張 濤 孫穎宏

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所 鄭州 450047）

1 引言

當(dāng)艦船遭到距離其數(shù)十米至百米的水下爆炸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沖擊波和后續(xù)氣泡的脈動(dòng)作用，稱(chēng)這種作用形式為非接觸爆炸［1］，其沖擊作用一方面對(duì)船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，降低艦船生命力；另一方面會(huì)引起船體劇烈振動(dòng)，導(dǎo)致艦船系統(tǒng)及艦載電子設(shè)備的沖擊破壞和戰(zhàn)斗人員的身體損傷，使艦船戰(zhàn)斗力受到嚴(yán)重?fù)p傷甚至是完全喪失［2～4］。

在水下非接觸爆炸研究領(lǐng)域中，以船體結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)為輸入條件的艦載電子設(shè)備的隔沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是重要的研究?jī)?nèi)容。本文作者及項(xiàng)目組科研人員通過(guò)長(zhǎng)期工程實(shí)踐，在利用商用有限元軟件進(jìn)行仿真分析的基礎(chǔ)上，對(duì)隔沖減振材料進(jìn)行仔細(xì)篩選，完成了攝像機(jī)復(fù)合減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一種以粘彈性阻尼材料為主的復(fù)合隔振結(jié)構(gòu)，能有效緩沖高頻響船體作用于攝像機(jī)的強(qiáng)沖擊。從而研制出了一款能夠適應(yīng)強(qiáng)沖擊爆炸環(huán)境的攝像機(jī)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)對(duì)攝像機(jī)的加固措施進(jìn)行驗(yàn)證。

2 隔沖結(jié)構(gòu)的原理及功能

2.1 隔沖原理分析

隔沖源于材料耗能，材料耗能主要在于其內(nèi)部分子的摩擦，使用結(jié)構(gòu)阻尼能恰當(dāng)?shù)孛枋霾牧系哪Σ梁哪芴匦裕?～6］。由等效粘性阻尼比和結(jié)構(gòu)阻尼比的定義及其能量轉(zhuǎn)換法，結(jié)構(gòu)阻尼所表述的離散多自由度系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程表示為

上式，ψlr、ψpr、Kr、ηr和λr均為系統(tǒng)固有屬性，稱(chēng)之為模態(tài)參數(shù)。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)摩莚和Kr值，可有效降低系統(tǒng)的（ω）。尤其在共振頻段，通過(guò)增大ηr的值，可有效降低品質(zhì)因子，但在后，增加ηr反而會(huì)降低隔沖效果。因此在隔沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)使結(jié)構(gòu)的固有頻率盡可能分布在低頻段，且具有適當(dāng)?shù)淖枘帷?/p>

2.2 沖擊激勵(lì)及隔沖結(jié)構(gòu)功能描述

圖1 艦載電子設(shè)備的瞬態(tài)激勵(lì)

水下非接觸爆炸將一半以上的爆炸能量以沖擊波的形式作用于船體結(jié)構(gòu)，船體的瞬態(tài)響應(yīng)又成為艦載電子設(shè)備的瞬態(tài)激勵(lì)［7］。鑒于這種瞬態(tài)激勵(lì)的波形具有時(shí)域復(fù)雜性和不可復(fù)制性，因此各種沖擊試驗(yàn)和仿真計(jì)算時(shí)均采用“等效損傷原則”模擬水下爆炸沖擊。又因這種瞬態(tài)激勵(lì)具有時(shí)域譜能量強(qiáng)烈且集中、頻域譜連續(xù)且分布廣等特點(diǎn)，可以用瞬時(shí)脈沖函數(shù)來(lái)表示由水下非接觸爆炸產(chǎn)生的瞬態(tài)激勵(lì)。圖1為上述瞬態(tài)激勵(lì)的波形。

