高浩鵬，黃映云，金 輝，張姝紅

（1.中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連 116041；2.海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033）

水下爆炸作用下多層隔振系統(tǒng)動態(tài)特性分析

高浩鵬1，黃映云2，金 輝1，張姝紅1

（1.中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連 116041；2.海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033）

設計一種多層隔振系統(tǒng)用于水下爆炸試驗時對電測設備的抗水下爆炸沖擊防護?；诖筚|量法，依據(jù)計算多體動力學理論，構建空氣彈簧與鋼絲繩隔振器相結合的多層隔振系統(tǒng)的抗沖擊動力學分析模型，并進行動態(tài)特性分析。結果表明設計的多層隔振系統(tǒng)在水下接觸和近場爆炸條件下工作正常，滿足試驗需求；多層隔振系統(tǒng)對沖擊載荷的緩沖效率較高，但在設計時要重點考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

振動與波；多層隔振；鋼絲繩隔振器；空氣彈簧；水下爆炸

目前，通過加速度、應變、自由場壓力、壁壓等參數(shù)對水下爆炸作用下艦船毀傷、水中兵器戰(zhàn)斗部爆炸威力、艦船沖擊環(huán)境等評估是一種常用的方法[1]；其中加速度傳感器及應變片主要布設于被試船及其設備上，自由場壓力及壁壓傳感器主要布設于水中相應位置。根據(jù)這些測量參數(shù)的特點以及水下爆炸試驗的實際工況，被試船或測量載體一般離爆源較近。電測系統(tǒng)作為一種常用的水下爆炸測量設備，在試驗時一般安裝于被試船或測量載體上；電測系統(tǒng)的核心部分主要由電子元器件組成，在接觸或近距離水下爆炸時，其直接抗沖擊性能較差，一般都是通過隔振系統(tǒng)對其進行防護，進而實現(xiàn)對特征參數(shù)的有效采集[2]。為了在水下接觸和近場爆炸作用下實現(xiàn)電測系統(tǒng)的可靠工作，本文設計了一種多層隔振系統(tǒng)用于對電測設備的抗沖擊防護，并對隔振系統(tǒng)的動態(tài)特性進行分析。

1 多層隔振系統(tǒng)設計

水下接觸和近場爆炸作用下，安裝于被試船或測量載體上的電測設備間接承受沖擊波和氣泡脈動兩種載荷的作用。水下爆炸時沖擊波的特點是：同等條件下初始壓力比空氣中大得多、爆源附近沖擊波傳播速度為音速的數(shù)倍、沖擊波頻率成分較為復雜等[3]。氣泡脈動能量雖然小于沖擊波能量，但是其脈動頻率較低，容易與船體的低階模態(tài)以及隔振系統(tǒng)發(fā)生共振，進而影響船體總縱強度及隔振系統(tǒng)工作的可靠性[4]。根據(jù)這些水下爆炸載荷的特點，本文設計了空氣彈簧及鋼絲繩隔器相結合的多層隔振系統(tǒng)。

1.1 空氣彈簧隔振系統(tǒng)設計

空氣彈簧隔振系統(tǒng)設計為三層，每個空氣彈簧空載時外徑為800 mm，高度為300 mm，空氣彈簧之間使用多層六角鋼板固定連接，其中每兩個空氣彈簧之間的六角鋼板質量為45 kg，鋼絲繩隔振器安裝底板質量為80 kg，結構安裝方式如圖1所示。根據(jù)需隔振電測設備的質量及六角鋼板的自重，三層空氣彈簧自下向上編號為1號、2號、3號，表壓分別是0.042 MPa、0.028 MPa、0.016 MPa。設空氣彈簧在初始位置時為線性，結合氣體狀態(tài)方程，忽略初始位置高度對有效面積的影響，則空氣彈簧剛度公式[5]可簡化為式（1），其中p為絕對壓力，A為有效承載面積，pa為標準大氣壓，m為多變指數(shù)，x為行程，p0、V0為初始狀態(tài)參數(shù)；根據(jù)該公式及有效承載面積、初始參數(shù)等計算三層空氣彈簧自下向上的剛度分別為92.3N/mm、83.2N/mm、75.4N/mm。

