水下爆炸作用下高速攝像機(jī)抗沖隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)特性分析

高浩鵬， 張姝紅， 馮麟涵

(1. 中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)， 大連 116041； 2. 海軍裝備研究院 艦船所，北京 100161)

水下爆炸作用下高速攝像機(jī)抗沖隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)特性分析

高浩鵬1， 張姝紅1， 馮麟涵2

(1. 中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)， 大連 116041； 2. 海軍裝備研究院 艦船所，北京 100161)

以計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)理論為指導(dǎo)，以水下爆炸試驗(yàn)時(shí)高速攝像機(jī)光測(cè)手段的應(yīng)用為背景，設(shè)計(jì)了高速攝像機(jī)的抗沖隔振系統(tǒng)，建立了高速攝像機(jī)抗沖隔振系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型；建模過程引入縮比模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高了模型的可靠性?；谠撃Ｐ停治隽怂卤_擊因子為0.4時(shí)抗沖隔振系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)果表明抗沖隔振系統(tǒng)具有良好的緩沖效果，滿足高速攝像機(jī)的抗沖擊指標(biāo)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了抗沖隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。其中抗沖隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建模、校核及分析方法不失一般性，可應(yīng)用于其它電子設(shè)備。

水下爆炸； 鋼絲繩隔振器； 多體動(dòng)力學(xué)； 高速攝像機(jī)； 縮比模型

電測(cè)和光測(cè)是目前水下爆炸試驗(yàn)中的兩種主要測(cè)量方法[1]，這兩種方法在測(cè)量參數(shù)及應(yīng)用上都有一定的互補(bǔ)性。高速攝影技術(shù)作為一種典型的光測(cè)方法，在水下爆炸試驗(yàn)測(cè)量中應(yīng)用越來越廣泛[2]，其主要實(shí)現(xiàn)水下爆炸試驗(yàn)中目標(biāo)總體毀傷[3]、結(jié)構(gòu)變形、開裂尺寸、破壞形狀、沖擊速度、位移，裝藥氣泡脈動(dòng)，聚能裝藥爆炸射流速度、直徑、長(zhǎng)度等參數(shù)測(cè)量[4]。目前，國(guó)內(nèi)外開展的水下爆炸高速攝影測(cè)量主要在爆炸筒、水池中實(shí)現(xiàn)[5-6]，而在海水中實(shí)現(xiàn)高速攝影測(cè)量的一個(gè)難題就是：受海水的光學(xué)特性、海水的透明度、水下照明光源、高速攝像機(jī)參數(shù)指標(biāo)、拍攝頻率和曝光時(shí)間等因素限制，高速攝影拍攝距離僅有數(shù)米，這就要求高速攝像機(jī)在拍攝時(shí)接受可靠的抗沖隔振措施。

本文研究的目的就是解決高速攝像機(jī)海水中近爆源拍攝的抗沖隔振問題。文中的抗沖隔振研究是在高速攝像機(jī)水下防護(hù)裝置設(shè)計(jì)平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，防護(hù)裝置設(shè)計(jì)主要考慮高速攝像機(jī)尺寸、防護(hù)裝置水動(dòng)力特性、加工制造工藝、強(qiáng)度等因素，為高速攝像機(jī)提供一個(gè)穩(wěn)定安全的承載平臺(tái)，該防護(hù)裝置形狀類似潛艇外形。抗沖隔振研究的內(nèi)容主要涉及高速攝像機(jī)沖擊環(huán)境測(cè)量與分析、隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模、抗沖隔振系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析、試驗(yàn)驗(yàn)證等內(nèi)容。

1 沖擊環(huán)境測(cè)量與分析

高速攝像機(jī)通過抗沖隔振系統(tǒng)安裝于防護(hù)裝置內(nèi)，試驗(yàn)時(shí)防護(hù)裝置遭受近距離水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波等載荷作用，對(duì)抗沖隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先應(yīng)分析其沖擊環(huán)境，文中設(shè)計(jì)縮比模型試驗(yàn)對(duì)其沖擊環(huán)境進(jìn)行測(cè)量與分析。

1.1 縮比模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參照CB/Z 272—2004水面艦艇艙段模型水下爆炸試驗(yàn)方法，水下非接觸爆炸縮比模型比例應(yīng)不小于1∶10，當(dāng)縮比不小于1∶4時(shí)相似性更好[7]，取防護(hù)裝置縮比模型與原結(jié)構(gòu)尺寸比例為1∶3，即縮比模型長(zhǎng)300 mm、外徑110 mm、內(nèi)徑100 mm，材料為316L鋼，整體質(zhì)量為6.3 kg。試驗(yàn)在某單位深水爆炸壓力筒內(nèi)進(jìn)行，縮比模型實(shí)物如圖1所示。

