可定量獲取柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)和抗沖擊性能參數(shù)。實(shí)船抗沖擊試驗(yàn)貼近實(shí)際海戰(zhàn)沖擊環(huán)境，試驗(yàn)規(guī)模和耗資龐大，對艦船破壞性強(qiáng)，海上試驗(yàn)條件惡劣，對測試設(shè)備的可靠性，以及參試人員安全性要求高。

美國海軍早在1860年就進(jìn)行了船體抗爆試驗(yàn)，英國海軍也于1874年在英格蘭Portsmouth的Stoke海灣進(jìn)行了第一次全面的水下爆炸試驗(yàn)［5－6］。文獻(xiàn)［7］詳盡地闡述了艦艇水下爆炸試驗(yàn)研究的完整歷史，記述了自19世紀(jì)開始的所有影響的水下爆炸試驗(yàn)。艦艇沖擊試驗(yàn)是驗(yàn)證在戰(zhàn)斗沖擊環(huán)境下艦艇及其系統(tǒng)抗沖擊能力的最佳途徑。美海軍規(guī)定新型潛艇和水面艦艇需按OPNAC INST9072.2進(jìn)行沖擊試驗(yàn)［8］。艦艇沖擊試驗(yàn)是在不同藥量、不同水深、不同距離等條件下對艦艇進(jìn)行的一系列水下爆炸試驗(yàn)。

但是，沖擊試驗(yàn)需要大量費(fèi)用和時(shí)間，因而各國在水下爆炸沖擊試驗(yàn)研究的投入有很大差別。美國海軍研究中心采用試驗(yàn)為主計(jì)算為輔的模式，對每艘艦船都進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，直至艦船達(dá)標(biāo)后才允許其服役。美國在二戰(zhàn)期間和二戰(zhàn)后，曾對一批報(bào)廢艦船和俘獲的日本艦船做了系列的水下爆炸試驗(yàn)，取得相當(dāng)多的數(shù)據(jù)和結(jié)論。20世紀(jì)70年代至80年代，歐美等國家對于艦船結(jié)構(gòu)部件、機(jī)械裝置也做了不少爆炸試驗(yàn)。20世紀(jì)60年代，日本對不同尺寸、不同筋板結(jié)構(gòu)的多個加筋圓柱殼在不同炸藥量和不同水深下進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。1996年，荷蘭TNO為建設(shè)“黃蜂”號掃雷艦，對1個圓柱型艦船模型進(jìn)行了6次水下爆炸試驗(yàn)［9］。

1.4 浮動沖擊平臺試驗(yàn)

海上實(shí)船爆炸試驗(yàn)雖然對提高水面艦艇在戰(zhàn)爭中的生命力非常有益，能提供一個近乎均勻的沖擊環(huán)境，但是和實(shí)際作戰(zhàn)中的武器所產(chǎn)生的沖擊還是有差別的，尤其是實(shí)際作戰(zhàn)中武器所產(chǎn)生的沖擊環(huán)境從艦首到艦尾都是不一樣的，局部可能超過設(shè)計(jì)要求。此外，沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)條件不考慮水下爆炸氣泡在艦艇外表面附近產(chǎn)生的渦旋震蕩。由于水下爆炸試驗(yàn)成本昂貴，同時(shí)考慮艦艇人員安全以及對環(huán)境的影響，一般只進(jìn)行模擬艦艇爆炸試驗(yàn)。所謂模擬艦艇，是指在尺寸和結(jié)構(gòu)上和實(shí)際艦艇相似的試驗(yàn)平臺或樣艦，爆炸試驗(yàn)從相對小的沖擊水平開始，逐漸增加到一定的嚴(yán)酷度。

進(jìn)行模擬艦艇爆炸試驗(yàn)的主要設(shè)施有爆炸水池和浮動平臺。比較有名的有阿伯丁爆炸水池、加拿大國防技術(shù)研究開發(fā)中心爆炸水池、英國的海洋技術(shù)中心浮動沖擊平臺STV01及我國702所的浮動沖擊平臺等，如圖2所示。

圖2 浮動沖擊平臺Fig．2Floating shock platform

爆炸沖擊試驗(yàn)的成本昂貴，試驗(yàn)次數(shù)很有限，難以從概率統(tǒng)計(jì)學(xué)角度得到有意義的試驗(yàn)結(jié)果，而環(huán)境保護(hù)又使公開的沖擊試驗(yàn)面臨更多的問題。由于艦艇沖擊試驗(yàn)的上述內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)，沖擊試驗(yàn)的當(dāng)量等級并沒有達(dá)到艦船破壞極限要求，甚至無法達(dá)到真實(shí)的戰(zhàn)時(shí)沖擊環(huán)境強(qiáng)度［10］。

