水下非接触爆炸抗冲击缓冲平台性能研究.pdf

第2 8 卷第3 期 爆破 V o l 2 8N o 3 2 0 1 1 年9 月B L A S T I N G S e p ．2 0 1 1 D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 11 ．0 3 ．0 2 5 水下非接触爆炸抗冲击缓冲平台性能研究 李琛，张姝红，周学滨，张永坤 海军9 1 4 3 9 部队，大连1 1 6 0 4 1 摘要为有效测量水下非接触爆炸试验中舰船及设备的抗冲击性能，保护测量设备在冲击环境下能够安 全使用。根据设备冲击输入设计和研制了抗冲击缓冲平台，以减小舰船设备在水下非接触爆炸冲击作用下受 到的冲击。按照要求的缓冲平台设计载荷和缓冲效率，进行缓冲器刚度的选择和结构设计，利用仿真运算设 计工况。经海上实爆冲击试验验证，该缓冲平台能有效减小设备的冲击输入，减少设备受冲击后破坏的可能 性，提高设备效费比。 关键词水下爆炸；抗冲击缓冲平台；缓冲性能；冲击谱 中图分类号T V 5 4 2 ．5 文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 1 0 3 0 0 8 6 一0 4 P e r f o r m a n c eS t u d yo fA n t i - s h o c kB u f f e rP l a t f o r m o nU n d e r w a t e rN o n - C o n t a c tE x p l o s i o n L ／C h e r t ，Z H A N GS h u 一舶粥，Z H O UX u e - B i n ，Z H A N Gy b 甥一K u n N a v yF o r c e s9 1 4 3 9 ，D a l i a n11 6 0 4 1 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt oe f f e c t i v e l ym e a o u l et h ep e r f o r m a n c eo fs h i p ’8a n dt h ee q u i p m e n t ’8a n t i ，s h o c ko nu n d e r w a - t e ri l o n c o n t a c te x p l o s i o n ，a n da s s 珊em e a s u r ee q u i p m e ms a f e t yu n d e rs h o c ke n v i r o n m e n t ，i ti sp r e s e n t e dt h a ta n t i - s h o c kb u f f e rp l a t f o r mw h i c hb a s e dO ne q u i p m e l l t ’8s h o c ki n p u tf o rt h ep u r p o s et od e c r e a s ee q u i p m e n t ’8s h o c ko fu n - d e r w a t e rn o n - c o n t a c te x p l o s i o n ．B u f f e r ’ss t i m l 髓sa n ds t r u c t u r ei sc h o s e na n dd e s i g n e do nt h eb a s i so fd e s i g nl o a d s a n db u f f e re f i ％i e n c y ．a n dt h ee m u l a t i o na r i t h m e t i ci su s e dt od e s i g nw o r kc o n d i t i o n ．