張 強 吳明晨

（1.海軍駐鄭州地區(qū)軍事代表室 鄭州 450015）（2.鄭州機電工程研究所 鄭州 450015）

1 引言

某型發(fā)射裝置水平減震系統(tǒng)由內(nèi)、外筒和彈、筒間減震裝置兩級組成，外筒與船體焊接在一起，內(nèi)筒的上端通過法蘭懸掛在外筒上，內(nèi)筒下端和外筒之間布置一圈筒間減震塊；內(nèi)筒與彈體之間布置4圈適配器，單塊適配器通過銷子懸掛在彈體外壁上［1］。當(dāng)發(fā)射裝置遭受沖擊時，減震系統(tǒng)起緩沖、隔振的作用，確保在一定的沖擊環(huán)境下彈體加速度響應(yīng)值不能超出規(guī)定的要求。文章應(yīng)用有限元技術(shù)建立某型水平減震系統(tǒng)模型，分析發(fā)射裝置遭受一定程度的沖擊后彈體的加速度響應(yīng)情況。

2 導(dǎo)彈沖擊響應(yīng)過程分析

沖擊發(fā)生在一個極短時間內(nèi)。導(dǎo)彈因沖擊所產(chǎn)生的運動，可分為兩個階段：沖擊作用階 段，自 由 振 動 階 段［2］。導(dǎo)彈、適配器、船體構(gòu)成的沖擊系統(tǒng)可簡化成如圖1所示的力學(xué)模型。

當(dāng)發(fā)生基礎(chǔ)沖擊（因船體運動而產(chǎn)生）時，瞬態(tài)的、強烈的沖擊波，使適配器產(chǎn)生很大的變形，急劇的能量放大以位能形式最大限度地儲存于適配器中［3］，少部分傳到彈體上，使彈體受到?jīng)_擊并產(chǎn)生運動。由于適配器的儲能作用，此時彈體產(chǎn)生的加速度較小，沖擊完成后，適配器中的能量釋放，彈體在初始速度、慣性力作用下開始自由振動。如能量釋放得緩慢，且遠(yuǎn)小于沖擊傳能的速度，則可以起到緩解沖擊的保護(hù)作用。如儲存的能量被消耗掉，不被用來驅(qū)動彈體運動，則具有更佳的緩沖效果。

3 常用的沖擊脈沖及譜特性

對船用設(shè)備的抗沖擊特性進(jìn)行評價，一般采用試驗的方法進(jìn)行［4］。艦船在戰(zhàn)斗條件下可能遭受的沖擊環(huán)境不能準(zhǔn)確確定，為模擬戰(zhàn)斗條件下的沖擊環(huán)境，所有沖擊實驗均是對設(shè)備作用一個脈沖載荷。常用的脈沖載荷有：三角形脈沖，矩形脈沖，指數(shù)脈沖，正弦脈沖。

1）三角形脈沖［5］

三角形脈沖具有如下函數(shù)形式：

頻譜為

由圖2可以看出，三角形脈沖的頻譜可覆蓋全頻段，不是等值譜，能量集中在下述頻率點上：

圖2 三角形脈沖及頻譜

且隨著頻率的增大，能量衰減。

2）矩形脈沖［5］

矩形單脈沖具有如下函數(shù)關(guān)系

頻譜為

圖3 矩形脈沖及頻譜

由圖3可以看出，矩形脈沖的頻譜可覆蓋全頻段，不是等值譜，能量集中在下述頻率點上：

且隨著頻率的增大，能量迅速衰減。

3）指數(shù)脈沖［5］

指數(shù)單脈沖具有如下函數(shù)關(guān)系

頻譜為

圖4 指數(shù)脈沖及頻譜

由圖4可以看出，指數(shù)脈沖的頻譜可覆蓋全頻段，不是等值譜，能量隨著頻率的增大而衰減。

4）簡諧脈沖［5］

簡諧脈沖具有如下三角函數(shù)關(guān)系，或正弦脈沖，或余弦脈沖，兩者頻譜相同：

頻譜為

圖5 簡諧脈沖及頻譜

由圖5可以看出，正弦脈沖是離散頻譜，能量集中在脈沖的頻率點處。顯然，對結(jié)構(gòu)作用一個簡諧脈沖，其譜具有單頻特性，能量集中在指定的頻率點，所進(jìn)行的沖擊測試驗證是單頻考核驗證。進(jìn)行一系列的沖擊試驗，且沖擊脈沖頻率間隔足夠小，即可對整個頻段的抗沖擊特性進(jìn)行全面考核驗證。

4 仿真計算模型

4.1 彈體仿真模型建立

依據(jù)某型的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立有限元仿真模型，用NASTRAN軟件中shell單元［6］模擬殼體結(jié)構(gòu)，在發(fā)動機相連處設(shè)橫隔壁，取發(fā)動機在0s時刻的質(zhì)量作為計算質(zhì)量，采用等效技術(shù)將發(fā)動機質(zhì)量等效到相應(yīng)的有限元模型上［7］。

