水下爆炸作用下舰船设备冲击谱计算方法研究.pdf

第3 3 卷第4 期 爆破 V 0 1 ．3 3N o ．4 2 0 1 6 年1 2 月B L A S T I N GD e c ．2 0 1 6 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 6 ．0 4 ．0 2 0 水下爆炸作用下舰船设备冲击谱计算方法研究 宋敬利，赵红光，李琛 9 1 4 3 9 部队，大连1 1 6 0 4 1 摘要舰船设备在水下爆炸作用下的冲击谱计算，一般采用设备基础测得的加速度信号通过杜哈曼积分 获得，但由于信号中零漂和高频干扰的存在往往使得计算结果不能真实反映设备的冲击环境，为解决这一问 题提出了多项式最小二乘法对测量原始信号进行零漂修正，采用自适应滤波器对修正后信号进行滤波处理 的预处理方法。信号经过预处理后再采用杜哈曼积分进行冲击谱计算，通过计算冲击谱与簧片仪实际测得 的冲击谱进行对比验证了计算方法的可行性。计算结果可以作为舰船设备在水下爆炸作用下冲击防护设计 的依据，该方法也可以作为其它振动冲击领域冲击谱计算与分析的参考。 关键词舰船设备；冲击谱；零漂；滤波 中图分类号0 3 8 4文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 4 0 1 0 7 0 5 R e s e a r c ho nS h o c kR e s p o n s eS p e c t r u mC a l c u l a t i o nM e t h o d o fS h i pE q u i p m e n tu n d e rU n d e r w a t e rE x p l o s i o n S O N GJ i n g - l i ，Z H A OH o n g g u a n g ，L IC h e n U n i t9 1 4 3 9o fP L A ，D a L i a n1 1 6 0 4 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h es h o c kr e s p o n s es p e c t r u mc a l c u l a t i o no fs h i pe q u i p m e n tu n d e rt h ee f f e c t o fu n d e r w a t e re x p l o s i o n w a sc o m m o n l yg a i n e dt h r o u g hD u h a m e li n t e g r a lo na c c e l e r a t i o ns i g n a lf r o me q u i p m e n tf o u n d a t i o nm e a s u r e ．O w i n gt o t h ee x i s t e n c eo fz e r od r i f ta n dh i g hf r e q u e n c yi n t e r f e r e n c ei nt h es i g n a l ，t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t su s u a l l yc o u l d n ’tr e f l e c t t h ei m p a c to fe n v i r o n m e n t a le q u i p m e n t ，t h e nt h el e a s ts q u a r e sw a sa p p l i e dt oc o r r e c tt h ez e r od r i f tb yu s i n ga d a p t i v e f i l t e rf o rf i l t e r i n gp r o c e s s i n go fr e v i s e ds i g n a l ．T h eD u m a m e li n t e g r a lw a sp u tf o r w a r df o rs h o c kr e s p o n s es p e c t r u mc a l c u l a t i o na f t e rp r e p r o c e s s i n g ．C o m p a r e dt h ec a l c u l a t i o ns h o c ks p e c t r u mw i t ht h er e e di n s t r u m e n tm e a s u r e ds p e c t r u m ， t h ec o r r e c t n e s so ft h ec a l c u l a t i o nm e t l l o dW a sv e r i f i e dw e l l ．