T h er e 8 l l l to fo f f s h o r ee x p l o s i o n t e s tv e r i f i e st h a tt h ep l a t f o r mc a nd e c r e a s ee q u i p m e n t ’Ss h o c ki n p u t ，r e d u c ee q u i p m e n t ’Sd a m a g ep r o b a b i l i t ya n di n - c r e a s ee q u i p m e n t ’se f f i c i e n c y - e x p e n s er a t i o ． K e yw o r d s u n d e r w a t e re x p l o s i o n ；a n t i s h o c kb u f f e rp l a t f o r m ；b u f f e rc a p a b i l i t y ；s h o c kr e s p o n s es p e c t r u m 在水下爆炸技术领域，舰艇水下爆炸试验和舰 船设备抗冲击试验是验证舰艇及其系统在战斗冲击 环境下抗冲击能力的最佳途径。美海军规定新型潜 艇和水面舰艇在交付使用前必须在不同药量、不同 水深、不同距离等条件下对舰艇进行一系列的水下 爆炸试验；同时，无论是水面舰艇还是潜艇，其关键 设备均需进行冲击试验。设备冲击试验的目的是验 证关键设备在舰艇遭受爆炸冲击后能否承受由此给 收稿日期2 0 1 0 1 2 1 0 作者简介李琛 1 9 7 2 一 ，女，硕士、工程师，从事水下爆炸试验测 量与数据处理研究， E - m a i l 1 c h 0 8 0 9 2 1 c n ．c , o m 。 设备带来的冲击，它并不是为了保证设备的生命力， 而是为了减少设备受冲击后破坏的可能性，提高设 备效费比⋯。因此，水下爆炸试验和设备冲击试验 日益成为海军装备研究试验和武器鉴定试验的重要 内容。 为有效测量水下爆炸试验中舰船及设备的抗冲 击性能，保护测量设备在冲击环境下能够安全使用， 研究和设计高缓冲性能的抗冲击缓冲平台，降低在 水下爆炸试验和冲击试验中测量设备所受冲击力， 保证试验数据采集的可靠性和试验测量设备的安全 性，对于提高舰船设备的抗冲击性能、提高舰船生命 万方数据 第2 8 卷第3 期李琛，张姝红，周学滨，等水下非接触爆炸抗冲击缓冲平台性能研究 力和战斗力具有重要意义。 基于设备冲击响应谱设计和研制了抗冲击缓冲 平台，根据缓冲平台设计指标要求和缓冲效率，进行 缓冲器刚度的选择和结构设计，并利用仿真运算设 计工况。 1 冲击响应谱 对于非接触爆炸对舰船技术设备的冲击损伤，通 常用冲击响应谱来描述，冲击响应谱 S h o c kR e s p o n s e S p e c t r u m ，S R S 又称“冲击谱”，是将冲击激励施加到 一系列线性、单自由度弹簧质量系统时，将各单自由 度系统的最大响应值作为对应于系统固有频率的函 数响应曲线。它用结构系统对冲击载荷的响应来描 述冲击，即通过直接估计某一冲击引起的最大响应水 平来评定冲击对结构或设备造成的影响口J 。 对于单自由度系统，圆频率为∞的1 个振子的 绝对位移为，，、相对位移为6 ，在基础运动越 t 的作 用下，振子的绝对运动方程可写为 ．； ∞2 y 一“ 0 相对运动方程为6 ∞2 6 一越 ￡ 式中艿 Y H 。 当初始速度和位移都为0 时，相对位移 1r t 6 t 一土I ．越 t s i n ∞ t r 打位移谱值、速度 ‘UJ u 谱值和加速度谱值3 者之间的关系为V r o D ， A ∞2 D 。式中D 为位移谱；y 为速度谱；A 为加速 度谱。 舰船抗冲击研究使用的冲击谱值通常包括相对 位移、相对速度和绝对加速度值。在舰船的冲击动 响应分析计算中，常用三轴图描述冲击谱，其中以相 对速度谱为纵坐标、频率作为横坐标，与横坐标成 4 5o 和一4 5 。的坐标系统分别表示相对位移谱和 加速度谱。 2 缓冲平台设计 缓冲器设计是缓冲平台设计的重要内容，缓冲 器设计的是否科学合理直接关系到缓冲平台缓冲性 能的高低。 2 ．1 缓冲器设计 1 设计载荷 舰艇设备受到的冲击载荷性质多样，强度也不 同，根据G J B l 0 6 0 ．