1.2 鋼絲繩隔振系統(tǒng)設計

鋼絲繩隔振系統(tǒng)分頂板、鋼絲繩隔振器和底板三部分，在空氣彈簧隔振系統(tǒng)的基礎上安裝，如圖1所示。頂板和底板尺寸為1 400mm×1 200mm×6 mm，需隔振的總質量約180kg（含電測設備及頂板質量）。根據(jù)公式（2）進行沖擊選型設計[6]。其中，fs為隔離系統(tǒng)的沖擊固有頻率（Hz），fp沖擊脈沖的固有頻率（Hz），為響應加速度（m/s2），x¨i為輸入加速度（m/s2），Ks為平均沖擊剛度系數(shù)（N/m），Tp半正弦脈沖持續(xù)時間，W為隔振系統(tǒng)總質量（kg）。結合以往水下爆炸試驗及仿真計算結果，設沖擊脈沖主要頻率為200Hz～800Hz，緩沖效率為96%，計算得到隔振系統(tǒng)的剛度為1.78×102N/mm～2.85×103N/mm。

2 多層隔振系統(tǒng)動力學建模方法研究

2.1 實體模型的建立

本文研究的重點是隔振系統(tǒng)的動態(tài)特性，對機械構件本身強度不做過多分析，文中基于計算多體動力學方法[7]進行建模。實體模型的建立是仿真計算的基礎，模型的正確建立與否直接影響仿真計算的正確與否。文中運用三維建模軟件對隔振系統(tǒng)及電測設備進行幾何實體建模；利用三維建模與動力學分析軟件之間的無縫接口軟件傳遞模型數(shù)據(jù)信息，并對其進行仿真分析，建立的實體模型如圖1所示。

圖1 多層隔振系統(tǒng)實體模型

2.2 計算多體動力學模型的建立

在實體模型建立的基礎上，文中基于計算多體動力學理論對隔振系統(tǒng)進行動力學建模。文中通過襯套力來建立多層隔振系統(tǒng)?？諝鈴椈赏ㄟ^8個襯套力單元來模擬，取阻尼比為ζ=0.1。根據(jù)計算得到的鋼絲繩隔振系統(tǒng)的剛度，參照GJB 6412-2008進行選型；為了提高低頻的隔振效率，選型時在允許范圍內剛度盡量小，選取單個鋼絲繩隔振器的剛度為60N/mm，共4組；在多體動力學建模時通過4個襯套力單元模擬，取阻尼比為ζ=0.12。

文中水下爆炸沖擊環(huán)境根據(jù)聯(lián)邦德國1985年頒布的BV043/1985標準[8]，對船體施加正—負半正弦的垂向加速度沖擊來實現(xiàn)，負半波峰值為1 372 m/s2，持續(xù)時間為4.58 ms，正半波峰值為603m/s2，持續(xù)時間為10.4 ms?；诖筚|量法[9]模擬水下爆炸沖擊載荷對多層隔振系統(tǒng)產(chǎn)生的加速度輸入；由于正—負半正弦波有三個時間點，使用三個IF函數(shù)添加時域沖擊環(huán)境，其中施加沖擊的開始時間是4 000 ms，施加的加速度時域曲線如圖2所示。

3 水下爆炸作用下系統(tǒng)動態(tài)特性分析

在計算多體動力學建模的基礎上，仿真計算得靜態(tài)穩(wěn)定時三層空氣彈簧的變形自下而上為35.1 mm、33.1 mm、32.5 mm；三層空氣彈簧的變形量基本相等，約為彈簧高度的1/10，設計基本合理。鋼絲繩隔振器的靜態(tài)變形量為6.5 mm，在鋼絲繩隔振器工作變形范圍內（工作范圍為20 mm）。上述分析結果表明，隔振系統(tǒng)在靜態(tài)時工作正常。

圖2 沖擊加速度曲線

正—負半正弦波作用下1號、2號、3號空氣彈簧的最大動變形量分別為19.3 mm、11.4 mm、11.1 mm，鋼絲繩隔振器最大動變形量為3.4 mm，時域曲線如圖3所示（圖中標注時間為各曲線峰值對應時刻）。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，所有隔振器動變形量都在其動態(tài)正常工作范圍內；1號空氣彈簧較其它兩個空氣彈簧變形量大，主要原因是其靠近甲板同時承受水下爆炸產(chǎn)生的低頻和高頻載荷的共同作用，而2號和3號空氣彈簧主要受1號空氣彈簧衰減后低頻載荷作用；正—負半正弦波作用期間由于阻尼等因素，最大動位移出現(xiàn)的時間有一定的延遲，從其相位上分析，1號和2號空氣彈簧一致，3號空氣彈簧和鋼絲繩隔振器基本一致。