T h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sc o u l db eu s e da s ar e f e r e n c ef o r s h i pe q u i p m e n ts h o c kp r o t e c t i o nd e s i g nu n d e r w a t e re x p l o s i o na n ds o m eo t h e ri m p a c tv i b r a t i o ns p e c t r u ma n a l y s i s ． K e yw o r d s s h i pe q u i p m e n t ；s h o c kr e s p o n s es p e c t r u m ；z e r od r i f t ；f i l t e r i n g 舰船作为海军主要装备，同时也是武器及人员 的重要承载平台，在战时时刻面临来自空中及水下 的各种威胁，尤其是鱼雷、水雷等水中兵器对其破坏 力巨大，舰船在遭受攻击时舰船本身及舰船设备的 安全陛是世界各海军强国一直在研究的重要课题。 对于舰船设备的抗冲击考核通常通过冲击机或浮动 收稿日期2 0 1 6 0 8 1 3 作者简介宋敬利 1 9 7 5 一 ，男，高级工程师、学士，主要从事水下爆 炸及舰船抗冲击方向的研究， E m a i l 3 2 6 6 7 8 5 7 3 5 q q ． c o m o 冲击平台进行，而冲击谱是一种描述冲击作用下设 备响应的重要手段，冲击谱不是用来描述冲击本身， 而是描述冲击的影响，是反映被试设备在冲击作用 下的响应情况，因此能否准确获得冲击谱值对于设 备安全性评估以及安全设计都具有重要意义，冲击 谱的获取通常有直接法和问接法两种⋯，直接法一 般通过簧片仪测量得到，间接法一般通过测量被试 设备的加速度、速度、位移等参数通过计算得到，直 接法由于受当前技术条件限制只能测得低频段的有 限离散点，间接测量方法可以通过冲击响应信号计 万方数据 1 0 8爆破2 0 1 6 年1 2 月 算得到各个频点的谱值，因此在实际应用时更具有 现实意义，但其计算的准确性是人们非常关心的问 题，只有获得准确的计算结果才能为下一步的分析 研究提供可靠依据，否则可能会得出错误结论。 1 舰船设备冲击响应谱的常规计算方法 冲击响应谱分析技术是建立在单自由度质量弹 簧系统模型的基础上的一种分析方法。被试设备相 当于由一系列单自由度阻尼线形振动系统模型组成， 假定受到无质量的基座的加速度激励为多，其时间历 程已经通过试验得到。基座加速度激励对每一个质 量、刚度、阻尼和固有频率为m i 、k i ．．c ；、和上；的单自由 度阻尼线形振动系统都会分别产生出相应的加速度 响应囊。任一固有频率的单自由度系统都可进行冲 击响应谱分析，但在数值计算中通常采样选取的固有 频率是2 蜥的倍数。于是，对于选取Ⅳ个以H z 为单 位的固有频率，其频率值可能是1 0 ，1 1 。2 ，1 2 ．6 ，1 4 ．1 ， ⋯， 1 0 [ 2 q ／6 ⋯。’] 。可见，带宽随频率值的增加而 增加。每一个频率．疋值代表的是该带宽的中心频率 值，其上限无和下限五可按下式计算 无 f ／2 ““，Z 工2 ”“ 1 单自由度系统受基座激励的响应可以采用杜哈 曼 D u h a m e l 积分公式求出。不同固有频率的机械 系统冲击响应的最大值与系统固有频率反映直角坐 标系上就得到冲击谱。引。 冲击谱计算一般采用被测设备安装基础的加速 度响应时域信号进行计算。对于复杂的任意激励， 需通过数值法求得，目前工程上均采用频域变换法 求解∞J ，最常用的是Z 一变换 盖 暑 ∑菇∥“ 2 k O 经过推导，可得到冲击响应谱的数值计算公式 茹l 2e x p [ 一{ 章∞。A t ] C O S n k △￡ 茹i l e x p [ 一0 西。△f ] 茧￡一2 4 , o 。A t y i ∞。A te x p [ 一g 白。△t ] { 『丝 1 2 尹 1s i n t o d A t 一2 4 C O s t o m A t 陂一。 3 L 。∞d 。 J 在某型设备浮动冲击平台水下爆炸冲击考核试 验中，被试设备弹性安装在缓冲装置上，分别采用簧 片仪和加速度传感器对设备的冲击响应进行测量， 簧片仪测得6 个频点的冲击谱值，采用加速度测量 信号通过杜哈曼积分得到计算冲击谱值 图3 。冲 击谱通常用三线谱形式表示，即横坐标为系统固有 频率，纵坐标为速度谱，4 5 0 角方向为位移谱，1 3 5 。角 方向为加速度谱。加速度、速度、位移可由如下关系 转换d v ／2 Ⅳ，口 一2 咖，式中d 代表位移、口代 表速度、口代表加速度。其中4 5 。坐标线 A Y ／X ， 1 3 5 。坐标线 B X Y ，若加速度单位用g 表示、速 度单位用m ／s 表示、位移单位用m 表示则A 1 ／2 a t 0 。1 5 9 1 5 4 9 ，B 2 ，r r ／g 0 ．6 4 0 7 0 6 5 9 1 ，式中g 为重力加速度值H 1 。 图1 中计算冲击谱和测量冲击谱吻合不是很 好，尤其是在2H z 频率上相差甚远，这主要归因于 加速度测量数据的准确性，由于零漂和噪声干扰的 存在会使采集到的信号与实际的冲击响应信号存在 一定的差异，这种差异经过积分后会进一步放大，因 此在冲击谱计算前必须对信号进行修正。 固有频率／H z 图1测量冲击谱与计算冲击谱值比较 F i g ．