郭敬彬，胡會朋，秦麗萍

(1. 中國船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2. 河南省水下智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450015)

0 引 言

潛艇在水下航行時(shí)會受到魚雷等水下兵器的攻擊，水下非接觸爆炸沖擊載荷是艇載設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮的載荷環(huán)境，近年來水下設(shè)備抗爆性能的研究受到極大重視[1–5]。裝載航行體的儲運(yùn)筒布置在潛艇上，當(dāng)儲運(yùn)筒受到?jīng)_擊、振動載荷作用時(shí)，筒上減震系統(tǒng)須滿足水下航行體對水平和垂直方向的減震性能要求以保證其安全性。隨著現(xiàn)代水下武器的發(fā)展，潛艇設(shè)計(jì)時(shí)對儲運(yùn)筒的水下抗沖擊能力也有了更高的要求。

儲運(yùn)筒減震墊的設(shè)計(jì)和航行體動力學(xué)特性的研究主要通過仿真及相應(yīng)的優(yōu)化算法進(jìn)行[6]，但水下爆炸沖擊載荷傳遞特性復(fù)雜[7–9]，單純依靠理論分析及仿真計(jì)算對于儲運(yùn)筒、航行體沖擊環(huán)境研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需進(jìn)行水下爆炸沖擊試驗(yàn)，驗(yàn)證計(jì)算方法，校驗(yàn)仿真模型，改進(jìn)減震設(shè)計(jì)。但原型試驗(yàn)受場地、經(jīng)費(fèi)等環(huán)境因素的制約，縮比試驗(yàn)為研究水下結(jié)構(gòu)水下沖擊環(huán)境研究提供了一種思路。

本文介紹在靶場水池進(jìn)行的縮比模型水下爆炸沖擊試驗(yàn)，獲取儲運(yùn)筒不同位置試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取橫向沖擊載荷特性。通過縮比模型沖擊響應(yīng)仿真與試驗(yàn)校驗(yàn)，驗(yàn)證仿真模型合理有效，迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)。后續(xù)還可通過縮比關(guān)系推導(dǎo)全尺寸模型輸入載荷，研究全尺寸結(jié)構(gòu)沖擊動響應(yīng)特性，支撐全尺寸結(jié)構(gòu)沖擊環(huán)境研究工作。

1 縮比模型爆炸沖擊試驗(yàn)

1.1 水下爆炸經(jīng)驗(yàn)理論

水下爆炸試驗(yàn)受經(jīng)費(fèi)、場地等條件的約束，大裝藥水下爆炸實(shí)施條件困難，縮比試驗(yàn)是研究水下爆炸沖擊的重要手段，而縮比關(guān)系則是水下爆炸試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)[10]。用量綱分析或已知試驗(yàn)方程導(dǎo)出其他變量的相似條件, 確定基本相似量。水下爆炸沖擊波的傳遞變化規(guī)律如下：

其中：P(m)為峰值壓力， θ為時(shí)間常數(shù)，W為爆炸質(zhì)量，R為爆炸距離，TNT 的KP為52.4，ap為1.13。

1.2 試驗(yàn)概況

水下爆炸試驗(yàn)在靶場水池開展。深水炸彈、水雷、魚雷等常規(guī)攻擊武器對應(yīng)的TNT 當(dāng)量在80～1 000 kg 之間，威脅最大的反潛魚雷裝藥基本在130～500 kg 之間?？紤]遭受強(qiáng)攻擊情況縮比后爆炸藥量為1.5 kg，TNT 通過變換攻擊方位（正上、橫向、斜下、正下）及沖擊因子（0.2，0.35），設(shè)置不同的水下爆炸沖擊試驗(yàn)工況，深入研究沖擊載荷與彈艙系統(tǒng)動響應(yīng)的關(guān)系。本文分析左、右橫向沖擊工況。

水下爆炸左、右側(cè)正橫向沖擊如圖1 所示。

圖1 水下橫向沖擊試驗(yàn)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of underwater lateral impact test

試驗(yàn)裝置中，儲運(yùn)筒相對于中軸線對稱布置，航行體布置在儲運(yùn)筒中。在航行體與儲運(yùn)筒之間均勻布置6 圈減振墊，取圖中右側(cè)儲運(yùn)筒為研究對象，測試其在左、右橫向方位沖擊下各部位的動態(tài)響應(yīng)。

1.3 儲運(yùn)筒中的減震試驗(yàn)產(chǎn)品

儲運(yùn)筒中起橫向與縱向減震作用的主要是橫向減震墊和垂直減震器。其中減震墊對沖擊載荷傳遞規(guī)律的影響主要由其剛度特性決定，按照縮比關(guān)系應(yīng)對全尺寸減震墊進(jìn)行剛度縮比等效模擬。

減震墊沿儲運(yùn)筒軸向分布，減震墊采用粘接方式安裝于預(yù)設(shè)位置，儲運(yùn)筒自上而下布置有6 圈剛度不等的減震墊。垂直減震器布置于儲運(yùn)筒底部，對航行體起垂向減震及支撐作用。