圖1 縮比模型實(shí)物圖

試驗(yàn)根據(jù)沖擊因子由小到大設(shè)計(jì)工況，本文重點(diǎn)分析沖擊因子最大時(shí)的工況，即沖擊因子為0.4。試驗(yàn)時(shí)爆源和防護(hù)裝置水平吊放懸布于爆炸筒內(nèi)，爆源與防護(hù)裝置軸線為同一深度且之間距離1.12 m、爆源藥量為200 gTNT，防護(hù)裝置迎爆面為大端面，加速度測(cè)點(diǎn)焊接在迎爆面內(nèi)側(cè)，示意圖如圖2所示。

圖2 縮比模型設(shè)計(jì)及加速度測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

1.2 測(cè)量結(jié)果及分析

文中主要對(duì)測(cè)點(diǎn)的垂向和軸向加速度進(jìn)行測(cè)量，采樣頻率為50 k，測(cè)量結(jié)果如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)沖擊加速度曲線上主要有兩個(gè)峰值，第一峰值由入射沖擊波載荷作用產(chǎn)生，第二峰值由爆炸筒筒壁反射沖擊波匯聚所導(dǎo)致。入射沖擊波載荷作用的垂向和軸向最大加速度值分別為1 206g和4 226g，反射沖擊波匯聚作用的垂向和軸向最大加速度分別為1 883g和3 990g。對(duì)加速度結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)在頻域2 000 Hz內(nèi)加速度峰值較大，符合沖擊波作用的特點(diǎn)。

2 抗沖隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建模

上小節(jié)主要基于縮比模型試驗(yàn)得到了相應(yīng)工況的沖擊環(huán)境，下文在沒有特殊說明時(shí)所有模型和實(shí)物為實(shí)尺度。

2.1 抗沖隔振系統(tǒng)特性參數(shù)計(jì)算

(a) 垂向

(b) 軸向

(1)

2.2 隔振器選型及安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)軸向剛度計(jì)算數(shù)據(jù)，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其剛度取計(jì)算數(shù)值的上限附近，即軸向上安裝2組GS-15型鋼絲繩隔振器；為了保證抗沖隔振系統(tǒng)固有頻率的一致性，橫向和垂向上各布置6組GS-6型鋼絲繩隔振器。為了確定隔振器的布設(shè)及安裝方式，文中對(duì)防護(hù)裝置進(jìn)行了模態(tài)分析，分析結(jié)果如表1所示，前2階模態(tài)振型如圖4所示。由表1及圖4可知：防護(hù)裝置的第一階頻率遠(yuǎn)高于普通鋼絲繩隔振器的固有頻率；低階模態(tài)主要表現(xiàn)為吸脹，剛度值較大；低階模態(tài)頻率的節(jié)點(diǎn)主要位于結(jié)構(gòu)兩端，隔振器設(shè)計(jì)時(shí)隔振器的位置應(yīng)該靠近兩端；吸脹模態(tài)的角度間隔為120°或者30°，所以在隔振器設(shè)計(jì)時(shí)周向取間隔90°，以避開模態(tài)幅值點(diǎn)。綜上，鋼絲繩隔振器的布設(shè)形式如圖5所示，即2組GS-15型鋼絲繩隔振器分布于后端蓋，12組GS-6型鋼絲繩隔振器45°斜置布設(shè)于圓柱殼體內(nèi)壁周向4處；12組GS-6型鋼絲繩隔振器支撐4根導(dǎo)軌，相機(jī)通過隔振橡膠墊保護(hù)后安裝在相機(jī)安裝支架上，整個(gè)支架通過4根導(dǎo)軌推入到防護(hù)裝置內(nèi)部；為了避免安裝時(shí)對(duì)防護(hù)裝置前端的抗爆玻璃造成損壞，相機(jī)安裝支架與防護(hù)裝置之間設(shè)計(jì)有限位器件。

表1 防護(hù)裝置模態(tài)頻率及振型描述

圖5 鋼絲繩隔振器布設(shè)及安裝結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 抗沖隔振系統(tǒng)建模

