陳 輝,潘建強(qiáng),劉建湖
(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心,江蘇 無(wú)錫 214082)
隔振緩沖元件軸向拉伸沖擊特性檢測(cè)方法
陳輝,潘建強(qiáng),劉建湖
(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心,江蘇 無(wú)錫 214082)
水下非接觸爆炸攻擊作用下,隔振緩沖元件必然會(huì)產(chǎn)生劇烈的沖擊壓縮及拉伸響應(yīng),大量的實(shí)船及模型試驗(yàn)表明軸向拉伸往往會(huì)造成比軸向壓縮更為嚴(yán)重的后果。但國(guó)內(nèi)對(duì)于隔振緩沖元件拉伸條件下的沖擊特性研究較少,相關(guān)特性參數(shù)的缺失已嚴(yán)重影響設(shè)備抗沖擊能力的設(shè)計(jì)及計(jì)算,需要開展一些探索性的工作。為此,基于落錘沖擊法,提出一套有、無(wú)預(yù)壓條件下隔振緩沖元件軸向拉伸沖擊特性參數(shù)的測(cè)試方法,并分別對(duì)兩種型號(hào)的橡膠型隔振器開展拉伸沖擊特性檢測(cè)。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果與基礎(chǔ)沖擊法試驗(yàn)結(jié)果比對(duì),表明采用落錘沖擊法開展隔振緩沖元件軸向拉伸沖擊特性的測(cè)試是可行的。同時(shí),該文的試驗(yàn)結(jié)果也可為選擇合適的隔振緩沖元件軸向拉伸和壓縮沖擊特性參數(shù)檢測(cè)方法提供依據(jù)。
隔振緩沖元件;軸向拉伸;落錘沖擊法;沖擊特性
為提高裝艦設(shè)備的抗沖擊能力,國(guó)內(nèi)外海軍的通用做法是使用隔振緩沖元件對(duì)裝艦設(shè)備進(jìn)行沖擊防護(hù)。因此,在裝艦設(shè)備沖擊防護(hù)設(shè)計(jì)階段就必須充分了解隔振緩沖元件的抗沖擊性能,這就要求開展必要的隔振緩沖元件沖擊特性檢測(cè)工作。國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)多年的不斷改進(jìn),已經(jīng)形成了比較完善的、能夠反映隔振緩沖元件工作狀況和載荷條件的沖擊特性檢測(cè)方法,方法不但得出了元件在沖擊條件下的等效線性特性,同時(shí)也給出了在不同沖擊能量下的非線性特性[1-2]。該方法已應(yīng)用于大量艦船隔振緩沖元件沖擊特性的檢測(cè),取得了很好的成果。
然而,上述方法主要針對(duì)隔振緩沖元器件的動(dòng)態(tài)壓縮特性,目前國(guó)內(nèi)對(duì)于隔振緩沖元件軸向拉伸沖擊特性檢測(cè)開展的工作很少。實(shí)際上,艦艇尤其是水面艦艇受水下非接觸爆炸攻擊時(shí),安裝在裝艦設(shè)備底部的隔振緩沖元件首先出現(xiàn)壓縮變形,然后回彈產(chǎn)生拉伸變形。在強(qiáng)沖擊條件下,隔振緩沖元件軸向壓縮出現(xiàn)限位而喪失緩沖效果,軸向拉伸則往往會(huì)使元件出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷,甚至使設(shè)備脫位,后果更為嚴(yán)重[3-4]。因此,有必要對(duì)現(xiàn)有的隔振緩沖元件沖擊特性檢測(cè)方法進(jìn)行完善和補(bǔ)充,一方面提出合適的測(cè)試方法,能夠?qū)鞗_擊作用下的隔振緩沖元件沖擊特性參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理;另一方面,分析拉伸沖擊作用下隔振緩沖元件動(dòng)態(tài)位移和沖擊力之間的關(guān)系,為研究隔振緩沖元件軸向壓縮和拉伸沖擊特性的耦合效應(yīng)提供試驗(yàn)依據(jù)。
要獲取可信的隔振緩沖元件沖擊特性參數(shù),僅僅運(yùn)用仿真、計(jì)算的方法往往比較困難,通常的做法還是在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)施沖擊試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行確定,試驗(yàn)方法通常包括落錘沖擊法和基礎(chǔ)沖擊法[5]:
1)落錘沖擊法。采用負(fù)載(落錘)自由跌落錘擊隔振緩沖元件的方式或負(fù)載與隔振緩沖元件一道自由跌落碰撞基座的方式進(jìn)行隔振緩沖元件沖擊特性檢測(cè)的方法。因試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便以及較好的試驗(yàn)重復(fù)性,并且具有成熟的理論基礎(chǔ),成為國(guó)內(nèi)外使用最廣泛的隔振緩沖元件沖擊特性檢測(cè)方法,類似的試驗(yàn)方法包括輕氣炮、力錘沖擊法等,常用的試驗(yàn)裝置為落錘沖擊機(jī)[2,6-7]。
2)基礎(chǔ)沖擊法。采用沖擊、爆炸等方式對(duì)安裝負(fù)載的隔振緩沖元件基座提供沖擊激勵(lì)來(lái)進(jìn)行隔振緩沖元件沖擊特性檢測(cè)的方法。試驗(yàn)條件比較接近實(shí)際情況,但試驗(yàn)操作、實(shí)施往往比較復(fù)雜,常用的試驗(yàn)裝置包括伺服式激振機(jī),輕量級(jí)、中量級(jí)船舶設(shè)備沖擊機(jī)(輕型、中型沖擊機(jī)),浮動(dòng)沖擊平臺(tái)等[8-9]。
本文主要使用落錘沖擊法分別對(duì)EA120和6JX200兩種型號(hào)的橡膠型隔振器開展拉伸沖擊特性檢測(cè),并利用基礎(chǔ)沖擊法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),從而為今后開展隔振緩沖元件軸向拉伸沖擊特性檢測(cè)提供經(jīng)驗(yàn)。
2.1隔振緩沖元件無(wú)預(yù)壓條件下的軸向拉伸沖擊特性研究
2.1.1試驗(yàn)裝置
無(wú)預(yù)壓條件是指隔振緩沖元件處于自由狀態(tài),與實(shí)際使用狀態(tài)是存在差異的,是為研究隔振緩沖元件軸向壓縮和拉伸沖擊特性的耦合效應(yīng)而開展的試驗(yàn),試驗(yàn)裝置如圖1所示。隔振緩沖元件通過(guò)專門設(shè)計(jì)的安裝架連接到負(fù)載底部,負(fù)載提到適當(dāng)高度后,快速釋放令其自由跌落。碰撞板與基座碰撞期間,安裝在負(fù)載上的加速度計(jì)測(cè)量得到因隔振緩沖元件沖擊拉伸產(chǎn)生的抗力使負(fù)載向上的加速度,隔振緩沖元件的拉伸抗力即為負(fù)載質(zhì)量與該加速度的乘積,而隔振緩沖元件的拉伸變形也可以通過(guò)該加速度對(duì)時(shí)間積分得到。由抗力和變形參數(shù),可以計(jì)算得到隔振緩沖元件的相關(guān)沖擊特性參數(shù)[2]。
圖1 隔振緩沖元件無(wú)預(yù)壓條件下的軸向拉伸試驗(yàn)裝置示意圖
2.1.2試驗(yàn)結(jié)果
以隔振器不出現(xiàn)拉伸破壞為限,負(fù)載跌落高度由低到高進(jìn)行試驗(yàn)。不同落高條件下,試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖2、圖3,圖中環(huán)形曲線為隔振器的動(dòng)態(tài)特性曲線,同時(shí)將試驗(yàn)得到的動(dòng)態(tài)特性曲線進(jìn)行進(jìn)一步處理,得出不含阻尼力的位移抗力曲線,該曲線的斜率表示隔振器在此變形位移范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的切線剛度[2,10]。從圖中可以看出:
1)低落高試驗(yàn)得到的動(dòng)態(tài)特性曲線完全包含在高落高試驗(yàn)得到的動(dòng)態(tài)特性曲線中;
2)低落高試驗(yàn)與高落高試驗(yàn)得到的不含阻尼力的位移抗力曲線變化趨勢(shì)非常接近。
圖2 EA120型隔振器拉伸試驗(yàn)不同落高條件下試驗(yàn)曲線比較
圖3 6JX200型隔振器拉伸試驗(yàn)不同落高條件下試驗(yàn)曲線比較
2.2隔振緩沖元件有預(yù)壓條件下的軸向拉伸沖擊特性研究
2.2.1試驗(yàn)裝置