1C o m p a r i s o no fm e a s u r i n gs h o c ks p e c t r u ma n dc a l c u l a t e do n 万方数据 第3 3 卷第4 期宋敬利，赵红光，李琛水下爆炸作用下舰船设备冲击谱计算方法研究 2 冲击信号的预处理 2 ．1 零漂修正 压电式加速度传感器由于受环境影响通常会产 生零点漂移，零点漂移可描述为输入电压为零，输 出电压偏离零值的变化，它又被简称为零漂。在放 大电路中任何参数的变化，如电源电压的波动、原件 的老化、半导体原件参数随温度变化而产生变化都 将产生输出电压的漂移。运算放大器均是采用直接 耦合的方式，直接耦合式放大电路的前后级直接相 连，前一级的漂移电压会和有用信号一起被送到下 一级，而且逐级放大，这样就形成了零漂。零漂问题 是很难彻底解决的，但是可以通过事后处理的方法 消除零漂。 零漂会使采集到的信号上叠加一个长周期趋势 项，常用的消除趋势项的方法是多项式最小二乘法b 1 。 设实测冲击响应信号的采样数据为k } k 1 ，2 ，3 ，⋯， n ，由于采样数据是等时间间隔的，为简化起见，令采 样时间间隔A t 1 ，设一个多项式函数 砚 a 0 C t I k a 2 k 2 ⋯ a m k m ， k 1 ，2 , 3 ，⋯，n 4 1 1 攀 赵 馏 嚣一 一l 一1 时间，s a 原始信号 a O r i g i n a ls i g n a l 确定函数茹。的各待定系数o ， 歹 0 ，1 ，⋯，m ， 使得函数金。与离散数据菇。的误差平方和为最小， 即 E ∑ 未。一X k 2 ∑ ∑q ∥一戈‘ 2 5 满足E 有极值的条件为 差 2 挚 乏m 吩| j } ，飞 _ o 『- 0 ，1 ’2 ，．．‘，m 6 依次取E 对口。求偏导，可以产生一个m 1 元 线性方程组 ∑∑吁∥“一∑龙t _ | } i 0 ， i o ，1 ，2 ，⋯，m 7 解方程求出m 1 个待定系数o i J 0 ，1 ，⋯， m ，上面各式中，m 为设定的多项式阶次，其取值范 围为0 句≤m 。 当m 0 时趋势项为常数，m 1 为线性趋势 项，m ≥2 时为曲线趋势项。图2 a 中为冲击响应 原始信号， b 为采用多项式最小二乘法修正后的 信号。 攀 魁 姻 口 口 _虬．。。 。 ．I孵咿⋯一” 时间／s b 修正后信号 b R e v i s e ds i g n a l 图2 冲击响应信号修正 F i g ．2 T h ec o r r e c t i o no fs h o c kr e s p o n s es i g n a l 图2 a 中的原始信号中由一个明显的长周期 趋势项，信号基线偏离零点，图2 b 为采用多项式 最小二乘法修正结果，从修正结果可以看出信号基 线回归零点，长周期趋势项得以消除。 2 ．2 自适应滤波 水下爆炸作用下设备的冲击响应属于强非线性 的瞬时动态响应，由于大型设备的安装频率较低，在 实际应用时我们一般只关心冲击的低频分量对设备 的影响，而实际测得的信号由于受到结构自身复杂性 的影响在信号中往往夹杂着复杂的高频成分，因此在 计算冲击谱之前要对原始信号进行滤波处理∞1 。 自适应滤波器是一种最小均方误差为准则的最 佳滤波器“ ] 。自适应滤波器能自动调节其本身的 单位脉冲响应特性，以达到最优化的滤波效果。设 计自适应滤波器时可以不必要求预先知道信号与噪 声的自相关函数，而且在滤波过程中，如果信号与噪 声的自相关函数即使随时间缓慢变化，系统也能自 动适应，自动调节参数，使均方误差最小。 由维纳一霍夫方程可知，最小均方误差为 E [ e 2 i ] 。i 。 E [ d ；] 一形 ■ 6 自适应滤波器与维纳滤波器相比，其差别在于增 加了一个识别控制环节将输出Y j 与所希望的值d i 进 行比较，利用误差e j 去控制形，使E [ e ；] 达到最小值， 从而得到形的估计肜 。因此，自适应滤波器的关键 在于如何简便计算形 ，计算形 的常用方法是最小 均方算法，简称L M S 算法。根据最优化的数学算法 万方数据 1 1 0爆破2 0 1 6 年1 2 月 最抖下降法，下一个权矢量形 。等于现在的权矢量 彤加一个正比于梯度△i 的负值变化量，即有 ％ 。 形一肛△f 7 通过梯度下降法 d E r e ] ． 形 t 2 形一肛百尹1 舻 吁 推导可得 形 1 形 钆e 再 9 式中∥ d ，一町x f ，肛是一个控制稳定性和收 敛速度的参数，这里弘 0 。 采用自适应滤波法对图2 b 中的经零漂修正 的信号进行滤波处理后得到图3 中的信号。 信号经滤波处理后，经过滤波处理后很好地保 留了代表冲击响应信号特征的时域成分，对于信号 中的噪声和高频干扰也进行了很好的消除，提高了 信号的信噪比。 图3 滤波后的信号 F i g ．3 T h es i g n a la f t e rf i l t e r i n g 3 预处理后的冲击谱计算与分析 原始信号经过零漂修正与自适应滤波后再进行 冲击谱计算得到图4 ，从图中可以看出，信号经过修 正后其冲击谱线与采用簧片仪测得的冲击谱基本吻 合，验证了处理方法的准确性，计算冲击谱可以作为 舰船设备冲击响应分析和防护方式改进的依据。 