應(yīng)對(duì)這種瞬態(tài)激勵(lì)，隔沖結(jié)構(gòu)應(yīng)具有以下兩方面功能：1）具備足夠的剛度以適應(yīng)高強(qiáng)度的瞬態(tài)沖擊；2）具備足夠的阻尼以降低設(shè)備在各頻段特別是共振區(qū)的振幅放大因子，并快速消耗沖擊能量，迅速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

鑒于以上的分析，本文考慮采用一種以粘彈性材料和金屬板件組成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行隔沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部由金屬板件來(lái)承載攝像機(jī)，在攝像機(jī)和彈性板件外圍包裹粘彈性材料以起到隔沖和快速耗能的作用，這樣的復(fù)合隔沖結(jié)構(gòu)既有一定剛度又有足夠的阻尼，在實(shí)驗(yàn)室沖擊試驗(yàn)和實(shí)船爆炸試驗(yàn)中均能達(dá)到理想的隔沖效果。

3 粘彈性阻尼材料

很多諸如玻璃、橡膠和高聚物等材料在受力情況下的力學(xué)特性被描述成彈性和粘性的結(jié)合，即一方面具有彈性固體的儲(chǔ)能特性，另一方面又具有粘性液體的耗能特性，通常這類(lèi)物質(zhì)可用粘彈性材料來(lái)表述［8～10］。

粘彈性材料的力學(xué)性能主要表現(xiàn)在其優(yōu)良的阻尼特性方面，其阻尼機(jī)理與材料的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。高聚物內(nèi)部分子鏈的運(yùn)動(dòng)、摩擦、破壞與重構(gòu)構(gòu)成了阻尼的微觀效應(yīng)；熱彈性、熱傳導(dǎo)是阻尼的宏觀表象。

3.1 粘彈性材料的數(shù)學(xué)模型

一般工程條件下，高聚物經(jīng)歷小應(yīng)力作用，其內(nèi)部大分子的螺旋結(jié)構(gòu)變形通常不會(huì)破壞分子鏈，這時(shí)可用線(xiàn)性粘彈性理論來(lái)表述其本構(gòu)關(guān)系，即應(yīng)力應(yīng)變呈線(xiàn)性關(guān)系。但因其具有時(shí)間參數(shù)，所以對(duì)應(yīng)不同時(shí)間有不同的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，這些關(guān)系可表述為以應(yīng)力松弛和蠕變?yōu)榇淼膬煞N現(xiàn)象。

由流變理論，以彈簧和黏壺模型表達(dá)的松弛條件下的線(xiàn)性粘彈性材料時(shí)域本構(gòu)方程的微分形式為

式中，σ（t）和ε（t）表示應(yīng)力和應(yīng)變，ai和bi為權(quán)系數(shù)。

一般情況下，粘彈性材料的應(yīng)力應(yīng)變方程不但與現(xiàn)在的應(yīng)力應(yīng)變有關(guān)，也與整個(gè)應(yīng)力應(yīng)變的發(fā)展歷程有關(guān)。這種本構(gòu)關(guān)系可一般由Boltzmann疊加積分形式表達(dá)。將上式積分，得到麥?zhǔn)洗?lián)模型在松弛條件下時(shí)域本構(gòu)方程的積分形式為

式中，G（t）為應(yīng)力松弛模量，它反映了σ（t）的時(shí)間依賴(lài)關(guān)系。

對(duì)于各向同性粘彈性材料，其變形可以分為剪切變形和體積變形。假設(shè)其剪切特性和體積特性為完全非耦合，并且這種特性能夠用與時(shí)間相關(guān)的剪切松弛模量G（τ）和體積松弛模量K（t）所表述，更一般意義的各向同性粘彈性材料的本構(gòu)方程可表述為剪應(yīng)力和體應(yīng)力之和。鑒于剪切松弛模量和體積松弛模量在數(shù)學(xué)形式上一致以及剪應(yīng)力在粘彈性材料力學(xué)性能中的重要地位，本文僅以剪切松弛模量G（t）為論述對(duì)象，這也是式（5）使用G（t）的原因。