對(duì)于使用落錘沖擊機(jī)進(jìn)行隔振緩沖元件有預(yù)壓條件下的軸向拉伸沖擊特性的檢測(cè),整個(gè)試驗(yàn)的難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)隔振器壓縮狀態(tài)到拉伸狀態(tài)的順利轉(zhuǎn)換以及預(yù)壓載荷與隔振器抗力的解耦。試驗(yàn)裝置如圖4所示,隔振器通過(guò)安裝架連接到負(fù)載底部,利用空氣彈簧對(duì)隔振器進(jìn)行預(yù)壓。使用空氣彈簧作為預(yù)壓元件,主要是考慮到空氣彈簧存在如下特點(diǎn):
圖4 隔振緩沖元件有預(yù)壓條件下的軸向拉伸試驗(yàn)裝置示意圖
1)承載范圍寬、工作高度調(diào)節(jié)方便;
2)系統(tǒng)自振頻率很低而且基本不變,所以系統(tǒng)具有幾乎不變的性能;
3)可以通過(guò)連接附加氣室來(lái)改變空氣彈簧的剛度。
使用跌落法進(jìn)行試驗(yàn),碰撞產(chǎn)生的沖擊力由碰撞板傳遞給隔振器,由安裝在負(fù)載上的加速度計(jì)測(cè)量得到隔振器拉伸及空氣彈簧壓縮產(chǎn)生的負(fù)載垂直向上的沖擊加速度,并積分得到隔振器的變形量。試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)是隔振器與空氣彈簧共同作用的結(jié)果,因此還需要通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)得到空氣彈簧的沖擊特性參數(shù),然后再解析分離出隔振器的沖擊特性參數(shù)。
2.2.2隔振緩沖元件沖擊特性參數(shù)解析方法
帶附加氣室的空氣彈簧可以簡(jiǎn)化為多個(gè)彈簧與阻尼器串聯(lián)、并聯(lián)的系統(tǒng)[11],而試驗(yàn)裝置中的隔振器可以認(rèn)為是在此系統(tǒng)中再并聯(lián)一個(gè)彈簧阻尼系統(tǒng)。由于落錘與基礎(chǔ)剛性碰撞持續(xù)時(shí)間為1~2ms,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于隔振器或隔振器、空氣彈簧與負(fù)載組成系統(tǒng)的固有周期,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[11,12]的計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果顯示,在沖擊作用下,帶附加氣室的空氣彈簧動(dòng)剛度、阻尼特性等參數(shù)基本保持不變。因此,可以按如下方法進(jìn)行有預(yù)壓條件下隔振器軸向拉伸沖擊特性參數(shù)的解析分離。
1)進(jìn)行有預(yù)壓條件下隔振器軸向拉伸沖擊特性落錘試驗(yàn),得到不含阻尼力的位移抗力曲線F′和阻尼參數(shù)C′;
2)拆除隔振器,保持空氣彈簧內(nèi)壓及高度不變,進(jìn)行空氣彈簧沖擊特性落錘試驗(yàn),得到不含阻尼力的位移抗力曲線和阻尼參數(shù)
4)根據(jù)位移抗力曲線F和阻尼參數(shù)C得出隔振器有預(yù)壓條件下隔振器軸向拉伸沖擊特性參數(shù)。
隔振器不含阻尼力的位移抗力曲線可以按下式計(jì)算得到:
根據(jù)式(1)可以算出隔振器的沖擊剛度K以及參考剛度Kp:
式中:C——隔振器的等效粘滯阻尼系數(shù),N·s/m;
M——負(fù)載質(zhì)量,kg。
但是可以使用該參數(shù)分析得出隔振器的等效粘滯阻尼系數(shù)C:
式中:C′——空氣彈簧、隔振器共同作用的等效粘滯阻尼系數(shù),N·s/m。
C1′——空氣彈簧的等效粘滯阻尼系數(shù),N·s/m。
根據(jù)計(jì)算得到的沖擊剛度K(d)及等效粘滯阻尼系數(shù)C,帶入下面的公式計(jì)算隔振器單獨(dú)作用下,預(yù)壓的沖擊響應(yīng):
使用龍格庫(kù)塔法進(jìn)行計(jì)算,初始條件為:初始變形d(0)=0及初速度。初速度)尚不能確定,需要根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行迭代得出。
