橫向沖擊試驗機的沖擊臺強度及運動規(guī)律分析

王乾勛， 閆　明， 史萬友， 杜志鵬

(1沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110870； 2.海軍裝備研究院， 北京100161)

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橫向沖擊試驗機的沖擊臺強度及運動規(guī)律分析

王乾勛1,2， 閆明1,2， 史萬友1， 杜志鵬2

(1沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110870； 2.海軍裝備研究院， 北京100161)

橫向沖擊試驗機是考核艦艇設(shè)備抵抗水下非接觸爆炸沖擊性能的關(guān)鍵設(shè)備，用于模擬正、負(fù)波沖擊下船體的響應(yīng)。被試設(shè)備安裝在沖擊臺面上，正波沖擊時，設(shè)備對沖擊臺產(chǎn)生巨大的傾覆力矩同時設(shè)備向沖擊缸一側(cè)傾斜，負(fù)波沖擊過程中由于設(shè)備振蕩使沖擊臺的導(dǎo)軌產(chǎn)生周期性的正壓力和摩擦力。用有限元方法分析了該沖擊臺摩擦力及運動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)：傾覆力矩作用到導(dǎo)軌上，使燕尾槽導(dǎo)向產(chǎn)生很大的接觸力和摩擦力。導(dǎo)軌之間的摩擦力對沖擊臺的輸出波形有顯著影響，不僅使正波加速度峰值顯著增加或減小還使負(fù)波的波形呈現(xiàn)鋸齒狀。燕尾槽的摩擦力降低了沖擊臺的峰值速度，使負(fù)波過程提前結(jié)束，減少了沖擊臺的位移，并對沖擊響應(yīng)譜低頻段產(chǎn)生嚴(yán)重影響。該研究對于橫向沖擊試驗機的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

燕尾槽傾覆力矩摩擦力運動規(guī)律沖擊譜

0　引言

海軍艦艇在戰(zhàn)時主要承受非接觸水下爆炸的襲擊，水下爆炸造成的沖擊是艦船破壞的主要原因，其中艦艇設(shè)備是抗沖擊能力的薄弱環(huán)節(jié)。海上戰(zhàn)例及實船爆炸沖擊試驗表明，在爆炸沖擊環(huán)境下，艦艇殼體即便保持水密性，但艦艇設(shè)備卻可能已經(jīng)損壞，導(dǎo)致艦艇喪失生命力和戰(zhàn)斗能力[1]。艦艇設(shè)備抗沖擊性能的高低，直接影響到艦艇的作戰(zhàn)性能，因此各國海軍積極研究艦艇設(shè)備抗沖擊設(shè)計和試驗方法、制定抗沖擊設(shè)計和試驗標(biāo)準(zhǔn)、研發(fā)抗沖擊性能考核設(shè)備[2-4]。

當(dāng)前，艦艇設(shè)備抗沖擊性能考核主要有三種方式[1，5]：實船水下非接觸爆炸沖擊試驗、浮動沖擊平臺試驗和沖擊試驗機試驗。實船試驗最貼近實際海戰(zhàn)環(huán)境，但是成本高、操作復(fù)雜、試驗周期長、試驗次數(shù)有限、難以得到有統(tǒng)計意義的結(jié)果；浮動沖擊平臺試驗需要在專用的水池中進行，使用炸藥作為沖擊源，易受到天氣等條件的影響且有一定的危險性，因此主要用于5 t以上設(shè)備的沖擊試驗考核；沖擊試驗機試驗主要在實驗室內(nèi)對5 t以下的艦用設(shè)備進行沖擊考核，操作簡單，可重復(fù)性好，據(jù)統(tǒng)計90%以上的艦艇設(shè)備都在5 t以下，因此沖擊試驗機是考核艦用設(shè)備的重要裝置。用沖擊試驗機開展艦艇設(shè)備抗沖擊試驗是目前各國普遍采用的方法。德國艦艇沖擊新軍標(biāo)BV43-85、美國的軍用規(guī)范MIL-S-901D和我國頒布的國軍標(biāo)GJB1060均規(guī)定了用沖擊試驗機考核艦艇設(shè)備抗沖擊能力的試驗要求[4-5]。

艦艇設(shè)備沖擊試驗機從沖擊方向上可以分為垂向沖擊試驗機和橫向沖擊試驗機，橫向沖擊試驗機主要用于模擬潛艇遭受深水炸彈等水中兵器攻擊時艇載設(shè)備受到的沖擊[2]。設(shè)備在橫向沖擊試驗中由于沖擊點與設(shè)備的重心不在同一個水平面上而產(chǎn)生巨大的傾覆力矩，因此水平?jīng)_擊試驗臺一定要有導(dǎo)向裝置來承受該傾覆力矩?？紤]到燕尾形導(dǎo)向承載能力大，運動平穩(wěn)，間隙可調(diào)，因此設(shè)計一種燕尾槽導(dǎo)向的橫向沖擊試驗臺。另外，考慮到傾覆力矩使導(dǎo)軌彎曲變形，局部接觸應(yīng)力增加，燕尾導(dǎo)軌與燕尾槽的摩擦力較大。下面將分析傾覆力矩和摩擦力對沖擊試驗臺的輸出波形的影響。

