郭云松，張 乾，彭勇晟，丁 煒

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○四研究所，上海 200031）

三向大變形抗沖擊平臺(tái)仿真技術(shù)研究

郭云松，張 乾，彭勇晟，丁 煒

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○四研究所，上海 200031）

隨著現(xiàn)代艦船試驗(yàn)沖擊環(huán)境嚴(yán)酷度的提高，需對(duì)沖擊試驗(yàn)測(cè)量用儀器進(jìn)行更有效的沖擊防護(hù)?？箾_擊儀器平臺(tái)通過三向大變形抗沖擊設(shè)計(jì)，并運(yùn)用沖擊仿真技術(shù)研究為試驗(yàn)用測(cè)量?jī)x器提供一個(gè)可靠穩(wěn)定的抗沖擊工作環(huán)境，同時(shí)提供可靠穩(wěn)定的電源環(huán)境以及便捷的操作空間?？箾_擊平臺(tái)選用大變形空氣彈簧，采取拼裝式框架設(shè)計(jì)，樣機(jī)的實(shí)船安裝滿足了平臺(tái)的安裝功能要求。仿真計(jì)算結(jié)果說明三向大變形抗沖擊平臺(tái)方案所選用的抗沖擊元件能夠滿足臺(tái)體的變形位移要求，所選取的臺(tái)體材料在沖擊環(huán)境下未超出其許用應(yīng)力范圍。

振動(dòng)與波；大變形，抗沖擊，抗沖平臺(tái)，空氣彈簧，UPS

實(shí)船水下爆炸沖擊試驗(yàn)是艦船抗沖擊技術(shù)研究的重點(diǎn)內(nèi)容[1–2]，試驗(yàn)結(jié)果通過在試驗(yàn)過程中所采集的各種信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷及分析[3–4]，試驗(yàn)沖擊環(huán)境為強(qiáng)沖擊環(huán)境，當(dāng)前測(cè)試單位在試驗(yàn)過程中所使用的測(cè)試、測(cè)量?jī)x器大多為試驗(yàn)室、工業(yè)級(jí)測(cè)試測(cè)量設(shè)備，主要包括動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀、電荷放大器、控制計(jì)算機(jī)及不間斷電源等，本身耐沖擊能力較弱，無法滿足實(shí)船試驗(yàn)的需求。因此對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行穩(wěn)妥、可靠的沖擊防護(hù)，測(cè)量數(shù)據(jù)能夠可靠地獲取是整個(gè)防護(hù)研究的重點(diǎn)。

三向大變形抗沖擊平臺(tái)采用具有大變形能力的空氣彈簧作為緩沖元件，用以吸收瞬態(tài)沖擊能量，并配有阻尼氣室對(duì)沖擊能量進(jìn)行阻尼損耗。為保證測(cè)量?jī)x器在試驗(yàn)全過程可正常工作，降低平臺(tái)系統(tǒng)頻率、增加變形空間成為主要設(shè)計(jì)方向。

1 抗沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際使用的環(huán)境狀態(tài)，抗沖擊平臺(tái)需滿足：臺(tái)面尺寸不小于1.2 m×1.2 m，能夠完成現(xiàn)有艙室內(nèi)安裝，并可便捷化固定試驗(yàn)測(cè)試儀器，集成化供電，同時(shí)在所預(yù)測(cè)強(qiáng)沖擊環(huán)境條件下，平臺(tái)所承載測(cè)試儀器三向沖擊加速度響應(yīng)不大于10 g的功能要求。

1.1 抗沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)抗沖擊平臺(tái)的需求，選用具有大變形能力的低頻三球體空氣彈簧（FT76-20型）作為主要的抗沖擊元件，通過輔助氣室設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)空氣彈簧系統(tǒng)阻尼以保證平臺(tái)系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時(shí)盡可能選取了標(biāo)準(zhǔn)化、輕量化型材用于平臺(tái)結(jié)構(gòu)的模塊化拼裝設(shè)計(jì)。抗沖擊平臺(tái)主要由：工作平臺(tái)、空氣彈簧、輔助氣室、橫向支座及UPS電源等模塊組成，結(jié)構(gòu)示意如圖1。

圖1 抗沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 抗沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