2.2.3試驗(yàn)結(jié)果
同樣按照負(fù)載跌落高度由低到高的順序開展試驗(yàn),不同落高條件下,試驗(yàn)結(jié)果見圖5。從圖中可以看到低落高試驗(yàn)與高落高試驗(yàn)相比:得到的動(dòng)態(tài)特性曲線完全包含在后者的動(dòng)態(tài)特性曲線中;兩者得到的不含阻尼力的位移抗力曲線變化趨勢(shì)非常接近。因此可以將各次試驗(yàn)得到的不含阻尼力的位移抗力曲線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行綜合處理,擬合出隔振器不含阻尼力的位移抗力關(guān)系曲線[10]。
圖5 EA120型隔振器拉伸試驗(yàn)時(shí)空氣彈簧不同落高條件下試驗(yàn)曲線比較
在此基礎(chǔ)上,按照上面給出的沖擊特性參數(shù)解析方法,得出有預(yù)壓條件下的隔振器拉伸動(dòng)態(tài)特性曲線見圖6、圖7,沖擊力為負(fù)表明隔振器為壓縮抗力,沖擊力為正表明隔振器為拉伸抗力,6JX200型隔振器在沖擊變形9mm之后沖擊力迅速增加是隔振器結(jié)構(gòu)限位造成的。根據(jù)圖6、圖7即可很容易計(jì)算出隔振器的沖擊特性參數(shù)[2]。
圖6 EA120型隔振器有預(yù)壓條件下的拉伸試驗(yàn)曲線
圖7 6JX200型隔振器有預(yù)壓條件下的拉伸試驗(yàn)曲線
3.1試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)裝置如圖8所示,4只隔振器和負(fù)載組成的系統(tǒng)剛性固定在沖擊機(jī)支撐槽鋼上,將擺錘提升到一定高度后釋放,擺錘沖擊由砧臺(tái)、襯軌、支撐槽鋼、隔振器和負(fù)載組成的系統(tǒng)[8],受沖擊的砧臺(tái)、襯軌、支撐槽鋼產(chǎn)生向上的速度壓縮隔振器,負(fù)載產(chǎn)生向上的加速度,然后隔振器回彈,并在平衡位置附近作多次振蕩。測(cè)量負(fù)載上的加速度和隔振器上下表面的位移量,在負(fù)載的固有頻率遠(yuǎn)大于隔振器的條件下,可以認(rèn)為負(fù)載施加的載荷為負(fù)載質(zhì)量與負(fù)載的加速度乘積,根據(jù)載荷與隔振器變形的關(guān)系獲取隔振器的沖擊特性。
圖8 EA120型隔振器中型沖擊機(jī)試驗(yàn)圖片
3.2試驗(yàn)結(jié)果
按照擺錘跌落高度由低到高的順序開展試驗(yàn),盡量使隔振器的拉伸變形與圖6、圖7所示的最大變形相近,試驗(yàn)結(jié)果見圖9、圖10。圖中變形零點(diǎn)位置為隔振器的初始靜平衡位置,圖中給出了隔振器首次壓縮、拉伸和二次壓縮階段隔振器的受力和變形情況以及每個(gè)階段不含阻尼力的位移抗力曲線。圖中沖擊位移為正時(shí)隔振器受壓,沖擊位移為負(fù)時(shí)隔振器受拉。實(shí)際上,考慮隔振器的靜壓縮變形,如圖10所示,-9~0 mm位移段為隔振器的靜壓縮變形恢復(fù)段,-9mm以下隔振器受拉,這里統(tǒng)一稱為拉伸段。此外,由于砧臺(tái)、支撐槽鋼、隔振器、負(fù)載構(gòu)成的是一個(gè)多自由度系統(tǒng),圖中給出的結(jié)果均進(jìn)行了平滑處理。
圖9 EA120型隔振器中型沖擊機(jī)沖擊試驗(yàn)曲線
圖10 6JX200型隔振器中型沖擊機(jī)沖擊試驗(yàn)曲線
4.1有預(yù)壓條件下的軸向拉伸沖擊特性對(duì)比
對(duì)比中型沖擊機(jī)試驗(yàn)隔振器首次拉伸階段與添加空氣彈簧的落錘沖擊試驗(yàn)結(jié)果,兩者在隔振器的載荷條件以及試驗(yàn)中隔振器的變形情況接近,試驗(yàn)前隔振器受壓縮,試驗(yàn)中隔振器由壓縮轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞝顟B(tài)。對(duì)比結(jié)果見圖11、圖12,為方便比較,所有不含阻尼力的位移抗力曲線均去掉了截距。從圖11可以看到,沖擊位移5mm以下,兩種試驗(yàn)方法得到的曲線基本一致:
圖11 EA120型隔振器中型沖擊機(jī)與落錘沖擊試驗(yàn)對(duì)比
