圆柱壳水下爆炸冲击响应信号的小波分析.pdf

第2 7 卷第4 期 2 0 1 0 年1 2 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 7N O ．4 D e c ．2 0 1 0 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 0 ．0 4 ．0 0 5 圆柱壳水下爆炸冲击响应信号的小波分析木 贾则，李鹏，张臣，宋敬利 海军9 1 4 3 9 部队，大连1 1 6 0 4 1 摘要圆柱壳是船舶、潜艇和海洋工程结构物的重要组成部分，研究其在水下爆炸载荷作用下的响应对 提高结构物的使用周期有着重要的作用。基于商用有限元软件A B A Q U S 对圆柱壳水下爆炸进行了数值模 拟。得到水下爆炸裁荷作用下圆柱壳关键部位的冲击环境，为结构冲击响应信号的分析提供输入条件，然后 对仿真数据进行了一维离散小波分析，提取了信号的细节特征。分析结果表明小波分析是分析水下爆炸信 号的有效方法，能提取信号变化的细节特征。运用小波来分析水下爆炸信号较传统分析方法更能适应水下 爆炸信号突变快、衰减快的特征，同时为进一步认识水下爆炸机理、破坏原因的确定提供了新的途径。 关键词水下爆炸；数值模拟；冲击响应； 小波分析；圆柱壳 中图分类号T B 5 3 5 ；0 3 4 7文献标识码A文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 0 0 4 0 0 1 8 0 4 ． W a v e l e tA n a l y s i si nS h o c kR e s p o n s eS i g n a lo f C y l i n d e rS h e l lo nU n d e r w a t e rE x p l o s i o n J I AZ e ，UP e n g ，Z H A N GC h e n ，S O N G 西曙l i 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 ec y l i n d e rs h e l li sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fs h i pa n ds u b m a r i n ea n ds t r u c t u r eo fo c e a ne I l g i n e e l - i n g ．S m d y i n gi t sr e s p o n s e0 1 1u n d e r w a t e r “ e x p l o s i o nl o a di sv e r yi m p o r t a n tf o ri n c r e a s i n gt h el i f e c y c l eo fs t r u c t u r e B a s e do nt h es o f t w a r eA B A Q U Ss i m u l a t i n gt h ec y l i n d e rs h e l ls t r u c t u r eo nu n d e r w a t e re x p l o s i o n ，t h es h o c ke n v i r o n m e n to fk e yp a r to fc y l i n d e rs h e l lw e r eo b t a i n e d ，w h i c hp r o v i d e st h ei n p u tf o rt h es h o c ks i g r 础a n a l y s i s ，t h e nu s i n gt h e o n e ．d i m e n s i o n a ld i s c r e t ew a v e l e tt oa n a l y z en u m e r i c a ls i m u l a t i o nd a t aa n de x t r a c t i n gt h ed e t a i lf e a t u r e so ft h es i s - n a l s ．T h em s l I l t ss h o wt h a tt h ew a v e l e ta n a l y s i si sa ne f f e c t i v ew a yt oa n a l y s i su n d e r w a t e re x p l o s i o ns i s n a l ga n dC a l l e x t r a c tt h ed e t a i lf e a t m n 陷o fs i s , “c h 跚g e s ．