抗沖擊平臺(tái)多為現(xiàn)役船舶加改裝使用，在設(shè)計(jì)過程中需考慮可拆裝設(shè)計(jì)以便搬運(yùn)與組裝[5]。工作平臺(tái)尺寸較大，同時(shí)沖擊環(huán)境下受力復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。工作平臺(tái)選用鋼質(zhì)型材通過搭接組合成“井”字結(jié)構(gòu)后采用螺栓緊固而形成的框架結(jié)構(gòu)作為主要承載結(jié)構(gòu)，工作平臺(tái)框架部套件及組裝示意如圖2所示。

圖2 工作平臺(tái)框架組合示意圖

由于各次測(cè)量任務(wù)所選用儀器組合的差異性及臺(tái)面輕量化考慮，臺(tái)面選用高硬度鋁合金型材拼裝鋪設(shè)，型材自身具有固定儀器設(shè)備用的槽口，根據(jù)測(cè)試儀器的布放位置先安裝固定用拉手，然后通過扎帶棘輪靈活固定測(cè)試儀器，臺(tái)面所用型材結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 臺(tái)面型材結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 抗沖擊平臺(tái)組裝

根據(jù)結(jié)構(gòu)拼裝設(shè)計(jì)，抗沖擊平臺(tái)安裝時(shí)首先將“輔助氣室”、“橫向支座”及“空氣彈簧”按結(jié)構(gòu)布置要求通過螺栓安裝于設(shè)備基座上，安裝示意如圖4所示。

圖4 輔助氣室等安裝示意圖

在艙室內(nèi)組裝工作平臺(tái)框架后，將框架結(jié)構(gòu)與圖4所示的空氣彈簧相連接。根據(jù)工作平臺(tái)框架的工作高度完成空氣彈簧充氣工作，安裝示意如圖5所示：

圖5 平臺(tái)框架組裝示意圖

最后完成臺(tái)面鋪板及測(cè)試所用儀器設(shè)備的安裝工作。

根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，按照1:1尺寸制造了抗沖擊平臺(tái)的樣機(jī)，平臺(tái)樣機(jī)結(jié)構(gòu)及實(shí)船安裝如圖6所示。

圖6 抗沖擊平臺(tái)樣機(jī)

抗沖擊平臺(tái)采用框架結(jié)構(gòu)搭接，螺栓、螺母緊固方式，安裝可靠方便，儀器布置靈活，可滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的需求。

2 抗沖擊平臺(tái)動(dòng)力學(xué)計(jì)算

2.1 工作模態(tài)計(jì)算

抗沖擊平臺(tái)的工作模態(tài)可以反映出，當(dāng)儀器設(shè)備固定于平臺(tái)后，成為工作系統(tǒng)的穩(wěn)定性情況，通過模態(tài)計(jì)算可以得到抗沖擊性能的初步評(píng)估結(jié)論。圖1所示平臺(tái)結(jié)構(gòu)經(jīng)適當(dāng)簡(jiǎn)化后，采用MSC公司的仿真軟件進(jìn)行計(jì)算[6–8]。臺(tái)體采用MSC.Patran軟件實(shí)體建模，UPS電源及搭載儀器采用質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化，UPS及測(cè)量設(shè)備作為質(zhì)點(diǎn)通過MPC與臺(tái)體連接?？箾_擊平臺(tái)模態(tài)由MSC.Nastran有限元軟件計(jì)算。有限元計(jì)算模型見圖7。

圖7 抗沖擊平臺(tái)有限元計(jì)算模型

單元類型：

1)零維MASS質(zhì)點(diǎn)單元；

2)二維BUSH彈簧單元；

3)三維SOLID實(shí)體單元。

邊界條件：采用基礎(chǔ)連接螺栓位置全自由度約束。

材料的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

空氣彈簧性能參數(shù)根據(jù)產(chǎn)品樣本中“力-高度”曲線進(jìn)行估算，計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 彈性元件參數(shù)/(N?mm-1)

經(jīng)計(jì)算，平臺(tái)系統(tǒng)前10階固有頻率如表3所示。前6階為平臺(tái)系統(tǒng)頻率，頻率較低，有利于沖擊緩沖，沖擊變形較大。第7階模態(tài)為臺(tái)體作為彈性體的扭轉(zhuǎn)模態(tài)，頻率為102.17 Hz；第8階模態(tài)為臺(tái)體彎曲模態(tài)，頻率為106.39 Hz；第9階、第10階為平臺(tái)面板局部模態(tài)，頻率為125.63 Hz和128.84 Hz。由計(jì)算可知，平臺(tái)剛性較好，可以避免沖擊發(fā)生時(shí)局部共振對(duì)測(cè)試設(shè)備的影響。