3.2 粘彈性材料動(dòng)力特性

由于粘彈性材料的動(dòng)力學(xué)特性非常依賴(lài)于頻率，將式（5）表述的時(shí)域模型經(jīng)過(guò)拉氏變換并投影到傅氏域，得到粘彈性材料應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系的頻域模型為

式中，G＊（ω）為復(fù)應(yīng)力模量，G′（ω）和G″（ω）分別表示材料的存儲(chǔ)模量和損耗模量，η（ω）為粘彈性材料的能量損失因子。由于粘彈性材料耗能主要源于剪切作用，剪切應(yīng)變能為占主導(dǎo)地位，因此一般三維狀態(tài)下的應(yīng)力由復(fù)數(shù)形式的以頻率為變量的剪切模量和實(shí)常數(shù)泊松比來(lái)表達(dá)。

在復(fù)模量式（7）中有：

式中，β為應(yīng)變落后于應(yīng)力的相位角，粘彈性材料的能量損失因子η正比于相位角β，因此可得到第一個(gè)結(jié)論：粘彈性材料的應(yīng)變?cè)綔髴?yīng)力，其應(yīng)力－應(yīng)變圖的遲滯回線(xiàn)所包圍的面積越大，一個(gè)周期內(nèi)所耗散的能量越多。粘彈性材料的ηG′正比于相位角β，ηG′值表示材料的減振降噪能力，因此得到第二個(gè)結(jié)論：粘彈性材料的損失因子η的峰值越高，損耗能量越多。

3.3 粘彈性材料的物理描述

本次物理樣機(jī)試驗(yàn)使用的高聚物為雙組份室溫硫化硅橡膠作為粘彈性阻尼材料（膠體）。硅橡膠在硫化前是流動(dòng)性能較好的黑色糊狀流體（膠料），主要成分是高摩爾質(zhì)量的乙烯基硅氧烷。

將膠料在容器中充分均勻的進(jìn)行攪拌，然后將膠料和硫化劑以一定比例充分混合，并灌入需要保護(hù)的攝像機(jī)、彈性鋼板及外殼之間，將攝像機(jī)完全充分的包裹住。室溫條件下（25℃）靜置4～6個(gè)小時(shí)，膠料經(jīng)硫化劑硫化后成為柔軟透明的有機(jī)硅橡膠即膠體。這種膠體在－60℃～200℃范圍內(nèi)可長(zhǎng)期保持粘彈性，具有優(yōu)良的電器絕緣性能和化學(xué)生理惰性，具有良好的耐水、耐腐蝕、耐老化的性能，尤其是具有優(yōu)良的隔沖減振性能，且無(wú)毒、無(wú)味，線(xiàn)收縮率低，易于操作。

4 粘彈性復(fù)合材料隔沖結(jié)構(gòu)有限元模型建模及瞬響分析

4.1 有限元模型建模

粘彈性復(fù)合材料隔沖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型建模的主要特點(diǎn)表現(xiàn)為其全方位的非線(xiàn)性。粘彈性復(fù)合材料隔沖結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性問(wèn)題包括材料非線(xiàn)性、幾何非線(xiàn)性和邊界條件非線(xiàn)性。

本文結(jié)合研究課題，使用MSC.Patran建立粘彈性復(fù)合材料隔沖結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型（如圖2所示）。該模型包括外殼、膠體、金屬板和電子設(shè)備四個(gè)幾何部分以及動(dòng)力載荷、材料、接觸和解算控制等參數(shù)。

圖2 粘彈性復(fù)合材料隔沖結(jié)構(gòu)有限元模型

圖3 瞬態(tài)半正弦加速度激勵(lì)

隔沖結(jié)構(gòu)模型的外殼厚重，分析中起承載和傳遞激勵(lì)的作用，其變形可以忽略不計(jì)，定義為剛體。外殼與膠體的接觸采用高庫(kù)倫摩擦系數(shù)接觸或粘合技術(shù)，與金屬板的連接方式采用多點(diǎn)約束，這里僅固結(jié)激勵(lì)方向。外殼與船體采用一維彈簧連接用以表達(dá)緊固螺栓。