T h ew a v e l e ta n a l y s i sa p p l i e di nu n d e r w a t e re x p l o s i o ni sm o r es u i t a b l eo f t h es u d d e nc h a J l g i n ga n da t t e n a t i n gq u i c U yc h a r a c t e r i s t i co fs i g n a l sc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o na n a l y s i sm e t h o d ，a n d a l s op r o v i d i n gan e ww a yt of u r t h e rr e s e a r c ho nt h em e c h a m s mo fu n d e r w a t e re x p l o s i o n ． 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 ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s h o c kr e s p o n s e ；w a v e l e ta n a l y s i s ；c y l i n d e rs h e l l 0 引言 近2 0 年来，随着水中兵器的不断发展，水下爆 炸的当量、冲击持续时间及冲击波强度明显增强，水 下爆炸载荷对舰船结构的直接破坏越来越大，直接 收稿日期2 0 1 0 0 4 0 7 作者简介贾则 1 9 8 3 一 ，男，工程师、硕士。河南洛阳人，主要从事水 下爆炸与信号处理研究工作，E - m a i l 1 1 3 4 6 2 8 2 q q ．0 0 t n 。 基金项目海军装备部预研项目 A 3 8 2 X 1 6 1 2 0 2 威胁着舰船的作战能力和生命力，所以提高舰船的 抗冲击性能成为更加迫切的任务。水下爆炸压力分 析是研究舰船在遭受非接触式水下爆炸冲击环境的 基础，也是预报和控制水下爆炸冲击载荷作用下舰 船冲击损伤的前提。以往分析和处理水下爆炸压力 信号最常用、最主要的方法是时域分析法。然而，水 下爆炸压力具有持续时间短、突变快等特点，信号的 结构及其频谱都是时变的，属于典型的非平稳信号。 近年来，在数值信号分析中提出并广泛应用的小波变 万方数据 第2 7 卷第4 期 贾则，李鹏，张臣，等圆柱壳水下爆炸冲击响应信号的小波分析 1 9 换理论在处理非平稳随机信号方面具有十分突出的 特点。利用商业有限元程序A B A Q U S 研究了圆柱壳 在水下爆炸冲击波作用下的动态响应⋯，并针对水下 爆炸压力信号的特征，对水下爆炸压力时频分布进行 了一维离散小波分析，提取了信号的细部特征，得出 各个频带的能量分布情况，而这些都是隐含在信号中 的重要信息，对于分析结构在水下爆炸作用下冲击响 应是必不可少的。 水下爆炸的数值模拟 1 ．1 有限元模型 研究对象为圆柱壳模型，圆柱壳长度为1 0m ， 直径为lm ，壳体厚度为O ．0 3m ，圆柱壳两端的端盖 厚度为0 ．0 5m ，壳体材料为钢，密度为78 5 0k g ／m 3 ， 弹性模量为2 1 0G P a ，泊松比为0 ．3 。见图l 。 图I仿真实验中所用的有限元模型 图1 是有限元模型示意图，本模型是基于通用 有限元程序A B A Q U S 软件建立的。为了便于说明 问题，图1 只给出了1 ／2 水域模型，圆柱壳位于有限 元模型的中心，并被水域包围，水域中部为圆柱形， 两端为半球形，圆柱体和半球体的半径取为3i n ，并 采用四面体单元划分网格，与圆柱壳相邻处流场的 网格尺寸为0 ．1m ，并在流场边界处设置了无反射 边界条件。炸药和圆柱壳均处于3 ．6 6m 水深，圆柱 壳中轴线和爆心位于同一水平面，爆心位于圆柱壳 中轴线的垂直平分线上，爆距为7 ．6 2m ，爆距是从 爆心到圆柱壳的最短距离。 图2 是计算工况示意图。以圆柱壳中心点D 为坐 标原点建立直角坐标系，圆柱壳中轴线在y 轴上，x 轴 和y 轴在同一水平面内，z 轴方向竖直向上。爆心位 于x 轴上，爆心到原点的距离为8 ．1 2m ，所以爆距为 7 ．6 2m ，爆距是从爆心到圆柱壳的最短距离。 1 ．2 冲击波载荷 在利用A B A Q U S ／E x p l i c i t 计算水下爆炸问题 时，水下爆炸冲击波载荷是先在前处理中添加，然后 计算时将冲击波载荷直接加载到结构上去的旧】。 作为水下爆炸冲击波作用下结构动态响应分析的基 础输入，水下爆炸冲击波载荷能否准确描述直接决 定着模拟结果的精度。对于特定的水下爆炸问题， 最好能通过试验得到水下爆炸冲击波自由场压力时 程曲线，然后将其添加到程序当中来计算结构的动 态响应，研究就是采用了这种方法。研究模拟时采 用的冲击波载荷取自文献[ 1 ] ，图3 为2 7 。3k g 的 H B X - l 炸药在水中爆炸之后，通过试验测得的在爆 距为7 ．6 2m 处的冲击波自由场压力时程曲线。 寒 詈 娶 图2 计算工况示意图 时间，s 图3 冲击波压力时程曲线 1 ．