1 9 l 标准和德国B V 0 4 3 0 标 准口。4 ] ，可用图1 描述的三角形变化历程进行抗冲 击设计。 图1 中口为第1 个正三角形的加速度峰值，根 据冲击响应谱 S A S ，约为最大加速度c I o 的0 ．6 倍；口为第1 个三角形的面积，根据冲击响应谱 S A S ，约为最大速度％的3 ／4 。 图1 三角形变化历程 F i g ．1 T r i a n g l ew a v e 第2 个负三角形面积应与第1 个三角形面积大 小相同，致使基础最终的速度为零。 a 2 0 ．6 a o ，口2 0 ．7 5 v o 铲‰0 ．4 t 3 ‘1 ’ ‘3 2 如2 此加速度历程的2 次积分便得到位移，此位移 比S A S 的最大相对位移要大一些 1 ．0 5 倍 心- 堕告挚 2 。t 4 t 3 0 ．6 t 5 一t 3 口4 一a 2 t 3 ／ t 5 一t 3 3 根据冲击平台的设计指标要求，将最大冲击加 速度口2 20 0 0g ，最大冲击速度％ 8m ／s 代入 式 1 一式 3 ，因此，缓冲平台设计载荷采用如 图2 所示的三角形变化历程。 f ，o 图2 缓冲平台设计载荷 F i g ．2 T h ed e s i g nl o a d so fb u f f e rp l a t f o r m 2 缓冲器刚度的选取 缓冲平台设计的目标是当基础产生20 0 0g 冲 击加速度时，设备响应的加速度峰值应在1 5g 以 下。当设备平台重量为4 5 0k g ，根据初步设计计算， 缓冲平台缓冲器的总刚度应取为K 1 ．0 e 6N ／m ，若 采用4 个子弹簧并联在一起的结构，则每个弹簧的 刚度应为墨 2 ．5 e 5N ／m 。 3 缓冲器选型 本缓冲平台利用聚氨酯缓冲器实现对设备平台 的缓冲。当船体甲板受到向上的垂向冲击作用时， 万方数据 爆破2 0 1 1 年9 月 缓冲平台的下层缓冲件受到压缩，冲击动能转化为 聚氨酯缓冲件的变形能，由于聚氨酯缓冲件具有较 好的吸能效果，能够传递给设备平台的冲击能量将 大大减小，从而达到保护设备的目的。当设备平台 回弹时，上层缓冲件受到压缩，进一步消耗冲击动 能。最终设备平台在下层缓冲件和上层缓冲件之间 往返运动直至停止，从而达到保护测量设备的目的。 2 ．2 缓冲平台结构 缓冲平台由多个组件组成，可组合为上下2 层， 每层平台规格2m 2m ，双层平台总重8 4 2 ．2k g 。 3 缓冲平台的缓冲性能试验 3 ．1 试验实施 以海上爆炸试验方式进行。在缓冲平台 2m 2m ，1 层 上安装电测系统测量设备及视频 监控设备。试验主要测试缓冲平台底部基础和缓冲 平台顶部的垂向加速度。 1 试验工况 爆源采用1k gR D X 药球，试验共进行2 个工 况，工况设置如表1 所示。工况l 设定水平爆距 2 ．5m ，深度4 ．2m ，工况2 设置水平距离5n l ，深度 4 ．7m 。试验通过电测系统采集设备进行爆炸参数 录取，视频监控系统对试验场景进行监控。 2 咖 l2 0 0 4 0 0 如 一4 0 0 一l2 0 0 一2 0 0 0 2 0 0 0 l6 0 0 l2 0 0 8 0 0 铀4 0 0 O 一4 0 0 一8 0 0 - 10 0 0 L 『。 0 1 ．5 9 96 73 ．1 9 93 34 ．7 9 90 06 ．3 9 86 77 ．9 9 83 3 t a 工况1 迎爆面缓冲平台基础 。I 1 01 ．5 9 93 ．1 9 84 ．7 9 7 6 ．3 9 67 ．9 9 5 t c 工况2 迎爆面缓冲平台基础 表1 试验工况设置 T a b l e1T a b l eo ft e s tc a s e s 2 测点布设 爆源上安装2 个探针零时传感器作为爆炸零时 和触发信号。在缓冲平台迎爆面基础、测试模块减 震机箱上各安装2 个垂向加速度传感器和2 个横向 加速度传感器，在缓冲平台背爆面基础及测试模块 减震机箱上各安装1 个垂向加速度传感器和1 个横 向加速度传感器。测点布设如图3 所示。 一一 艏鄙艉鄢艏部膈鄙 迎爆面背爆面 a 加速度传感器迎爆面布设图∞加速度传感器背爆面布设图 图3 加速度传感器布置图 F i g ．