2 目前沖擊試驗(yàn)最常用手段

基于經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和可實(shí)現(xiàn)性等方面的考慮，目前最常用的沖擊試驗(yàn)手段為擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)。

擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)的原理［11］:試驗(yàn)時(shí)，擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)的起吊臂牽引擺錘上升到預(yù)定位置后，釋放鉤張開，擺錘自由落下，錘頭擊打安裝試驗(yàn)件的水平臺面。平臺受到擺錘沖擊，反復(fù)撞擊試驗(yàn)臺基座上的彈性緩沖器，從而產(chǎn)生衰減的復(fù)雜振蕩沖擊波形。測量系統(tǒng)通過傳感器和電荷放大器等記錄臺面運(yùn)動的時(shí)間歷程響應(yīng)，沖擊采集系統(tǒng)將運(yùn)動的時(shí)間歷程處理成為沖擊譜，得到?jīng)_擊譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，如圖3所示。

圖3 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig．3Principle of pendulum impact test system

研究結(jié)果表明，對一個確定的擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)來說，影響其性能的因素主要有3條:擺錘提升角度、緩沖器的剛度、試驗(yàn)件與夾具組合體的裝夾方式。

3 振動沖擊臺

隨著人們對產(chǎn)品精度、可靠性要求的提高，以及船舶、航天等領(lǐng)域發(fā)展的需要，人們越來越重視產(chǎn)品的抗沖擊性能，與之相應(yīng)的沖擊試驗(yàn)平臺也在不斷發(fā)展，以力脈沖發(fā)生器的發(fā)展為標(biāo)志，沖擊試驗(yàn)平臺主要經(jīng)歷了以下3個發(fā)展階段:

第1階段，最早期沖擊試驗(yàn)機(jī)是機(jī)械式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)。它主要以橡膠、氈墊、彈簧等作為力脈沖成型器，這種沖擊試驗(yàn)機(jī)只產(chǎn)生單一的波形，它的自動化程度通常很低。

第2階段，以自動控制理論的發(fā)展、自動化設(shè)備的興起、新材料的發(fā)展為基礎(chǔ)，以使用特制材料與液壓或氣動控制結(jié)合為特征的力脈沖發(fā)生器作為緩沖器，不同的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生不同波形。這種力脈沖發(fā)生器精確度比較高，性能也相當(dāng)穩(wěn)定。

第3階段，1980年以來，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用與集成電子技術(shù)的快速發(fā)展，以能在1臺緩沖器上產(chǎn)生多種力脈沖波形的智能化緩沖器為特征，并輔以高度自動化控制以及數(shù)據(jù)分析設(shè)備的新型沖擊試驗(yàn)臺。

本節(jié)以ES－160振動沖擊平臺為例，介紹目前振動沖擊平臺在大型設(shè)備抗沖擊試驗(yàn)中的應(yīng)用。ES－160沖擊測試系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)控制液壓作動器產(chǎn)生多種沖擊波形，對設(shè)備進(jìn)行垂向和水平?jīng)_擊，利用諧波失真縮減系統(tǒng)糾正液壓作動器的固有波形失真以滿足規(guī)定波形。可分別完成三軸向的正弦振動試驗(yàn)、寬帶隨機(jī)振動試驗(yàn)以及經(jīng)典（半正弦、梯形、后峰鋸齒）脈沖和沖擊回應(yīng)譜試驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)平臺如圖4所示。圖5（a）為根據(jù)德國BV軍用標(biāo)準(zhǔn)生成的沖擊輸入波形，圖5（b）為試驗(yàn)臺輸出的沖擊波?？梢钥闯?，振動沖擊平臺輸出的波形能準(zhǔn)確地對軍用沖擊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模擬。下面以船用主汽輪機(jī)汽缸的抗沖擊實(shí)驗(yàn)為例，對采用振動沖擊臺進(jìn)行船用大型設(shè)備的抗沖擊實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。

4 振動沖擊臺應(yīng)用實(shí)例

試驗(yàn)在ES－160沖擊平臺上進(jìn)行，載入部位為工裝件底部，范圍為與沖擊試驗(yàn)臺的接觸區(qū)域。振動臺輸出半正弦波形，如圖5（b）所示，沖擊輸入的峰值及脈寬分別為工況1:4g，10 ms;工況2:6g，10 ms;工況3:8g，10 ms;工況4:12g，10 ms;工況5:16g，10 ms。試驗(yàn)時(shí)分別在橫向、縱向、垂向按工況1～5依次對試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d。沖擊載入情況見圖6。