膠體是主要變形體，定義為粘彈性材料，使用prony級(jí)數(shù)描述其剪應(yīng)力和體應(yīng)力松弛模量，松弛模量數(shù)值和密度由膠體生產(chǎn)廠家提供。膠體有限元模型采用體單元，拓?fù)湫问綖?節(jié)點(diǎn)12邊形的一次單元，劃分單元后的膠體共離散為2541個(gè)節(jié)點(diǎn)、2000個(gè)單元。考慮到分析過(guò)程的復(fù)雜性與求解次數(shù)，在計(jì)算結(jié)果精度允許的范圍內(nèi)，劃分單元較為稀疏。

金屬板材料為彈簧鋼板，定義為彈性體。彈簧鋼板有限元模型采用薄殼單元，拓?fù)湫问綖?節(jié)點(diǎn)4邊形一次單元，劃分單元后的彈簧鋼板離散為231個(gè)節(jié)點(diǎn)、100個(gè)單元。

計(jì)算中攝像機(jī)僅提供單自由度慣性作用，因此定義其為非耦合質(zhì)量點(diǎn)，固結(jié)在彈簧鋼板的中線(xiàn)位置。

動(dòng)力載荷為瞬態(tài)半正弦加速度激勵(lì)，脈寬8ms，峰值300g。因要與試驗(yàn)中真實(shí)載荷相一致，定義載荷作用位置在殼體底部正中，作用方向?yàn)闅んw底部法向向內(nèi)，即分析中僅考慮單軸－Z軸的載荷的輸入和響應(yīng)。加速度激勵(lì)如圖3所示。

4.2 隔沖結(jié)構(gòu)有限元模型瞬響分析

根據(jù)隔沖結(jié)構(gòu)實(shí)際工況，使用 MD Nastran（SOL600）解算器進(jìn)行隱式非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算，得到載荷作用方向?yàn)閆向時(shí)攝像機(jī)非耦合質(zhì)量點(diǎn)的瞬態(tài)加速度響應(yīng)曲線(xiàn)，如圖4所示。

圖4 非耦合質(zhì)量點(diǎn)的瞬態(tài)加速度響應(yīng)曲線(xiàn)加速度響應(yīng)曲線(xiàn)

圖5 加固攝像機(jī)組成透視圖

由圖4可見(jiàn)：1）該粘彈性復(fù)合材料隔沖結(jié)構(gòu)將峰值為300g的半正弦加速度激勵(lì)在非耦合質(zhì)量點(diǎn)即攝像機(jī)處衰減至9g以?xún)?nèi)，保證了攝像機(jī)在沖擊峰值處的安全可靠；2）該結(jié)構(gòu)將沖擊載荷的影響時(shí)間縮減至70ms左右，70ms后非耦合質(zhì)量點(diǎn)的瞬態(tài)加速度響應(yīng)小于0.3g，僅為沖擊載荷峰值的1‰，因此該結(jié)構(gòu)可使得攝像機(jī)迅速穩(wěn)定下來(lái)并進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合以上理論計(jì)算及仿真分析，加固攝像機(jī)基本結(jié)構(gòu)組成為：整體鋁材外殼、彈簧鋼板和粘性橡膠。加固攝像機(jī)結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。

攝像機(jī)固定在彈簧鋼板上，彈簧鋼板兩側(cè)與外殼緊固連接，在外殼與攝像機(jī)之間充填粘性橡膠。為兼顧散熱問(wèn)題，粘性橡膠必須具有較好的熱傳遞系數(shù)。彈簧鋼板由于具有較好的彈性和一定的剛度，在受到強(qiáng)大沖擊時(shí)通過(guò)彈性變形瞬間吸收沖擊能量，有效降低沖擊加速度對(duì)攝像機(jī)的影響。粘性橡膠由于具有較好的阻尼系數(shù)，通過(guò)大的剪切變形可以快速有效消耗強(qiáng)沖擊產(chǎn)生的能量，達(dá)到快速穩(wěn)定攝像機(jī)的目的。