3 数值仿真结果 水下爆炸产生的冲击波直接作用于结构上，结 构会发生振动，从而导致结构会产生一定的加速度， 图4 为计算工况示意图中圆柱壳外侧迎爆面正中心 位置[ 坐标为 O ．5 ，0 ，0 ] 爆点处的加速度时域曲 线，从图中可以看出由于水下爆炸压力包括冲击波 和多次气泡脉动压力，并受到与结构的相互耦合作 用的影响。水下爆炸压力含有丰富的频率成分，气 泡膨胀产生的气泡脉动压力的能量以低频为主，冲 击波的能量主要作用在中高频。振动过程比较复 杂，但还是能够定性地看出主要以低频振动为主，只 在特定点存在短暂的高频振动。 驴 万方数据 爆破 2 0 1 0 年1 2 月 图4 圆柱壳的加速度响应曲线 图5 、图6 、图7 给出了圆柱壳迎爆面、侧面和背 爆面的最终有效应变分布的对比图。由图可知，计 算得到圆柱壳有效应变分布规律与文献[ 1 ] 基本一 致，圆柱壳的有效应变主要分布在迎爆面的两端，且 有效应力呈对称分布，但是水平方向侧面和竖直方 向侧面的有效应力是不相等的。分析后证明，计算 结果能够较准确反映该圆柱壳在冲击波作用下的毁 伤规律，从而验证了有限元模型的有效性和精度。 图5圆柱壳迎爆面的有效应变分布图 图6 圆柱壳侧面的有效应变分布图 2 小波分析算法 小波分析是把信号分解成低频和高频2 部分。 在分解中，低频部分失去的信号由高频部分捕 获[ 3 】。在下一层分解中，又将所分解出的低频部分 分解成低频和高频2 个部分，低频中失去的信号同 样由高频部分捕获，如此类推下去，则可以完成更深 层次的分解一J 。 若9 I ∈L 2 尺 ，L 2 R 为平方可积的实数空 间，满足容许性条件∞】 铲￡斟虮 ∞ 1 则9 t 称为基本小波函数或母小波函数，9 t 通过平移或伸缩可以得到一组小波，多 ∞ 为妒 t 的傅里叶变换。 图7 圆柱壳背爆面的有效应变分布图 在多分辨分析条件下，采用二进小波变换，信号 函数茗 t 可以进行如下分解旧J 菇 t 髫l t 9 1 t 戈2 t 9 2 t g l t 髫。 t g 。 t ⋯ g I t 2 式中省表示分解出的低频信号；g 表示分解出的高 频信号，下标表示分解层数，按照分解算法逐次降低 分辨率将信号分解成为逼近信号和细节信号，从而 得到信号的时频分布J 。 3 冲击响应信号的小波分析 对测得的数据分别进行小波分解，分解采用 d b 8 小波基，分解层数为1 0 层，共分解为1 1 个频 带，频带号从l ～1 1 ，各频带的频率范围为 髫l o 0 1 9 ．5H z ， g l o 1 9 ．5 3 9 ．0H z ， 9 9 3 9 ．0 7 8 ．1H z ， 醌7 8 ．1 1 5 6 ．3H z ， 9 7 1 5 6 ．3 3 1 2 ．5H z ． 9 6 3 1 2 ．5 6 2 5H z ， 9 5 6 2 5 1 ．2 5k H z ， 9 4 1 ．2 5 2 ．5k H z ， 9 3 2 ．5 5k H z ， 9 25 ～1 0k H z ， g l 1 0 ～2 0k H z 运用基于M a t l i b7 ．1 编写的小波分析程序，分 析了水下爆炸冲击引起的结构响应，将爆炸信号从 时域转换到频域，在频域中分析爆炸信号的组成成 分。利用小波分析的方法把极其复杂的结构爆炸信 号分解成若干个本征模态函数，图8 中第1 个分量 聋代表原始信号，接下来的x ，。是原始信号中分解出 的频率最低、波长最长的波动，此分量是一个单调函 卯∞卯o∞∞如 l 1 一 l l r-曲．葺一、譬Q嘶～毽k舢～～uuq 万方数据 第2 7 卷第4 期贾则，李鹏，张臣，等圆柱壳水下爆炸冲击响应信号的小波分析 2 l 数，它是分解后的余项，是一个单调变换幅值很小的 序列，表征了原始数据的整体趋势，石，。的振动幅值 明显高于各层细节小波重构信号的幅值，能量高度 集中，且波形非常接近测量信号，这说明结构在爆炸 载荷作用下的响应是在冲击波和气泡脉动分别作用 下才产生的；再依次往下分解出各分量，所得各分量 频率逐渐变高，波长也越来越短。 、。h _ 厂、一 ．．2 0 01 ．．．．．．．．．J L ．．．．．．。．．J ．．．．．．．．．．‘．．．．．．．．．．‘．．．√ 2 0 0 f 孑。h ．／＼一 一2 0 0 【．．．．．．．．J ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．J ．．J 5 0 f 蔷oh ／＼儿～V A ～ ．5 I L ．．。。．．．．．一 商1 0 0 卜叫P 5 f o 卜卅叫呐帅卜 一j L ．．．．．．。．。一 1 0 『 o 卜肿- _ 叶_ ～ 一1 0 【．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．。。．一 0I O O2 0 03 0 04 0 05 0 0 2 0r 瞄。h 忡一- 2 0 占_ 茹r 1 茹茹广1 苟如 5 0r 面。卜H - 州- 一扣十 ．．5 0 1．．．．．．．．．．-．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 5 0 r 商。