在抗沖隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行實(shí)體建模，并建立其計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)分析模型，如圖6所示。其中，相機(jī)安裝支架與導(dǎo)軌之間添加滑移副，即兩者之間在軸向上可以有相對(duì)位移；GS-15和GS-6鋼絲繩隔振器主方向的剛度分別為150 N/mm、60 N/mm，阻尼比取為0.12[9]；沖擊激勵(lì)的加載基于大質(zhì)量法，激勵(lì)源選取縮比模型試驗(yàn)中入射沖擊波階段的加速度數(shù)據(jù)，在多體動(dòng)力學(xué)中通過樣條函數(shù)進(jìn)行加載[10]，加載激勵(lì)時(shí)域曲線如圖7所示(實(shí)線為垂向，虛線為軸向)，加載點(diǎn)位于防護(hù)裝置前端抗爆玻璃中心處。

圖6 隔振系統(tǒng)計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)模型

圖7 沖擊激勵(lì)加載時(shí)域曲線

3 動(dòng)態(tài)特性結(jié)果分析

3.1 加速度結(jié)果校核

加速度值是高速攝像機(jī)一項(xiàng)主要抗沖擊指標(biāo)，故基于文中建立的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)相機(jī)的加速度響應(yīng)進(jìn)行分析?？紤]到模型初始條件，水下爆炸產(chǎn)生的沖擊激勵(lì)加載從0.15 s開始，圖8列出了相機(jī)質(zhì)心的加速度時(shí)域曲線，其中垂向、軸向的最大值分別為64.8g、22.7g，最大值產(chǎn)生于激勵(lì)后的時(shí)間分別為0.6 ms、9.8 ms、，垂向衰減率約為94.7%、軸向衰減率約為99.4%。垂向加速度最大值出現(xiàn)在沖擊激勵(lì)時(shí)間內(nèi)，軸向加速度最大值出現(xiàn)在沖擊激勵(lì)結(jié)束后，主要是由于隔振系統(tǒng)垂向剛度較大，垂向加速度響應(yīng)值大于軸向也是這個(gè)原因。加速度響應(yīng)結(jié)果表明最大值小于高速攝像機(jī)的抗沖擊指標(biāo)，即該工況下高速攝像機(jī)可正常工作。

(a) 垂向

(b) 軸向

3.2 位移結(jié)果校核

為了校核鋼絲繩隔振器工作的可靠性，文中對(duì)鋼絲繩隔振器的動(dòng)態(tài)變形量進(jìn)行了分析。圖9為GS-15隔振器動(dòng)態(tài)變形曲線，其垂向和軸向最大變形分別為2.7 mm、10.7 mm，對(duì)應(yīng)的時(shí)刻分別為沖擊激勵(lì)后2.8 ms、12.7 ms；可見，最大變形時(shí)刻都出現(xiàn)在激勵(lì)結(jié)束后，最大變形量小于該隔振器的允許值22 mm。

圖9 GS-15隔振器動(dòng)態(tài)變形時(shí)域曲線

圖10中(a)為一條導(dǎo)軌上3個(gè)GS-6隔振器的動(dòng)態(tài)變形曲線，對(duì)應(yīng)的垂向幅值分別為6.0 mm、4.6 mm、3.6 mm，對(duì)應(yīng)的時(shí)刻分別為沖擊激勵(lì)后5.9 ms、5.1 ms、3.8 ms，順序?yàn)橐来螐挠嗣娴轿膊垮F形?？梢园l(fā)現(xiàn)，最大變形時(shí)刻也都出現(xiàn)在激勵(lì)結(jié)束后，最大變形量小于該隔振器的允許值26 mm。圖10中(b)為靠近迎爆面GS-6隔振器的軸向動(dòng)態(tài)變形曲線，理論分析導(dǎo)軌與相機(jī)安裝支架之間可以產(chǎn)生相對(duì)位移進(jìn)而GS-6隔振器在軸向不會(huì)產(chǎn)生變形，但由于導(dǎo)軌與相機(jī)安裝支架之間摩擦力的作用使得GS-6隔振器在軸向產(chǎn)生小的變形。另外分析可以發(fā)現(xiàn)：所有隔振器的變形使得相機(jī)安裝支架產(chǎn)生剛性位移，但位移量較小，即保證了高速攝像機(jī)工作的穩(wěn)定性，使得高速攝像機(jī)可正常對(duì)焦。