在進(jìn)行爆炸沖擊試驗(yàn)前，進(jìn)行減震墊、減震器靜剛度試驗(yàn)、沖擊剛度試驗(yàn)，測試縮比減震墊沖擊剛度。

測試可知：低剛度縮比減震墊沖擊剛度約為5.5 E6 N/m；高剛度縮比減震墊沖擊剛度約為2.4 E7 N/m；縮比垂直減震器沖擊剛度約為6.8 E7 N/m。

1.4 測點(diǎn)布置與試驗(yàn)流程

水下爆炸試驗(yàn)通常測點(diǎn)較多，本文介紹與儲運(yùn)筒、航行體相關(guān)的測點(diǎn)布置情況。如圖2 所示，加速度測點(diǎn)共8 各，測點(diǎn)1 布置于儲運(yùn)筒頂部法蘭，測點(diǎn)2～測點(diǎn)7 自上而下布置于航行體上，位置為所對應(yīng)儲運(yùn)筒減震墊1～減震墊6 下端位置處，測點(diǎn)8 布置于垂直減震器基礎(chǔ)上，加速度測點(diǎn)采樣率50 kS/s。

圖2 測點(diǎn)布置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of measuring point arrangement

試驗(yàn)基本流程為：測量系統(tǒng)布置分配；傳感器布置；測量系統(tǒng)調(diào)試；模型狀態(tài)檢查；模型布置；爆炸前試驗(yàn)準(zhǔn)備；爆炸試驗(yàn)；模型回收。最終完成正上、橫向、斜下、正下沖擊試驗(yàn)，橫向沖擊方位試驗(yàn)的爆炸深度H為5 m，距離縮比模型距離L為5 m。為提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，左、右側(cè)橫向沖擊同樣條件下，試驗(yàn)2 次。

2 縮比模型爆炸橫沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)分析方法

試驗(yàn)獲取相應(yīng)測點(diǎn)加速度測試數(shù)據(jù)、位移測試數(shù)據(jù)。對加速度進(jìn)行積分獲取儲運(yùn)筒測試部位的速度響應(yīng)曲線，對速度響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，獲取位移響應(yīng)曲線。分別對左側(cè)正橫向沖擊下發(fā)射裝置橫向響應(yīng)、右側(cè)正橫向沖擊下發(fā)射裝置橫向響應(yīng)進(jìn)行分析，獲取儲運(yùn)筒橫向沖擊載荷特性。垂向、斜方向沖擊數(shù)據(jù)分析方法也如此，本文僅正橫向的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2 橫沖擊試驗(yàn)工況裝置數(shù)據(jù)處理分析

對測點(diǎn)1 和測點(diǎn)8 即儲運(yùn)筒上法蘭和減震器2 處的測試加速度數(shù)據(jù)分析處理。法蘭和減震器2 處獲得的速度響應(yīng)如圖3～圖6 所示。

圖3 左正沖擊下法蘭橫向速度響應(yīng)Fig. 3 Flange velocity response under left lateral impact

圖4 右正沖擊下法蘭橫向速度響應(yīng)Fig. 4 Flange velocity response under right lateral impact

圖5 左正沖擊下減震器橫向速度響應(yīng)Fig. 5 Shock absorber velocity response under left impact

圖6 右正橫沖擊下減震器橫向速度響應(yīng)Fig. 6 Shock absorber velocity response under right impact

法蘭和減震器處獲得的位移響應(yīng)如圖7～圖10所示。

圖7 左正沖擊下法蘭橫向位移響應(yīng)Fig. 7 Flange displacement response under left lateral impact

圖8 右側(cè)正橫沖擊下法蘭橫向位移響應(yīng)Fig. 8 Flange displacement response under right lateral impact

圖9 左正橫沖擊下減震器橫向位移響應(yīng)Fig. 9 Shock absorber displacement response under left ateral impact

圖10 右正橫沖擊下減震器橫向位移響應(yīng)Fig. 10 Shock absorber displacement response under right ateral impact

橫向方位沖擊下儲運(yùn)筒響應(yīng)有以下特點(diǎn)：

1）此次測試獲取的儲運(yùn)筒法蘭、減震器安裝基座速度響應(yīng)規(guī)律可以簡化為1 個正負(fù)三角波速度載荷和一小段振蕩；

2）從速度角度來看，儲運(yùn)筒垂直減震器基礎(chǔ)階躍速度峰值約2.5 m/s，內(nèi)筒法蘭處躍速度峰值約0.8 m/s；

3）從位移響應(yīng)來看，儲運(yùn)筒橫向位移沖擊載荷可以簡化為半正弦波，周期0.4 s，儲運(yùn)筒垂直減震器基座在左正橫沖擊工況下位移約為0.018 m，右正橫沖擊工況下，約為0.035 m。

3 沖擊響應(yīng)仿真與試驗(yàn)校核

3.1 校驗(yàn)?zāi)Ｐ陀玫臏y試數(shù)據(jù)