l - 嘲 - 一 ．．5 0 I．．．．．．．．．．．-．．．．．．．、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 1 0r 。卜_ 卜十 ．．I O I ．．．．- - ．．- - J L ．．．．．．- ．．．．J ．．．．．．．．．．．．‘．．．．．．．．．．．L ．．．．．．一 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 5 『 面。卜_ 州巾叶 - 5 卜茹r 1 蕊磊r 1 确 timelm●timclmB 图8 结构冲击响应信号的小波分解 由于水下爆炸压力包括冲击波和多次气泡脉动 压力，并受到与结构的相互耦合作用的影响。水下 爆炸压力含有丰富的频率成分，气泡膨胀产生的气 泡脉动压力的能量以低频为主，冲击波的能量主要 作用在中高频。因此，对于结构整体而言，这种高能 量的低频成分易与结构的整体振动模态耦合，激起 结构的鞭状运动，造成结构的总体破坏，而冲击波容 易造成结构局部的破损。 通过小波分析提取了冲击响应信号的细部特 征，得出各个频带的能量分布情况，而这些都是隐含 在信号中非常重要的信息悼J ，对于分析结构在水下 爆炸作用下的冲击响应是必不可少的，而这些细部 特征运用传统方法是根本无法获得的，这就更体现 了运用小波分析方法的优越性。 4 结论 通过运用大型有限元软件A B A Q U S 对结构水 下爆炸的数值模拟，得到了水下爆炸载荷作用下结 构关键部位的冲击环境，为结构的冲击响应信号分 析提供了输入条件。小波分析是一种多分辨率分析 的分解方法，具有更好的时频特性，可以满足短时非 平稳水下爆炸压力时频分析的需要。实验数据表明 运用小波来分析水下爆炸信号是非常有效的，能方 便提取出信号变化的细节特征。运用小波来分析水 下爆炸信号较传统分析方法更能适应信号突变快、 衰减快的特征，同时为进一步研究水下爆炸机理和 破坏原因提供了新途径。 参考文献 [ 1 ]K W O NYW ，F O XPK ．U n d e r w a t e rs h o c kr e s p o n s eo fa c y l i n d r i c a ls u b j e c t e dt oa s i d e O ne x p l o s i o n [ J ] ．C o m p u t - e r sS t r u c t u r e s ，1 9 9 3 ，4 8 4 6 3 7 - 6 4 6 ． [ 2 ] W O V A KDB 。M o d e l i n gs u b m e r g e ds t r u c t u r e sl o a d e db y u n d e r w a t e re x p l o s i o n sw i t hA B A Q U S ／E x p l i c i t [ c ] ∥ A B A Q U SU s e r s ’C o n f e r e n c e ，2 0 0 2 ． [ 3 ] 温华兵，尹群，张健，等．水下爆炸船舱冲击响应 时频特征的小波包分析[ J ] ．工程力学，2 0 0 8 ，2 5 6 1 9 9 ．2 0 3 ． [ 4 ]葛哲学，陈仲生．M A T L A B 时频分析技术及其应用 [ M ] ．北京人民邮电出版社，2 0 0 6 ． [ 5 ]李国华，李玉节，张效慈，等．浮动冲击平台水下爆炸 冲击谱测量与分析[ J ] ．船舶力学，2 0 0 0 ，4 2 5 1 - 6 0 ． [ 6 ] 姚熊亮，张阿漫．经验模态分解方法在结构冲击信号 分析中的应用[ J ] ．中国舰船研究。2 0 0 8 ，l 4 1 l - 1 5 [ 7 ]宋敬利，贾则．基于S I M U L I N K 的舰船冲击响应信号 处理方法研究[ J ] ．计算机测量与控制，2 0 0 9 ，1 7 8 1 6 1 3 ．1 6 1 5 ． [ 8 ]吴成．基于M A T L I B 方法水下爆炸声信号的特征提 取及其分析[ J ] ．北京理工大学学报，2 0 0 8 ，2 8 1 0 8 1 ．8 5 ． 上接第4 页 [ 9 ] 宋小林，张继春，郭学彬，等．软弱顺倾岩体爆破层裂 的准静态力学模型应用研究[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 8 ， 2 8 6 5 6 5 - 5 7 1 ． [ 1 0 ] 肖正学，郭学彬，张继春，等．含软弱夹层顺倾边坡爆 破层裂效应的数值模拟与试验研究[ J ] ．岩土力学， 2 0 0 9 S I 1 5 - 1 8 ． [ 1 1 ] L i v e n m r eS o f t w a r eT e c h n o l o g yC o r p o r a t i o n ．L S - 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