圖3 空氣彈簧及鋼絲繩隔振器動變形量

圖4 不同層隔振系統(tǒng)衰減后加速度對比

圖4中（a）和（b）分別為正—負半正弦波作用下1號、2號、3號空氣彈簧及鋼絲繩隔振器隔振后的加速度時域曲線，圖中標注時間為各曲線峰值對應時刻。由圖中可以發(fā)現(xiàn)：自下向上各隔振系統(tǒng)衰減后的加速度峰值分別為275m/s2、65.5m/s2、12.2m/s2、6.52m/s2，與正—負半正弦波峰值相比整個多層隔振系統(tǒng)的衰減率約為99.5%，即經(jīng)過多層隔振系統(tǒng)緩沖之后電測設備所受沖擊加速度峰值為6.52 m/s2，小于電測系統(tǒng)的抗沖擊指標；從每個單層隔振系統(tǒng)的衰減率來分析，各空氣彈簧衰減率基本一致，鋼絲繩隔振器衰減率較空氣彈簧小，主要原因是其固有頻率大于空氣彈簧固有頻率；加速度峰值基本都出現(xiàn)在正—負半正弦波作用期間，但相位上有一定差異。

在多層隔振系統(tǒng)動態(tài)特性分析的基礎上，為了分析隔振系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當電測設備的重心在水平面上與幾何中心偏移100 mm時，計算得到三層空氣彈簧中每層的對角襯套單元變形量差值自下而上分別為17.2 mm、16.8 mm、15.3 mm，鋼絲繩隔振器對角襯套單元變形量差值為1.7 mm。可見在安裝電測設備及隔振系統(tǒng)時必須保證重心與幾何中心重合，否則由于隔振系統(tǒng)的承載不均勻影響隔振系統(tǒng)的穩(wěn)定性及隔振效率，特別在沖擊作用下容易將這種偏差放大。這點也說明：雖然隔振系統(tǒng)衰減率較高，但由于隔振級數(shù)較多、阻尼因素較為復雜、隔振系統(tǒng)固有頻率相近、沖擊載荷成分復雜等因素容易導致不同隔振系統(tǒng)之間產(chǎn)生共振或反向共振，所以在設計隔振系統(tǒng)時必須重視系統(tǒng)的穩(wěn)定性且隔振級數(shù)不能太多。

4 結語

本文基于水下爆炸試驗需求，設計了一種多層隔振系統(tǒng)用于對電測設備的抗沖擊防護，并對隔振系統(tǒng)的動態(tài)特性進行分析。結果表明由空氣彈簧和鋼絲繩隔振器組成的多層隔振系統(tǒng)對水下爆炸沖擊載荷衰減率較高，設計的多層隔振系統(tǒng)在水下接觸和近場爆炸條件下能正常工作，滿足試驗需求。對多層隔振系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)，設計的隔振系統(tǒng)對沖擊波衰減率較高，但對系統(tǒng)的安裝精度要求較高，穩(wěn)定性還需要提高，也表明隔振系統(tǒng)的級數(shù)不能太多。另外，文中設計和分析時空氣彈簧和鋼絲繩隔振器都按線性處理，計算結果的精度還需要進一步提高。

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DynamicAnalysis of Multi-layered Isolation System Subjected to Underwater Explosion

GAO Hao-peng1,HUANG Ying-yun2,JIN Hui1,ZHANG Shu-hong1
（1.91439 Unit,Dalian 116041,Liaoning China; 2.College of Power Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China）

A multi-layered isolation system was designed for anti-shock protection of a electrical measurement system in underwater explosion test.Based on the large mass method and multi-body dynamic theory,the anti-shock model for dynamic analysis of multi-layered isolation system including an air spring and a wire rope isolator was built,and its dynamic characteristics were analyzed.The result shows that the multi-layered isolation system works normally in the underwatercontact and near-field explosion conditions.Its performance satisfies the needs of the test.The multi-layered isolation system has high cushioning efficiency for impact loads,but the system stability must be considered in the design.

vibration and wave;multi-layered isolation;wire rope isolator;air spring;underwater explosion

O38 文獻標示碼：A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.040

1006-1355(2015)03-0186-03+203

2014－10－09

十二五國防預研項目(4010304030202)

高浩鵬（1986－），男，陜西楊凌人，博士，工程師，主要研究方向：水下爆炸。E-mail:gaohaopeng@126.com