測試數(shù)據(jù)中測點(diǎn)3（第2 圈減震墊下）、測點(diǎn)6（第5 圈減震墊下）加速度實(shí)測數(shù)據(jù)積分后獲取的速度數(shù)據(jù)如圖11 和圖12 所示。

圖11 測點(diǎn)3 速度響應(yīng)Fig. 11 Velocity response at measuring point 3

圖12 測點(diǎn)6 速度響應(yīng)Fig. 12 Velocity response at measuring point 6

圖13 橫向減震系統(tǒng)計(jì)算模型Fig. 13 Calculation model of transverse shock absorption

圖14 垂直減震器模型Fig. 14 Calculation model of vertical shock absorption

可以看出，2 次右正橫沖擊試驗(yàn)測試一致性好，可作為校驗(yàn)?zāi)Ｐ陀脺y試數(shù)據(jù)。對比2 處的速度相應(yīng)，可知無論是極小值還是極大值，二者基本相當(dāng)，曲線規(guī)律也基本相同，因而可認(rèn)為橫向沖擊過程航行體接近于整體橫移。

3.2 橫向沖擊響應(yīng)仿真

建立航行體、減震墊、儲運(yùn)筒模型，忽略減震墊縫隙，減震墊在儲運(yùn)筒中布置方案見表1。

表1 減震墊布置方案Tab. 1 Shock pad layout scheme

減震器采用上下2 個剛盤模擬，2 個剛盤采用彈簧單元連接參考點(diǎn)，彈簧剛度6.8 E7 N/m。減震墊與航行體綁定連接，與儲運(yùn)筒內(nèi)壁表面摩擦接觸。由減震墊壓縮剛度曲線可知，減震墊在前2.5 mm 壓縮量下，剛度曲線近似線性，低剛度約為5.5 E6 N/m，高剛度減震墊約為2.4 E7 N/m，仿真模型中減震墊采用等效彈性體代替。

在儲運(yùn)筒法蘭處施加橫向位移載荷，位移載荷由儲運(yùn)筒法蘭實(shí)測加速度數(shù)據(jù)2 次積分獲取，對垂直減震器模型施加相同的橫向位移載荷。

從仿真結(jié)果中提取儲運(yùn)筒上測點(diǎn)3 位置、測點(diǎn)6 位置速度響應(yīng)，如圖15 和圖16 所示。

圖15 仿真計(jì)算獲取的測點(diǎn)3 速度響應(yīng)Fig. 15 Velocity response of measuring point 3 by simulation

圖16 仿真計(jì)算獲取的測點(diǎn)6 速度響應(yīng)Fig. 16 Velocity response of measuring point 3 by simulation

3.3 橫向沖擊仿真與試驗(yàn)對比分析

對比2 個位置處仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果，可以看出：

1）從規(guī)律來看，仿真與測試相似，先在0.075 s 達(dá)到第1 個波峰，然后在0.25 s 附近達(dá)到波谷，最后再在0.3 s 達(dá)到另一個波峰；

2）從響應(yīng)曲線細(xì)節(jié)來看，二者有不小的差異，仿真與測試曲線均在0.1 s 與0.28 s 附近有波動，但仿真計(jì)算求得的波動較大，而測試獲取的波動較小；

3）從速度響應(yīng)幅值來看，仿真結(jié)果在第1 峰值點(diǎn)小于試驗(yàn)結(jié)果30%，在第2 個峰值點(diǎn)大于試驗(yàn)結(jié)果25%；

4）總的來看，仿真計(jì)算可以很好模擬彈體橫向動響應(yīng)量級及規(guī)律，但與真實(shí)響應(yīng)存在差異。

4 結(jié) 語

通過開展縮比模型水下爆炸試驗(yàn)，測量縮比模型、儲運(yùn)筒、航行體等典型部位的沖擊響應(yīng)參數(shù)，獲取沖擊載荷特性，為驗(yàn)證艇載設(shè)備沖擊環(huán)境預(yù)報(bào)方法、研究儲運(yùn)筒航行體抗沖擊特性提供試驗(yàn)支撐。

1）建立縮比相似準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)縮比模型，完成了縮比模型水下爆炸沖擊試驗(yàn)，獲取了沖擊試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，研究爆炸沖擊下儲運(yùn)筒沖擊輸入載荷特性?？s比試驗(yàn)獲取的儲運(yùn)筒速度沖擊載荷數(shù)據(jù)具有較高的參考價(jià)值。

2）建立縮比儲運(yùn)筒沖擊動力學(xué)計(jì)算模型，進(jìn)行橫向沖擊仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在規(guī)律、量級等方面具有很高的一致性，計(jì)算方法可行，仿真模型有效。

3）通過縮比關(guān)系，可從縮比沖擊載荷推導(dǎo)獲取全尺寸儲運(yùn)筒沖擊載荷。采用此種計(jì)算方法對全尺寸儲運(yùn)筒沖擊環(huán)境進(jìn)行預(yù)報(bào)分析，可為儲運(yùn)筒沖擊環(huán)境深入研究提供理論支持。