表3 模型前10階頻率/Hz

2.2 抗沖擊計(jì)算

根據(jù)抗沖擊平臺(tái)安裝位置預(yù)測(cè)的垂向及橫向輸入沖擊環(huán)境要求（如圖8），進(jìn)行臺(tái)面加速度響應(yīng)、臺(tái)面沖擊相對(duì)位移及臺(tái)體結(jié)構(gòu)沖擊應(yīng)力響應(yīng)的預(yù)測(cè)仿真計(jì)算，計(jì)算采用MSC.Nastran軟件的瞬態(tài)時(shí)域沖擊模塊進(jìn)行仿真計(jì)算并分析。

經(jīng)計(jì)算抗沖擊平臺(tái)臺(tái)面最大加速度響應(yīng)及臺(tái)面最大相對(duì)沖擊位移如表4所示，計(jì)算結(jié)果顯示兩個(gè)方向上沖擊最大加速度響應(yīng)均小于10 g，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

由于工作平臺(tái)與輔助氣室、橫向支座之間采用大變形空氣彈簧連接，工作平臺(tái)在瞬態(tài)沖擊完成后進(jìn)行低頻大位移震蕩，空氣彈簧兩側(cè)結(jié)構(gòu)件在整個(gè)沖擊歷程中最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生的時(shí)刻點(diǎn)不同，因此，分別選取空氣彈簧兩側(cè)結(jié)構(gòu)件的最大沖擊應(yīng)力進(jìn)行分析。輔助氣室及橫向支座最大沖擊應(yīng)力響應(yīng)云圖如圖9(a)和9(c)所示，工作平臺(tái)最大沖擊應(yīng)力響應(yīng)云圖如圖9 (b)和圖9(d)所示。由結(jié)果可以得出兩個(gè)方向上沖擊響應(yīng)的最大應(yīng)力為134 MPa，發(fā)生在工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)與空氣彈簧連接處，如圖9(b)所示，小于選用材料的許用應(yīng)力，工作平臺(tái)在實(shí)際使用中是安全的。

圖8 輸入時(shí)域波形

圖9 沖擊應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果

表4 沖擊響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語

抗沖擊平臺(tái)選用了大變形空氣彈簧，作為抗沖擊元件采取了拼裝式框架設(shè)計(jì)，樣機(jī)的實(shí)船安裝滿足了平臺(tái)的安裝功能要求。

通過大型仿真計(jì)算軟件從沖擊最大響應(yīng)加速度、沖擊相對(duì)位移、結(jié)構(gòu)最大沖擊應(yīng)力等方面的仿真計(jì)算結(jié)果說明三向大變形抗沖擊平臺(tái)方案所選用的抗沖擊元件能夠滿足圖8沖擊環(huán)境下臺(tái)面加速度響應(yīng)垂向與水平向均小于10 g的要求，同時(shí)所選取的臺(tái)體材料在沖擊環(huán)境下滿足許用應(yīng)力范圍。

抗沖擊平臺(tái)具有優(yōu)異的抗沖擊性能，設(shè)計(jì)技術(shù)與方案可行，但由于現(xiàn)有條件限制，沖擊機(jī)不能完全按照?qǐng)D4所示仿真輸入曲線進(jìn)行沖擊輸入，實(shí)際抗沖擊效果可待實(shí)船試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

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Simulation ofAnti-shock Buffering Platform with Large Deformations in 3 Directions

GUO Yun-song,ZHANG Qian,PENG Yong-sheng,DING Wei
（704 Institute of CSIC,Shanghai 200031,China）

The equipment for impact testing needs effective buffering protection under the rigorous shock environment. A new buffering platform with 3-direction large deformations can provide a reliable working environment for the testing equipment on the platform.Meanwhile,it can provide a stable power supply and a sufficiently large operating space in the progress of impact test.Buffering platform is an elastic platform that consists of large deformations air spring swith air damping cavity,which configures an isolation transformer and a continuous high power supply from the ship electrical power system.Based on the numerical analysis by MSC.Nastran software,laboratory test and practical equipment impact test,it is demonstrated that the buffering platform with the testing equipment is a necessary protection device for reliably acquiring testing data during the impact test.

vibration and wave;large deformation;anti-shock buffering;platform;air spring;UPS

V216.+5

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.03.037

1006-1355(2017)03-0185-04

2017-01-16

郭云松（1979－），男，遼寧省喀左縣人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榇拜o機(jī)設(shè)備減振降噪抗沖擊研究。E-mail:kayunsong@163.com