1)不含阻尼力的位移抗力曲線一致,表明沖擊剛度測(cè)量結(jié)果一致;
2)動(dòng)態(tài)特性曲線一致,除表明沖擊剛度一致以外,同時(shí)表明獲取的阻尼參數(shù)一致。
沖擊位移5mm以上,中型沖擊機(jī)獲取的曲線呈現(xiàn)軟化特性(即隔振器隨變形的增加,剛度降低)。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn),EA系列的隔振器是硬化特性,產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是數(shù)據(jù)分析過(guò)程中載荷、位移信號(hào)分別進(jìn)行處理造成的相位偏差,相對(duì)而言落錘獲取的數(shù)據(jù)更具有可信度。
圖12 6JX200型隔振器中型沖擊機(jī)與落錘沖擊試驗(yàn)對(duì)比
圖12與圖11反映的規(guī)律略有差異,兩種試驗(yàn)方法得到的不含阻尼力的位移抗力曲線基本一致,沖擊位移9mm以下,落錘試驗(yàn)獲取的動(dòng)態(tài)特性曲線包含了中型沖擊機(jī)試驗(yàn)結(jié)果,而9mm以上,則相反。主要原因在于落錘試驗(yàn)在數(shù)據(jù)解析過(guò)程中將阻尼作為等效線性參數(shù),因此,將阻尼作用效果平均分?jǐn)偟秸麄€(gè)沖擊過(guò)程中去了,無(wú)法像中型沖擊機(jī)試驗(yàn)一樣,體現(xiàn)隔振器承載結(jié)構(gòu)變化而帶來(lái)的影響,但阻尼作用整體效果還是一致的。
4.2無(wú)預(yù)壓條件下的軸向拉伸沖擊特性對(duì)比
將無(wú)預(yù)壓條件下,落錘試驗(yàn)獲取的結(jié)果與中型沖擊機(jī)試驗(yàn)隔振器拉伸結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,見圖13、圖14。從圖13可以看到,兩種試驗(yàn)方法得到的結(jié)果差異較為明顯,表明EA120型隔振器軸向壓縮和拉伸沖擊特性的耦合效應(yīng)是不可忽視的。因此,使用落錘沖擊法無(wú)預(yù)壓條件開展EA120型隔振器軸向拉伸沖擊特性研究是不合適的。
圖13 EA120型隔振器中型沖擊機(jī)與落錘沖擊試驗(yàn)對(duì)比
圖14 6JX200型隔振器中型沖擊機(jī)與落錘沖擊試驗(yàn)對(duì)比
圖14與圖13反映的規(guī)律也不一致,兩種試驗(yàn)方法得到的曲線差異主要是沖擊強(qiáng)度不一致造成的,不含阻尼力的位移抗力曲線和動(dòng)態(tài)特性曲線變化規(guī)律基本保持一致。因此,使用落錘沖擊法無(wú)預(yù)壓條件開展6JX200型隔振器軸向拉伸沖擊特性研究是合適的。究其原因,主要與6JX200型隔振器結(jié)構(gòu)形式有關(guān)系,見圖15,壓縮與拉伸時(shí)產(chǎn)生抗力的彈性體相互之間沒有關(guān)聯(lián),因此,不會(huì)有耦合效應(yīng)的影響。
圖15 6JX200型隔振器結(jié)構(gòu)圖
4.3小結(jié)
1)有預(yù)壓條件下的落錘沖擊法與基礎(chǔ)沖擊法獲取的試驗(yàn)結(jié)果基本一致,表明采用落錘沖擊法開展隔振緩沖元件軸向拉伸沖擊特性的測(cè)試是可行的。
2)對(duì)于EA120型隔振器,應(yīng)采用有預(yù)壓條件下的落錘沖擊法開展軸向拉伸沖擊特性試驗(yàn)。
3)對(duì)于6JX200型隔振器,采用有預(yù)壓條件下的落錘沖擊法開展軸向拉伸沖擊特性試驗(yàn)?zāi)軌驖M足獲取沖擊參數(shù)的需求,也可采用無(wú)預(yù)壓條件下的落錘沖擊法開展軸向拉伸沖擊特性試驗(yàn)。
4)隔振緩沖元件的沖擊特性參數(shù)與其彈性元件的約束形式、面積等有很大關(guān)系,開展隔振緩沖元件沖擊特性檢測(cè)之前,應(yīng)充分了解隔振緩沖元件的結(jié)構(gòu)形式,選擇合適的沖擊特性檢測(cè)方法。
