撓性板導(dǎo)向的水平?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)強(qiáng)度及運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

蔣永博， 張明遠(yuǎn)， 閆 明

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110870)

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撓性板導(dǎo)向的水平?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)強(qiáng)度及運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

蔣永博， 張明遠(yuǎn)， 閆 明

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110870)

水平?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)可用于艦載設(shè)備抗沖擊能力的考核試驗(yàn)，但導(dǎo)軌導(dǎo)向的水平?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)卡死問(wèn)題，為此提出撓性板導(dǎo)向的水平?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)。為驗(yàn)證其可行性，用有限元方法計(jì)算分析了該試驗(yàn)臺(tái)的輸出波形以及撓性板的應(yīng)力分布情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，撓性板在沖擊過(guò)程中儲(chǔ)存彈性勢(shì)能，對(duì)試驗(yàn)波形有一定的影響；臺(tái)體最大位移設(shè)計(jì)值為94 mm，計(jì)算值為89.5 mm，減少了4.8%；臺(tái)體最大速度設(shè)計(jì)值為4 m/s，計(jì)算值為3.93 m/s，減少了1.75%；臺(tái)體正波峰值加速度設(shè)計(jì)值為571 m/s2，計(jì)算值為532 m/s2，減少了6.8%；臺(tái)體負(fù)波峰值加速度設(shè)計(jì)值為175 m/s2，計(jì)算值為183 m/s2，增加了4.6%。因此用撓性板作為導(dǎo)向裝置能夠滿(mǎn)足沖擊試驗(yàn)臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)波形的要求。

艦載設(shè)備 沖擊 試驗(yàn)臺(tái) 撓性板 波形

0 引言

艦艇作為海軍的主要力量，海戰(zhàn)時(shí)不可避免地受到多種形式的沖擊，包括：自身武器發(fā)射時(shí)后坐力對(duì)船體的沖擊；敵方炸彈直接接觸爆炸產(chǎn)生的沖擊；敵方魚(yú)雷等水中爆炸物所產(chǎn)生的沖擊波和氣泡脈動(dòng)帶來(lái)的沖擊；這些沖擊會(huì)對(duì)艦載設(shè)備造成嚴(yán)重的損傷。大量的艦艇經(jīng)歷爆炸沖擊后，盡管船體仍保持水密性，但由于內(nèi)部設(shè)備功能喪失，導(dǎo)致艦艇完全喪失戰(zhàn)斗力，因此各國(guó)海軍都十分重視艦載設(shè)備抗沖擊能力的考核試驗(yàn)[1-2]。

實(shí)船水下非接觸爆炸沖擊試驗(yàn)、浮動(dòng)沖擊平臺(tái)試驗(yàn)和沖擊機(jī)試驗(yàn)是目前考核艦載設(shè)備抗沖擊能力的三種主要手段[3-4]。實(shí)船水下非接觸爆炸沖擊試驗(yàn)成本昂貴，試驗(yàn)次數(shù)有限，難以得到有統(tǒng)計(jì)意義的試驗(yàn)結(jié)果，而且艦艇沖擊試驗(yàn)具有一定的破壞性，有時(shí)試驗(yàn)當(dāng)量無(wú)法全面達(dá)到真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)沖擊環(huán)境強(qiáng)度。國(guó)外浮動(dòng)沖擊平臺(tái)可以對(duì)最大質(zhì)量為181 t的設(shè)備進(jìn)行沖擊試驗(yàn)考核，但是浮動(dòng)沖擊平臺(tái)試驗(yàn)需要在爆炸水池中進(jìn)行，并且需要用真實(shí)TNT炸藥爆炸產(chǎn)生沖擊源，操作較復(fù)雜且存在一定危險(xiǎn)性。

用沖擊試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展艦艇設(shè)備沖擊試驗(yàn)是目前各國(guó)普遍采用的方法[5-8]。美國(guó)于1989年制定的軍用規(guī)范MIL-S-901D和德國(guó)于1985年制定的艦艇沖擊新軍標(biāo)BV043/85，皆規(guī)定了艦載設(shè)備和系統(tǒng)沖擊機(jī)試驗(yàn)要求，以考核艦載設(shè)備抗沖擊能力，并作為艦載設(shè)備的沖擊驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