3 T h ea r r a n g e m e n tp l a no fa c c e l e r a t i o n8 e n s o m 3 ．2 缓冲效果及分析 不同工况下缓冲平台加速度时程曲线如图4 所示。 1 4 l O 6 2 铀 一2 - 6 一1 0 1 4 L r O1 ．5 9 93 33 ．1 9 86 74 ．7 9 80 06 ．3 9 73 37 ．9 9 66 7 f b 工况l 迎爆面缓冲平台顶部 8 6 4 2 如 0 2 - 4 - 6 k 。 r _ r O0 ．81 ．62 ．43 ．24 ．04 ．85 ．67 ．28 ．0 f d 工况2 迎爆面缓冲平台顶部 图4 不同工况下缓冲平台加速度时程曲线 F i g ．4 T i m e - a c c e l e r a t i o ne l l r V e 8o fb u f f e rp l a t f o r mi nd i f f e r e n tc a s e 8 万方数据 第2 8 卷第3 期 李琛，张妹红，周学滨，等水下非接触爆炸抗冲击缓冲平台性能研究8 9 缓冲平台缓冲试验中缓冲平台基础最大加速度值 与其相对应的平台顶部缓冲输出加速度结果见表2 。 表2 缓冲平台缓冲效果统计结果 T a b l e2T h es t a t i s t i co fp l a t f o r m ’sb u f f e re f f e c t 由于水下爆炸试验和海况、水流速度、布放深度 误差等诸多因素相关的特殊性决定了设计的工况很 难精确达到20 0 0g ，因此，认为上述2 个工况能够 反映缓冲平台的缓冲效果。试验结果表明缓冲平 台缓冲性能满足当最大冲击加速度输入20 0 0g 时 缓冲输出≤1 5g 的设计要求。 通过采用吴有生冲击谱绘制方法”1 ，绘制出缓 冲平台基础典型位置的冲击谱图如图5 所示。可以 看出在缓冲平台基础处由于冲击波作用高频还没有 衰减，因而其高频加速度谱值较大，在缓冲平台顶部 处以中低频为主的响应，其高频加速度谱值较小。 } ∞ ● g 三一 ’0 o 盘 F r e q u e n c y ／H z F r e q u e n c y ／H z a 1 缓冲平台基础典型位置的冲击谱图 bJ 缓冲平台顶部典型位置的冲击谱图 图5 典型位置的冲击谱图 F i g 5T h es h o c kr e s p o n s es p e c m u ni nt y p i c a lp o s i t i o no fb u f f e rp l a t f o r m 4 结语 通过海上实爆试验验证，基于设备冲击响应谱 及缓冲平台设计指标要求研制的抗冲击缓冲平台的 缓冲效率能达到9 0 ％以上，能有效减小测量设备的 冲击输入，保护设备使用的安全性，能够满足设计要 求。因此，能够得出如下结论 1 水下非接触爆炸作用下，基于设备冲击响 应谱指导承受冲击作用的抗冲击缓冲平台系统设计 可行。 2 根据缓冲平台设计载荷和缓冲效率进行缓 冲器刚度的选择和结构设计、利用仿真运算进行工 况设计是合理的。 3 聚氨酯缓冲器能够降低设备平台冲击加速 度峰值，具有很好的抗冲击缓冲效果。 4 该缓冲平台能够用于水下爆炸试验和舰船 抗冲击试验，减少在爆炸冲击作用下对测量设备造 成的损伤。 [ 1 ] 汪玉，华宏星．舰船现代冲击理论及应用[ M ] ．北 京科学出版社．2 0 0 5 ． [ 2 ] 姚熊亮，张阿漫．编船体振动与噪声[ M ] ．北京国防 工业出版社，2 0 1 0 ． [ 3 ]G J B l 0 6 0 ．1 9 1 中华人民共和国国家军用标准舰船 环境条件要求机械环境[ S ] ．北京国防科学技术工业 委员会，1 9 9 1 ． [ 4 ] 科布伦茨B V 0 4 3 0 - 8 5 ，德国国防军舰建造规范一冲击 安全性[ S ] ．联邦德国国防装备技术和采购局，1 9 8 7 ． [ 5 ] 吴有生．吴融年．冲击谱分析方法[ J ] ，舰船性能研究， 1 9 8 2 2 1 2 3 - 1 4 2 ． 万方数据