本文基于落錘沖擊法,提出了有、無(wú)預(yù)壓條件下的隔振緩沖元件軸向拉伸沖擊特性參數(shù)的測(cè)試方法,并與基礎(chǔ)沖擊法試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì),得出了有意義的結(jié)論。但是,目前開展的試驗(yàn)樣本數(shù)還太少,試驗(yàn)結(jié)論并不能代表所有類型隔振緩沖元件的特性。同時(shí),鑒于目前的工作屬于探索性質(zhì),相關(guān)工作還有繼續(xù)深入的必要。
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(編輯:劉楊)
The detection method for axial tensile shock characteristics of isolators
CHEN Hui,PAN Jianqiang,LIU Jianhu
(China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)
Non-contact underwater explosion will produce severe shock compress and tensile response of the isolators.Many real ship and model tests show that axial tensile will cause a more serious consequence than axial compress generally.However,there is very limited research on the shock characteristics of isolators under tensile conditions in domestic,and the lack of the relevant characteristic parameters has severely influenced the design and calculation of impact resistance of equipment.Thus exploratory works should be carried out.Therefore,the detection method of the axial tensile shock characteristics of isolators with and without preload is proposed based on the drop-hammer impact tests and tensile impact characteristics test is also respectively carried out for the two types of rubber isolator.Based on the comparison of test results and foundation impact test results,it shows that detection method of the axial tensile impact characteristics of the isolator based on the drop-hammer impact test is feasible and the test results can also provide basis for choosing an appropriate detection method for axial tensile and compression impact characteristic parameters of isolators.
isolator;axial tensile;drop impact test;shock characteristic
A
1674-5124(2016)10-0056-07
10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.011
2016-04-10;
2016-05-25
陳輝(1980-),男,江蘇泰州市人,高級(jí)工程師,碩士,主要從事艦船抗爆抗沖擊研究。