图4 修正后计算冲击谱与测量冲击谱对比 F i g ．4C o m p a r i n go ft h ec a l c u l a t i o ns p e c t r u ma f t e rr e v i s i n ga n dt h em e a s u r e done 由于簧片仪中的簧片数量有限，在测量时只能 测到有限频点的冲击谱值，而计算冲击谱可以根据 需要计算多频点冲击谱值，其谱线更为精细。但是 对于中高频段冲击谱的测量由于位移很小，限于技 术原因目前还无法准确测定，因此对于中高频段冲 击谱的计算精度验证问题还有待进一步探索。 4 结论 通过对水下爆炸作用下舰船设备冲击响应测量 获取原始冲击响应信号，采用常规方法进行冲击谱 计算其结果与簧片仪测量结果在低频段吻合较差。 基于此提出了通过对原始信号进行多项式最小二乘 法零漂修正和自适应滤波器滤波处理，再对处理后 的信号进行冲击谱计算，计算及分析结果表明采用 多项式最小二乘法可以有效消除信号中的零漂成 分，通过零漂修正后所得到的冲击谱与簧片仪测量 结果吻合较好，计算结果可以作为舰船设备冲击响 应分析及防护措施改进的依据，但对于中高频段计 算结果的准确性验证问题还有待进一步探索。 参考文献 R e f e r e n c e s [ I ] 汪风泉．电子设备振动与冲击手册[ M ] ．北京科学出 万方数据 第3 3 卷第4 期 宋敬利，赵红光，李琛水下爆炸作用下舰船设备冲击谱计算方法研究 1 1 1 上接第5 9 页 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] L I UX i - l i n g ，，UX i b i n g ，L I UK e w e i ，e ta 1 ．L a s e r3 Dd e t e c t i o na n ds t a b i l i t ya n a l y s i so fu n d e r g r o u n dc a v i t y [ J ] ． J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ． 2 0 0 9 ，3 8 4 5 4 9 - 5 5 3 ． i nC h i n e s e 李夕兵，李地元，赵国彦，等．金属矿地下采空区探测、 处理与安全评判[ J ] ．采矿与安全工程学报，2 0 0 6 ， 2 3 1 2 4 - 2 9 ． UX i - b i n g ，L ID i - y u a n ，Z H A OG u o y a n ，e ta 1 ．D e t e c t i n g ， d i s p o s a la n ds a f e t ye v a l u a t i o no ft h eu n d e r g r o u n dg o a fi n m e t a lm i n e s [ J ] ．J o u r n a lo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，2 0 0 6 ，2 3 1 2 4 2 9 ． i nC h i n e s e 刘希灵，李夕兵，宫凤强，等．露天开采台阶面下伏空 区安全隔离层厚度及声发射监测[ J ] ．岩石力学与工 程学报，2 0 1 2 ，3 1 S 1 3 3 5 7 - 3 3 6 2 ． L I UX i - l i n g ，L IX i b i n g ，G O N GF e n g q i a n g ，e ta 1 ．S a f e t yi - s o l a t i o nl a y e rt h i c k n e s sa n da c o u s t i ce m i s s i o nm o n i t o r i n g o fc a v i t yu n d e ro p e np i tb e n c h e s [ J ] ．2 0 1 2 ，3 1 S I 3 3 5 7 - 3 3 6 2 ． i nC h i n e s e L I UX i - l i n g ，L IX i - b i n g ，L IF a - b e n ，e ta 1 ．3 Dc a v i t yd e t e c t i o nt e c h n i q u ea n di t sa p p l i c a t i o nb a s e do nc a v i t ya u t o s c a n n i n gl a s e rs y s t e m [ J ] ．J o u r n a lo fC e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，2 0 0 8 ，1 5 2 8 5 - 2 8 8 ． 王德胜，周庆忠，陈旭臣，等．浅埋特大采空区探测、稳 定性分析及处置的实例研究[ J ] ．岩石力学与工程学 报，2 0 1 2 ，3 1 S 2 3 8 8 2 - 3 8 8 8 ． W A N GD e s h e n g ，Z H O UQ i n g z h o n g ，C H E NX u c h e n g ，e t a 1 ．