在光學(xué)窗口的設(shè)計(jì)中，不僅要考慮玻璃窗口的強(qiáng)度，還要考慮窗口光的透過(guò)率。因此，窗口保護(hù)玻璃既不能選擇普通玻璃透鏡，也不能選擇透過(guò)率較低而抗爆性能高的有機(jī)玻璃。經(jīng)過(guò)調(diào)研，確定為玻璃光學(xué)窗口粘貼高透光率的防爆保護(hù)膜，一方面不以犧牲光透光率為代價(jià)來(lái)增加保護(hù)玻璃的抗沖擊振動(dòng)能力；另一方面通過(guò)這種手段，大大提高了保護(hù)玻璃的抗爆性能，滿(mǎn)足了攝像機(jī)的性能要求。在光學(xué)保護(hù)玻璃的安裝方面也特別為玻璃的兩面都增加了橡膠緩沖墊，有效降低了沖擊振動(dòng)對(duì)玻璃窗口的影響，大大提高了攝像機(jī)的抗沖擊性能。

6 實(shí)驗(yàn)室沖擊振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證加固設(shè)計(jì)的有效性，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)不同的保護(hù)玻璃進(jìn)行了沖擊性能驗(yàn)證，在同樣的安裝條件下，普通的保護(hù)玻璃在沖擊加速度達(dá)到70g時(shí)就發(fā)生了碎裂現(xiàn)象；有機(jī)玻璃在沖擊加速度達(dá)到600g時(shí)仍沒(méi)有出現(xiàn)碎裂現(xiàn)象；貼過(guò)防爆膜的保護(hù)玻璃，當(dāng)沖擊加速度達(dá)到600g時(shí)沒(méi)有發(fā)生碎裂現(xiàn)象，當(dāng)沖擊加速度達(dá)到1200g時(shí)，保護(hù)玻璃出現(xiàn)了裂紋，但沒(méi)有破碎。由此可見(jiàn)，為玻璃粘貼防爆膜的方法十分有效，既沒(méi)有降低玻璃的透光率，又增強(qiáng)了保護(hù)玻璃的強(qiáng)度，同時(shí)了還增強(qiáng)玻璃的安全性。

將攝像機(jī)按著在艦船上實(shí)際的安裝方式固定在C－200型沖擊機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)上，并按實(shí)際工作狀態(tài)加電工作，首次沖擊值300g，攝像機(jī)工作正常，圖像拍攝穩(wěn)定清晰，基本感覺(jué)不到模糊；第二次沖擊值450g，攝像機(jī)工作正常，圖像拍攝穩(wěn)定清晰，基本感覺(jué)不到模糊；第三次沖擊值600g，攝像機(jī)工作正常，圖像拍攝穩(wěn)定清晰，基本感覺(jué)不到模糊。經(jīng)過(guò)三次沖擊試驗(yàn)，攝像機(jī)順利通過(guò)了沖擊試驗(yàn)測(cè)試，能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)需求。

7 結(jié)語(yǔ)

本文在理論計(jì)算與仿真分析的基礎(chǔ)上，采用粘彈性材料與彈簧鋼板相結(jié)合的復(fù)合減振措施，完成了對(duì)攝像機(jī)的加固，順利通過(guò)了實(shí)驗(yàn)室沖擊振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，表明對(duì)攝像機(jī)的加固設(shè)計(jì)措施有效可行，能夠滿(mǎn)足艦船水下非接觸爆炸試驗(yàn)的要求。該款攝像機(jī)研制成功后，已經(jīng)多次應(yīng)用于艦船強(qiáng)沖擊爆炸試驗(yàn)，為試驗(yàn)的順利進(jìn)行提供了可靠的決策依據(jù)，有力保障了多次試驗(yàn)的圓滿(mǎn)完成。目前，該款攝像機(jī)的專(zhuān)利申請(qǐng)正在受理中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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