1　橫向沖擊試驗機組成及工作原理

水下非接觸爆炸產(chǎn)生沖擊波和氣泡脈動兩種沖擊效應(yīng)[6-8]。沖擊波傳播速度快，作用到船體后，船體向上或向一側(cè)拱起，然后經(jīng)船體結(jié)構(gòu)傳遞給艦用設(shè)備，對設(shè)備產(chǎn)生正波沖擊，氣泡脈動隨后作用到艦體上，使船體向下或向另一側(cè)運動，船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備受到負(fù)波沖擊。沖擊試驗機就是要模擬正、負(fù)波沖擊下船體的響應(yīng)。

橫向沖擊試驗機主要由沖擊臺、沖擊缸、沖擊錘、阻尼缸和大質(zhì)量基礎(chǔ)組成，如圖1所示。大質(zhì)量基礎(chǔ)下面及前后兩端都布置有隔振器，減小系統(tǒng)的沖擊振動對環(huán)境的影響。沖擊臺下端加工燕尾槽，燕尾形導(dǎo)軌可在燕尾槽內(nèi)自由滑動，燕尾形導(dǎo)軌與大質(zhì)量基礎(chǔ)固定連接。沖擊缸用高壓氣體作為動力源，能夠在較短的行程內(nèi)使沖擊錘獲得較高的初始速度。阻尼缸一端與大質(zhì)量基礎(chǔ)連接，另一端與沖擊臺連接，為了保證正波沖擊時，無阻尼力作用，阻尼缸有一段空行程。試驗時沖擊錘加速運動獲得一定的初始速度，然后與沖擊臺發(fā)生碰撞，產(chǎn)生正波沖擊，正波結(jié)束后阻尼缸內(nèi)的流體對沖擊臺產(chǎn)生阻尼作用，產(chǎn)生負(fù)波沖擊，沖擊臺逐漸停止運動。設(shè)備的傾覆力矩以及燕尾導(dǎo)軌與燕尾槽的摩擦力對輸出沖擊波形的影響是本文的研究重點，設(shè)備、沖擊臺、燕尾導(dǎo)軌、燕尾槽的連接關(guān)系如圖2所示。

圖1　橫向沖擊試驗機系統(tǒng)

圖2　燕尾形導(dǎo)向示意圖

2　導(dǎo)軌沖擊臺計算模型

建立沖擊臺有限元簡化模型(為節(jié)約計算成本，將載荷與重量平均分配到一條燕尾槽)，其中設(shè)備重4 t，重心高0.8 m，沖擊臺長2.5 m，寬2 m，高0.4 m，重7.8 t，如圖3(a)所示。圖3(b)是燕尾槽和燕尾形導(dǎo)軌的有限元模型，導(dǎo)軌表面設(shè)置接觸，而滑槽表面設(shè)置目標(biāo)單元，由此來模擬兩者的接觸和摩擦作用，同時對整體施加向下的重力效果，考慮重力對分析的影響。

圖3　沖擊臺有限元簡化模型

3　導(dǎo)軌沖擊臺計算及分析

3.1沖擊環(huán)境與工況設(shè)計

艦船受到水下爆炸后，先后經(jīng)過爆炸沖擊波與氣泡脈動的雙向作用，根據(jù)德國BV043-85標(biāo)準(zhǔn)，將艦艇受到的水下爆炸沖擊簡化為如圖4所示的正負(fù)雙波機制，用沖擊錘與阻尼缸對臺體實現(xiàn)正負(fù)雙波的沖擊效果，改變沖擊錘的速度以及阻尼缸的阻尼特性，可以實現(xiàn)不同的沖擊載荷輸入。

圖4　加載力波形圖

試驗設(shè)備由于具有一定的重心高度，在高速沖擊過程中，會產(chǎn)生巨大的傾覆力矩，同時燕尾槽導(dǎo)軌之間會存在一定的摩擦力，故設(shè)計三種工況：第一種工況不考慮導(dǎo)軌與滑臺的摩擦力即摩擦系數(shù)f=0，該計算主要是研究傾覆力矩對沖擊臺運動的直接影響；第二種與第三種工況導(dǎo)軌與滑臺的摩擦系數(shù)分別為f=0.08、f=0.15,該計算主要研究摩擦力對沖擊臺運動的影響。

3.2沖擊仿真結(jié)果分析

3.2.1沖擊臺位移響應(yīng)分析

通過圖5可以看出傾覆力矩對燕尾槽導(dǎo)軌產(chǎn)生較為明顯的應(yīng)力效應(yīng)，設(shè)備振蕩引起導(dǎo)軌變形，燕尾槽應(yīng)力分布不均，接觸應(yīng)力在局部較大。由圖6可知，理想位移曲線與摩擦系數(shù)f=0的位移曲線有一定的差距，說明在沖擊作用力下，傾覆力矩會影響沖擊臺位移響應(yīng)。在設(shè)計燕尾槽導(dǎo)軌時，應(yīng)考慮試驗設(shè)備重心的高度以及傾覆力矩對于沖擊臺位移響應(yīng)，同時巨大的傾覆力矩對于燕尾槽壽命的影響。