水平?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)是用來(lái)對(duì)艦載設(shè)備抗沖擊能力進(jìn)行考核的重要試驗(yàn)設(shè)備。艦載設(shè)備在水平?jīng)_擊考核試驗(yàn)中由于沖擊點(diǎn)與設(shè)備的重心不在同一個(gè)水平面上而產(chǎn)生巨大的傾覆力矩，因此水平?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)一定要有導(dǎo)向裝置來(lái)承受該傾覆力矩。一些小型水平?jīng)_擊試驗(yàn)平臺(tái)都是采用導(dǎo)軌作為導(dǎo)向裝置[9-10]，對(duì)于考核大中型設(shè)備的沖擊試驗(yàn)平臺(tái)，傾覆力矩足以讓導(dǎo)軌發(fā)生變形，沖擊試驗(yàn)時(shí)導(dǎo)向可能出現(xiàn)卡死導(dǎo)致試驗(yàn)意外終止。因此提出一種撓性板導(dǎo)向的水平?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)以避免導(dǎo)軌導(dǎo)向時(shí)卡死問(wèn)題，并對(duì)其進(jìn)行有限元計(jì)算和分析，對(duì)后期水平?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的選取與設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

1 水平?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)的組成及工作原理

水平?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)主要由沖擊臺(tái)、沖擊缸、阻尼缸和大質(zhì)量基礎(chǔ)組成，如圖1所示。在大質(zhì)量基礎(chǔ)下面和前、后兩端都布置有隔振器，用于防止系統(tǒng)的沖擊振動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。沖擊臺(tái)通過(guò)撓性板與大質(zhì)量基礎(chǔ)相連，被測(cè)設(shè)備安裝在沖擊臺(tái)上。沖擊缸和阻尼缸也安裝在大質(zhì)量基礎(chǔ)上。試驗(yàn)時(shí)，沖擊錘在液壓力的作用下加速運(yùn)動(dòng)，與沖擊臺(tái)發(fā)生碰撞，產(chǎn)生正波沖擊，沖擊臺(tái)推動(dòng)阻尼缸的活塞，之后沖擊臺(tái)逐漸停下，產(chǎn)生負(fù)波沖擊，沖擊試驗(yàn)機(jī)就是要模擬艦艇設(shè)備在正、負(fù)波沖擊下設(shè)備結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

圖1 沖擊試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)圖

因被試設(shè)備安裝在沖擊臺(tái)面上，沖擊錘沿著水平方向高速撞擊沖擊臺(tái)的中心，由于沖擊點(diǎn)偏離設(shè)備重心，因此設(shè)備會(huì)對(duì)沖擊臺(tái)產(chǎn)生巨大的傾覆力矩，不僅對(duì)沖擊臺(tái)的強(qiáng)度要求很高，而且撓性板還要承受相應(yīng)的傾覆力矩。撓性板在沖擊過(guò)程中會(huì)變形吸收沖擊能量，對(duì)波形產(chǎn)生會(huì)有一定的影響，因此設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要計(jì)算沖擊臺(tái)和撓性板的強(qiáng)度，而且還要分析沖擊臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2 撓性板與沖擊臺(tái)有限元計(jì)算模型

建立圖2所示的沖擊試驗(yàn)臺(tái)有限元模型，其中設(shè)備重5 t，重心高1 m。臺(tái)體長(zhǎng)2.7 m，寬2.2 m，高0.4 m，重7.5 t。撓性板端部厚度為0.02 m，尾部厚度為0.01 m，高1.5 m，其材料為彈簧鋼60Si2MnA，密度為7 900 kg/m2，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3。

圖2 沖擊試驗(yàn)臺(tái)有限元模型

此沖擊臺(tái)最大沖擊速度設(shè)計(jì)值為4 m/s，臺(tái)體水平方向最大位移設(shè)計(jì)值為94 mm，臺(tái)體正波峰值加速度設(shè)計(jì)值為571 m/s2，臺(tái)體負(fù)波峰值加速度設(shè)計(jì)值為175 m/s2。 沖擊臺(tái)輸出波形為正半正弦波加負(fù)半正弦波(見(jiàn)圖3)，圖中正半正弦波寬度t1為7 ms～11 ms，負(fù)半正弦波寬度(t2-t1)為20 ms～36 ms。

圖3 沖擊臺(tái)理論波形

3 撓性板與沖擊臺(tái)計(jì)算及分析結(jié)果

在最長(zhǎng)脈寬的工況下(t1= 11 ms，t2= 47 ms)，沖擊臺(tái)發(fā)生的水平位移最大，撓性板所受彎曲應(yīng)力最大，為此需要計(jì)算該工況下臺(tái)體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及撓性板應(yīng)力。沖擊力和阻尼力都按照正弦波加載，沖擊載荷脈寬11 ms，阻尼載荷脈寬36 ms，沖擊錘達(dá)到的最大速度為4 m/s。加載沖擊力和阻尼力如圖4所示。