試驗(yàn)測得加速度值與數(shù)值計(jì)算值對比及試驗(yàn)測得應(yīng)力值與數(shù)值計(jì)算值對比如圖7所示。計(jì)算的輸入為德國BV軍標(biāo)規(guī)定的沖擊輸入譜。由圖7可以看出加速度計(jì)算值和實(shí)測值符合得很好;由圖8可以看出應(yīng)力計(jì)算值和實(shí)測值的峰值符合得很好。說明采用振動沖擊平臺進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)?zāi)芎芎玫啬M軍用標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

設(shè)備抗沖擊試驗(yàn)手段包括跌落式臺架試驗(yàn)、擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)、浮動沖擊平臺試驗(yàn)、海上實(shí)船水下爆炸沖擊試驗(yàn)。目前擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)應(yīng)用最廣泛，但精度不高。而海上實(shí)船水下爆炸試驗(yàn)是最有效的試驗(yàn)手段，但耗資巨大、試驗(yàn)失敗的風(fēng)險(xiǎn)較高。在ES－160沖擊平臺上進(jìn)行的船用主汽輪機(jī)汽缸沖擊試驗(yàn)表明:振動沖擊平臺輸出的沖擊波精度很高，能準(zhǔn)確地對軍用沖擊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模擬，而且實(shí)現(xiàn)起來方便、經(jīng)濟(jì)，可重復(fù)實(shí)現(xiàn)。振動沖擊平臺克服了其他沖擊手段的缺點(diǎn)，兼有它們的優(yōu)點(diǎn)，是設(shè)備抗沖擊試驗(yàn)手段的發(fā)展趨勢。

圖8 應(yīng)力實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對比Fig．8Comparison of stress measured value and calculated value

［1］候維達(dá)，李國華，趙本立．強(qiáng)碰撞中型沖擊機(jī)及其應(yīng)用［J］．船舶工程，1995，（1）:28－32．

HOU Wei-da，LI Guo-hua，ZHAO Ben-li．Medium-sized high impact shock machine［J］．Ship Engineering，1995，（1）:28－32．

［2］王貢獻(xiàn)，褚德英，張磊．艦船設(shè)備沖擊試驗(yàn)機(jī)研究進(jìn)展［J］．振動與沖擊，2007，26（2）:152－183．

WANG Gong-xian，CHU De-ying，ZHANG Lei．Advances in shock test facilities for shipboard equipments［J］．Journal of Vibration and Shock，2007，26（2）:152－183．

［3］李伯松，賀永勝，韓乃仁，杜馗．模擬爆炸振動的沖擊試驗(yàn)機(jī)簡介［J］．爆炸與沖擊，2002，22（1）:79－82．

LI Bo-song，HE Yong-sheng，HAN Nai-ren，DU Kui．Brief introduction of shock testing machine for simulating blast vibration［J］．Explosion and Shock Waves，2002，22（1）:79－82．

［4］毛勇建．跌落沖擊機(jī)墊層的硬非線性對半正弦波模擬的影響［J］．環(huán)境技術(shù)，2002，（5）:5－9．

MAO Yong-jian．Effects of hard nonlinear cushion for drop shock machine to simulation of half sine waveform［J］．Environmental Technology，2002，（5）:5－9．

［5］KEIL A H．The response of Ship to underwater explosion［M］．SNAME，1961．

［6］WELCH W P．Mechanical shock on naval vessels as related to equipment design［J］．Journal ASNE，1946，58．

［7］汪玉，華宏星．艦船現(xiàn)代沖擊理論及應(yīng)用［M］．北京:科學(xué)出版社，2005．

WANG Yu，HUA Hong-xing．Modern impact theory and application of ships［M］．Beijing:Science Press，2005．

［8］OPNAV Instruction 9072.2．Shock hardening of surface ships［Z］．12 January，1987．

［9］BOSMAN B．Shock trials trojka drone:measurements shot 1，2 and 3［R］.AD－A321541，1996．

［10］Naval Sea Systems Command．Live Fire Test and Evaluation of U．S．Navy Ships Process Description［Z］．1993．

［11］JEON B S，LEE J J，KIMET J K．LOW velocity impact and delimitation buckling behavior of composite laminates with embeddedopticalfibers［J］．SmartMaterialsand Structures，l999，25（8）:41－48．