圖5　某時刻傾覆力矩對于燕尾槽產(chǎn)生的應(yīng)力云圖

圖6　各工況下的位移響應(yīng)

而摩擦力在正負(fù)波不同階段表現(xiàn)的作用不同：在正波作用階段與作用力反方向，效果為阻礙加速運動；在負(fù)波作用階段與作用力同向，效果為有助于減速運動。這種現(xiàn)象使得在時間終點處的位移小于位移最大值，如圖6中有摩擦所用的兩條位移曲線，此時認(rèn)為，摩擦力使得設(shè)備在最大位移處提前停止運動。

3.2.2加速度響應(yīng)及其偽速度譜分析

通過圖7可以清楚看到，摩擦與傾覆力矩對于加速度信號影響明顯，不僅使正波峰值顯著減小，而且使曲線不再光滑，尤其在負(fù)波階段，加速度曲線波動劇烈，而且隨摩擦系數(shù)的增加，波動越劇烈，這是由于運動副之間由于摩擦而引起的爬行現(xiàn)象導(dǎo)致。

圖7　加速度曲線

沖擊響應(yīng)譜是指一系列有著不同固有頻率的彈簧振子，在受到相同沖擊響應(yīng)后，得到各個彈簧振子的最大相對位移響應(yīng)、最大加速度響應(yīng)、偽速度沖擊響應(yīng)等變量，以不同彈簧的頻率為橫坐標(biāo)，以上述變量為縱坐標(biāo)而繪制的曲線。沖擊譜是艦船抗沖擊設(shè)計的重要工具，Gaberson等人發(fā)明了一種對數(shù)四坐標(biāo)偽速度沖擊響應(yīng)譜的繪制方法，可將最大相對位移響應(yīng)、偽速度響應(yīng)、最大加速度響應(yīng)在同一個圖中顯示出來，圖8所示為各工況下加速度對應(yīng)的偽速度沖擊響應(yīng)譜。圖中，橫坐標(biāo)表示固有頻率，縱坐標(biāo)表示偽速度，與橫坐標(biāo)成+45°和-45°的坐標(biāo)分別表示最大相對位移響應(yīng)和最大加速度響應(yīng)。通過圖8可以看到，摩擦的存在主要影響低頻處的偽速度值，使得沖擊譜值在低頻處出現(xiàn)比較嚴(yán)重的偏差，對于艦船中低頻結(jié)構(gòu)的抗沖擊設(shè)計產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。

圖8　四座標(biāo)偽速度沖擊響應(yīng)譜

4　結(jié)論

(1) 由于試驗設(shè)備的重心較高，沖擊過程中會對燕尾槽產(chǎn)生較大的傾覆力矩，影響沖擊臺的加速度和位移響應(yīng)，同時會對燕尾槽局部導(dǎo)軌產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力效應(yīng)，會對沖擊試驗機的使用壽命產(chǎn)生不良影響。

(2) 由于摩擦力在沖擊運動不同時間階段表現(xiàn)的作用不同，使得加速度位移曲線以及加速度曲線偏離理想曲線較大，而且使加速度曲線在負(fù)波階段波動劇烈，并降低了位移峰值，沖擊臺提前停止運動。

(3) 摩擦力對沖擊響應(yīng)譜的低頻段影響較大，甚至達(dá)幾個數(shù)量級，對于艦艇低頻設(shè)備的抗沖擊設(shè)計產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

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Strength and Motion Law Analysis on Shock Table of Transverse Shock Test Machine

WANG Qian-xun1,2, YAN Ming1,2, SHI Wan-you1, DU Zhi-peng2

(1.School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang Liaoning 110870, China; 2.Navy Equipment Research Institute， Beijing 100161, China)

The transverse shock testing machine is the important equipment for testing naval craft against the underwater non-contact explosive, which used to simulate the hull's response under the positive and negative wave shock. The tested equipment is installed on the shock table. When positive wave shock, the device produce a huge overturning moment to the equipment. And at the same time, the device tilt to the shock cylinder side. The rail of shock table produce the periodic positive pressure and friction because of equipment oscillation during the negative wave shock process. The friction force and motion law of the bounce table was analyzed by finite element method. It was found that the dovetail guide creates a huge contact force and friction force was made by overturning moment acts on the rail. The friction makes a significant effect on output waveform of bounce table, not only the positive wave acceleration peak significantly increasing or decreasing but also make negative wave appear jaggy. Friction force of the dovetail groove reduces the peak speed of the bounce table, make the negative wave process finish in advance and reduce displacement of the bounce table, and made the SRS appears serious deviation. The researches have a certain significant guidance on the design of transverse shock testing machine.

Dovetail GrooveOverturning momentFrictionMotion PatternShock Spectrum

王乾勛(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為艦船設(shè)備抗沖擊。

U662

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