4.2 適配器仿真模型建立

圖6 適配器在彈上位置

根據(jù)各型適配器的結(jié)構(gòu)特點，將其劃分為不同的區(qū)域：銷釘組件區(qū)、預(yù)彎柱體區(qū)、電纜槽區(qū)。再將各個區(qū)域劃分成若干個子塊的集合，每個子塊用一個非線性彈性單元模擬［8］，結(jié)合整圈適配器的剛度數(shù)據(jù)定義相應(yīng)的參數(shù)，使模擬后的適配器剛度特性與試驗數(shù)據(jù)一致。非線性彈性單元，選用NASTRAN軟件技術(shù)的“PBUSH1D”理論［9］。模擬適配器的彈性單元，一端節(jié)點在彈體表面，另一端節(jié)點在內(nèi)筒上。適配器位置如圖6所示。

4.3 仿真計算模型建立

根據(jù)外筒、內(nèi)筒結(jié)構(gòu)參數(shù)建立仿真模型，采用shell、beam單元模擬外筒、內(nèi)筒結(jié)構(gòu)，采用“點連接”技術(shù)模擬內(nèi)筒與外筒上端的懸掛連接，在內(nèi)、外筒底部設(shè)置一個彈簧單元模擬筒間減震墊，用筒間減震塊的剛度特性定義彈簧單元相應(yīng)的參數(shù)。彈體與內(nèi)筒之間建立模擬適配器的非線性彈性單元，將這些模型組裝在一起，即構(gòu)成減震系統(tǒng)仿真計算模型。

5 仿真計算方法

水下爆炸、碰撞、擱淺、觸礁等，對船體和發(fā)射裝置形成強烈的沖擊作用，均可使彈體受到?jīng)_擊而產(chǎn)生振蕩。沖擊振蕩構(gòu)成艇上設(shè)備的沖擊工作環(huán)境，通常簡稱之為沖擊環(huán)境［10］。本文就10Hz～150Hz頻率下的沖擊進(jìn)行仿真計算。對結(jié)構(gòu)作用一個簡諧脈沖，其譜具有單頻特性，能量集中在指定的頻率點，通過進(jìn)行一系列的沖擊試驗，即可對整個頻段的抗沖擊特性進(jìn)行考核驗證，分析彈體遭受沖擊后的加速度響應(yīng)情況。

計算中取沖擊脈沖為半正弦波脈沖，每隔20Hz取一個沖擊頻率點，共取八個頻率點構(gòu)成計算工況。表1是各個頻率點工況的橫向沖擊輸入函數(shù)。

表1 橫向沖擊輸入函數(shù)

6 仿真計算結(jié)果

通過計算，得出了在不同頻率沖擊作用下，彈體的加速度響應(yīng)時間和響應(yīng)值，結(jié)果如圖7～14所示。

圖7 頻率為10Hz的沖擊下彈體加度響應(yīng)

圖8 頻率為30Hz的沖擊下彈體加度響應(yīng)

圖9 頻率為50Hz的沖擊下彈體加度響應(yīng)

圖10 頻率為70Hz的沖擊下彈體加度響應(yīng)

圖11 頻率為90Hz的沖擊下彈體加度響應(yīng)

圖12 頻率為110Hz的沖擊下彈體加度響應(yīng)

圖13 頻率為130Hz的沖擊下彈體加度響應(yīng)

圖14 頻率為150Hz的沖擊下彈體加度響應(yīng)

通過計算得出了在各頻率沖擊作用下彈體的加速度時間和響應(yīng)值，在頻率為30Hz、50Hz、70Hz的沖擊下彈體加速度響應(yīng)值偏大。沖擊頻率超過70Hz后，彈體的加速度響應(yīng)值越來越小，這說明高頻沖擊對彈的影響較小。從上圖中可以看出，在一次沖擊作用后，外筒、內(nèi)筒的加速度響應(yīng)值明顯高于彈體，這說明水平減震系統(tǒng)具有良好的減震效果。

7 結(jié)語

通過仿真計算，彈體在30Hz、50Hz、70Hz的沖擊下彈體加速度響應(yīng)值偏大，沖擊頻率超過70Hz后，彈體的加速度響應(yīng)值越來越小，由外筒、筒間減震塊、內(nèi)筒、適配器組成的兩級減震系統(tǒng)具有良好的減震效果，能大幅衰減傳遞到彈體上的沖擊。

［1］倪火才.潛地彈道導(dǎo)彈發(fā)射裝置構(gòu)造［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，1998：11－21.

［2］都軍民，戴宗妙.沖擊響應(yīng)譜在沖擊試驗中的應(yīng)用研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2007：29（1）：1－3.

［3］朱石堅，樓京俊，何其正，等.振動理論與隔振技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006：160－165.

［4］中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn).GJB 150.18.軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法沖擊試驗［S］.國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會，1986.

［5］謝官模.振動力學(xué)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007：65－72.

［6］馬愛軍.PATRAN和NASTRAN有限元專業(yè)分析教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005：35－40.

［7］冷紀(jì)桐.有限元技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：95－98.

［8］殷有泉.非線性有限元基礎(chǔ)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2007：63－68.

［9］郭已木，萬力，黃丹.有限元法與MSC.Nastran軟件的工程應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006：90－95.

［10］中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn).GJB 1045.3－90.艦艇船體振動評價基準(zhǔn)·潛艇［S］.國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會，1991.