艦用動(dòng)爆振動(dòng)記錄裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

丁永紅，尤文斌，張晉業(yè)

(1中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 0 30051;2中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原 0 30051;3晉西集團(tuán)技術(shù)中心，太原 0 30027)

0 引言

掌握爆炸沖擊對艦船結(jié)構(gòu)的破壞作用，為艦船抗爆炸沖擊的設(shè)計(jì)提供幫助[1]。艦船及其設(shè)備的抗沖擊能力是艦船生命力和戰(zhàn)斗力的重要組成部分，也是衡量艦船戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能非常重要的指標(biāo)[2]。對于梁、板等較簡單的基本構(gòu)件，已能較精確的預(yù)估出最大殘余變形[3]。而對工程中較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，尤其是艦船結(jié)構(gòu)中廣泛采用的加筋板結(jié)構(gòu)，理論分析尚處于初步階段[4－5]，目前研究多采用 ABAQUS、ADINA、DYTRAN等有限元分析程序進(jìn)行數(shù)值方法[6]。當(dāng)前關(guān)于水下爆炸對船體結(jié)構(gòu)影響的文章較多，而采用實(shí)彈動(dòng)爆船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)測量的報(bào)道很少。文中采用存儲測試的方法記錄動(dòng)爆過程中船體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)參數(shù)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由安裝在測試點(diǎn)的探測頭、遠(yuǎn)端備份模塊、控制單元模塊、傳輸數(shù)據(jù)的光纖、傳輸控制信號的電纜組成。探測頭具有實(shí)時(shí)采集存儲測試點(diǎn)的振動(dòng)信號能力。實(shí)彈測試中，為避免船體沉沒后不易打撈，探測頭的數(shù)據(jù)在甲板備份。探測頭將采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號經(jīng)串行化處理后經(jīng)光纖傳輸給遠(yuǎn)端的備份模塊存儲。存儲電路在控制單元的作用下，使存儲采集電路在觸發(fā)前循環(huán)采樣，存儲器中始終保持最新的1MB的數(shù)據(jù)。觸發(fā)信號到來后，順序記錄4MB的數(shù)據(jù)后進(jìn)入低功耗。為了使各個(gè)測點(diǎn)具有統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)信息，控制單元的觸發(fā)信號同時(shí)作用各個(gè)探測頭。

圖1 總體框圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 探測頭設(shè)計(jì)

探測頭存儲測試電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。探測頭由加速度傳感器、適配電路、A/D變換器、CPLD、單片機(jī)、Flash存儲器、光電轉(zhuǎn)換接口組成。存儲電路每通道采樣頻率500kHz，分辨率12bit，記錄容量5MByte。加速度傳感器選用隔離型加速度計(jì)CAYD-111GM，量程為20000g。輸出的電荷信號在傳感器的輸出端就近轉(zhuǎn)換成電壓信號，避免電荷信號經(jīng)導(dǎo)線傳輸引入的干擾。

圖2 探頭框圖

探測頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。加速度傳感器和存儲電路安裝在一起，傳感器與外殼剛性連接，并采用灌封材料將電路傳感器固定。采集存儲電路與外界連接的光纖接頭、航空接頭布置在鄰近的外殼里，采用柔性材料固定，起到減振、屏蔽的作用。

圖3 探測頭結(jié)構(gòu)

2.2 觸發(fā)控制設(shè)計(jì)

圖4 觸發(fā)控制框圖

觸發(fā)控制由探測頭與控制單元兩部份組成，如圖4所示。探測頭能接收控制單元發(fā)送的觸發(fā)記錄信號，同時(shí)探測頭將測試信號與設(shè)定的電平比較得到的內(nèi)觸發(fā)信號發(fā)送給控制單元模塊。控制單元模塊通過檢測探測頭的觸發(fā)信號和斷線信號作為判斷觸發(fā)是否到來。當(dāng)64個(gè)探測頭中大于等于3個(gè)探測頭輸出內(nèi)觸發(fā)有效，或者斷線觸發(fā)控制連線斷開，同時(shí)經(jīng)3次檢測連續(xù)有效，控制單元輸出觸發(fā)信號觸發(fā)所有探測頭及備份模塊。圖5為檢測探測頭觸發(fā)控制的CPLD程序仿真圖。

圖5 探測頭觸發(fā)控制仿真圖

3 現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

探測頭布置在船的龍骨和艙壁上，其中布置在龍骨上裝置如圖6所示。探測頭通過螺栓與船的龍骨剛性連接。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，船體沉沒，備份單元丟失。在經(jīng)過2個(gè)月后船體打撈上岸，從船艙中取出探測頭，讀取了記錄的加速度響應(yīng)曲線，數(shù)據(jù)捕獲率達(dá)到91%。

圖7(a)、圖7(b)分別為探測頭在艙壁和龍骨上獲取的加速度響應(yīng)曲線。圖7(c)、圖7(d)是分別對圖7(a)、圖7(b)中曲線進(jìn)行FFT變換得到的頻譜。比較圖7(c)、圖7(d)的頻譜可知，在艙壁和龍骨上獲取的加速度曲線頻譜在20kHz以下部分相似，在25～40kHz區(qū)間，艙壁上的頻譜有較大的分量，而龍骨上這部分分量很低。

圖7 沖擊振動(dòng)曲線

圖6 安裝照片

4 結(jié)論

采用甲板觸發(fā)控制單元控制探測頭統(tǒng)一觸發(fā)，采集存儲電路在測試點(diǎn)記錄加速度信號，并通過光纖實(shí)時(shí)傳送到甲板的備份單元的記錄儀能有效記錄動(dòng)爆過程中船體結(jié)構(gòu)的加速度信號。記錄儀能有效防水、抗電磁干擾、抗沖擊、長時(shí)間保存數(shù)據(jù)。

[1]童宗鵬，汪玉，李玉節(jié).艦船新型沖擊防護(hù)層的水下爆炸特性研究[J].船舶力學(xué)，2007，11(6):924－932.

[2]褚德英，王貢獻(xiàn)，張志誼，等.艦載設(shè)備抗沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)建模與仿真[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2007，20(5):507－510.

[3]劉土光，朱科，鄭際嘉.爆炸載荷下矩形板的塑性動(dòng)力響應(yīng)[J].爆炸與沖擊，1992，12(2):166－169.

[4]吳有生，彭興寧，趙本立.爆炸載荷作用下艦船板架的變形與破損[J].中國造船，1995，11(4):55 －61.

[5]方斌，朱錫，張振華.水下爆炸沖擊波載荷作用下船底板架的塑性動(dòng)力響應(yīng)[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29(4):326 －331.

[6]梅志遠(yuǎn)，朱錫，劉潤泉.船用加筋板架爆炸載荷下動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)值分析[J].爆炸與沖擊，2004，24(1):80－84.