D e t e c t i o n ，s t a b i l i t ya n a l y s i sa n dd i s p o s a lo fl a r g es h a l l o wg o a f ac a s es t u d y [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e - c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 1 2 ，3 1 S 2 3 8 8 2 - 3 8 8 8 ． i n C h i n e s e 李俊平，肖旭峰，冯长彬．采空区处理方法研究进展 [ J ] ．中国安全科学学报，2 0 1 2 ，2 2 3 4 8 - 5 4 ． L IJ u n p i n g ，X I A OX u f e n g ，F E N GC h a n g - g e n ．P r o g r e s si n d e v e l o p i n gm e t h o d sf o rd e a l i n gw i t h f o r s a k e ns t o p e [ J ] ． [ 7 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 0 ] C h i n aS a f e t yS c i e n c eJ o u r n a l ，2 0 1 2 ，2 2 3 4 8 - 5 4 ． i n C h i n e s e 李启月，李夕兵，范作鹏，等．深孔爆破一次成井技术 与应用实例分析[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 1 3 ， 3 2 4 6 6 4 - 6 7 0 ． U Q i y u e ，L IX i b i n g ，F A NZ u o p e n g ，e ta 1 ．O n et i m e d e e ph o l er a i s eb l a s t i n gt e c h n o l o g ya n dc a s es t u d y [ J ] ． C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ， 2 0 1 3 ，3 2 4 6 6 4 - 6 7 0 ． i nC h i n e s e 赵井清，赵国彦，李启月，等．基于深孔预裂的球状药 包爆破一次成井技术[ J ] ．爆破，2 0 1 3 ，3 0 3 4 9 - 5 3 ． Z H A OJ i n g q i n g ，Z H A OG u o y a n ，L IQ i y u e ，e ta 1 ．T e c h n o l o g yo fo n e s t e ps h a f td r i v i n gb yd e e p h o l ep r e s p l i t b l a s t i n gw i t hs p h e r i c a lc h a r g e [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 3 ，3 0 3 4 9 - 5 3 ． i nC h i n e s e 李金跃，李夕兵，李启月．深孔多孔球状药包爆破一次 成井技术应用[ J ] ．中国安全科学学报，2 0 1 2 ，2 2 1 1 1 3 2 1 3 7 ． L IJ i n y u e ，L IX i b i n g ，L IQ i y u e ．T e c h n o l o g yf o rs h a f t f o r m a t i o nb yo n ed e e p h o l eb l a s t i n gw i t hs p h i r e c a lc h a r g e e x p l o s i v ea n di t sa p p l i c a t i o n [ J ] ．C h i n aS a f e t yS c i e n c e J o u r n a l ，2 0 1 2 ，2 2 1 1 1 3 2 1 3 7 ． i nC h i n e s e 李启月，刘冰川，陈亮，等．深孔爆破一次成井炮孔 合理堵塞长度[ J ] ．科技导报，2 0 1 3 ，3 1 1 9 1 5 1 9 ． UQ i y u e ，L I UB i n g c h u a n ，C H E NL i a n g ，e ta 1 ．B l a s t - h o l er e a s o n a b l es t e m m i n gl e n g t hf o rr a i s ee x c a v a t i o nu - s i n go n e s t e pd e e p h o l eb l a s t i n g [ J ] ．S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yR e v i 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