圖4 沖擊力和阻尼力曲線(xiàn)

在正、負(fù)波沖擊過(guò)程中臺(tái)體水平方向位移、速度、加速度響應(yīng)值曲線(xiàn)分別如圖5～圖7所示。

圖5 臺(tái)體水平方向位移曲線(xiàn)

圖6 臺(tái)體水平方向速度曲線(xiàn)

圖7 臺(tái)體水平方向加速度曲線(xiàn)

由圖5～圖7可知，正波沖擊過(guò)程中設(shè)備受到很大的傾覆力矩并向沖擊缸一側(cè)傾斜，且正波沖擊過(guò)后設(shè)備仍然處于振蕩狀態(tài)，因此臺(tái)體輸出負(fù)波含有高頻分量，使臺(tái)體輸出負(fù)波加速度波形呈鋸齒狀。

在沖擊過(guò)程中撓性板會(huì)儲(chǔ)存彈性勢(shì)能，對(duì)試驗(yàn)波形有一定的影響。臺(tái)體最大位移設(shè)計(jì)值為94 mm，計(jì)算值為89.5 mm，減少了4.8%。臺(tái)體最大速度設(shè)計(jì)值為4 m/s，計(jì)算值為3.93 m/s，減少了1.75%。臺(tái)體正波峰值加速度設(shè)計(jì)值為571 m/s2，計(jì)算值為532 m/s2，減少了6.8%。臺(tái)體負(fù)波峰值加速度設(shè)計(jì)值為175 m/s2，計(jì)算值為183 m/s2，增加了4.6%。

此外，臺(tái)體在豎直方向的位移如圖8所示，其最大值為3.5 mm，說(shuō)明撓性板在垂直方向形變較小。

圖8 臺(tái)體豎直方向位移曲線(xiàn)

沖擊階段試驗(yàn)臺(tái)最大應(yīng)力位置為撓性板根部固定處，最大應(yīng)力分布如圖9所示，其值為513 MPa，小于彈簧鋼的屈服極限。

圖9 撓性板應(yīng)力分布

4 結(jié)論

水平?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)沖擊點(diǎn)在沖擊臺(tái)的水平中心，被試設(shè)備重心距離沖擊臺(tái)水平中心的距離稱(chēng)為偏心距，由于被試設(shè)備較高，因此偏心力矩很大。為此通過(guò)有限元方法計(jì)算了撓性板導(dǎo)向的水平?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)在正、負(fù)雙波沖擊下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及其撓性板的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)以撓性板作為沖擊試驗(yàn)臺(tái)的導(dǎo)向裝置，雖然在沖擊過(guò)程中撓性板會(huì)儲(chǔ)存彈性勢(shì)能對(duì)輸出沖擊波形有一定影響，但是其輸出響應(yīng)峰值與設(shè)計(jì)要求值偏差較小，能夠滿(mǎn)足沖擊試驗(yàn)臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)波形的要求，所以此方案可行。

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The Strength and Motion Law Analysis of the Horizontal Shock Testing Machine Guided by the Flexible Plate

JIANG Yong-bo, ZHANG Ming-yuan， YAN Ming

( School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang Liaoning 110870， China)

The horizontal shock testing machine can be used to test the impact resistant ability of the shipboard equipments, but the shock testing machine guided by the lead rail possible is likely to occur stuck fault during working. Therefore， the horizontal shock testing machine, which guided by the flexible plate was put forward. To verify the feasibility, using the finite element method to analyze the output waveform of the shock testing machine and the stress distribution of the flexible plate. Then find out the flexible plate stored elastic energy in the process of impact which has a certain influence on the testing waveforms. The test-bed theoretical value of maximal displacement is 94 mm, the calculated value is 89.5 mm, the decrease is 4.8%. The test-bed theoretical value of maximal speed is 4 m/s, the calculated value is 3.93 m/s, the decrease is 1.75%. The test-bed theoretical value of positive wave peak acceleration is 571 m/s2, the calculated value is 532 m/s2, the decrease is 6.8%. The test-bed theoretical value of negative wave peak acceleration is 175 m/s2, the calculated value is183 m/s2, the increase is 4.6%. Therefore, the flexible plate as a guide equipment can satisfy the theoretical requirement of the shock testing machine for waveform.

Shipboard equipments Impact Test-bed Flexible plate Waveform

蔣永博(1990-)，男，碩士，從事艦艇設(shè)備抗沖擊方面的研究。

U661

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