(a) 垂向

(b) 軸向

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)抗沖隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，加工制作的防護(hù)裝置和抗沖隔振系統(tǒng)實(shí)體如圖11所示。依據(jù)沖擊波載荷爆炸相似等效性，選用1 kg黑索金作為爆源，爆源與防護(hù)裝置懸布于海水中且距海面距離相同，爆源距攝像機(jī)防護(hù)裝置前端距離3.54 m，在海水中實(shí)施2次爆炸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)攝像機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行檢查。試驗(yàn)主要對(duì)自由場(chǎng)壓力進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明：在爆源為1 kg黑索金、防護(hù)裝置前端沖擊波峰值壓力為15.1 MPa的爆炸條件下，攝像機(jī)工作正常，即抗沖擊緩沖裝置性能滿足攝像機(jī)抗沖擊防護(hù)要求。

(a) 防護(hù)裝置

(b) 隔振系統(tǒng)

4 結(jié) 論

本文主要針對(duì)高速攝像機(jī)海水中近爆源拍攝時(shí)抗沖隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建模及動(dòng)態(tài)校核的方法進(jìn)行研究。其中，設(shè)計(jì)過程主要包括隔振系統(tǒng)的特性參數(shù)初步計(jì)算、鋼絲繩隔振器選型與安裝方式、隔振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等問題；建模主要基于計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)方法，沖擊激勵(lì)的添加基于縮比模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高了模型的可靠性；動(dòng)態(tài)校核基于文中建立的多體動(dòng)力學(xué)模型，主要針對(duì)加速度和位移兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行校核，結(jié)果表明抗沖隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。文中在實(shí)際系統(tǒng)加工完成后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了抗沖隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性，結(jié)果表明高速攝像機(jī)在相應(yīng)工況下可正常工作。文中設(shè)計(jì)及分析過程可反復(fù)計(jì)算進(jìn)而對(duì)隔振系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，過程不失一般性，可應(yīng)用于水下爆炸作用時(shí)電子設(shè)備的抗沖防護(hù)，不足之處是建模過程中未能考慮到橡膠墊的緩沖作用、鋼絲繩隔振器的非線性特性以及實(shí)際安裝時(shí)鋼絲繩隔振器的預(yù)壓縮變形等。

[1] 黃正平.爆炸與沖擊電測(cè)技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[2] 唐孝容，高寧，郝建中，等.高速攝影技術(shù)在常規(guī)戰(zhàn)斗部實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].彈道與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2010,30(3)：105-106.

TANG Xiaorong，GAO Ning，HAO Jianzhong，et al.Application of high-speed photography to experiment of warhead[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2010,30(3)：105-106.

[3] 倪寶玉，張阿漫.氣泡高速攝影和載荷測(cè)試技術(shù)綜述[J].力學(xué)與實(shí)踐，2013，35(6):11-18.

NI Baoyu，ZHANG Aman.The review of high-speed imaging and load test technologies for bubble dynamics[J].Mechanics in Engineering，2013,35(6):11-18.

[4] 郭劉偉，曹仁義，龐勇，等.聚能射流水中侵徹行為的實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2015，30(1):111-116.

GUO Liuwei，CAO Renyi，PANG Yong，et al．Experimental investigation on water penetration behavior of shaped charge jet[J].Journal of Experimenta Mechanics，2015，30(1):111-116.

[5] 朱錫,牟金磊, 洪江波,等．水下爆炸氣泡脈動(dòng)特性的試驗(yàn)研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28(4)：365-368．

ZHU Xi，MU Jinlei，HONG Jiangbo，et al．Experimental study of characters of bubble impulsion induced by underwater explosions[J].Journal of Harbin Engineering University，2007，28(4)：365-368．

[6] BRETT J M, BUCKLAND M, TURNER T，et al.An experimental facility for imaging of medium scale underwater explosions[R].DSTO-TR-1432．

[7] 張海鵬，岳永威，蘇羅青，等.水下爆炸作用下艦船總縱強(qiáng)度模型實(shí)驗(yàn)方案研究[J]．振動(dòng)與沖擊，2012,31(6):175-180.

ZHANG Haipeng，YUE Yongwei，SU Luoqing，et al．Model experimental scheme for longitudinal strength of a warship subjected to underwater explosion[J].Journal of Vibration and Shock，2012,31(6):175-180.

[8] 周桐，張思箭，李?。娮悠骷粽裨O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究[J]．實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2006，21(3)：387-392．

ZHOU Tong，ZHANG Sijian，LI Jian．A experimental study on isolation design of electronic equipment[J]. Journal of Experimenta Mechanics，2006，21(3)：387-392．

[9] 孫洪軍，錢網(wǎng)生．拱形鋼絲繩隔振器沖擊特性研究[J]．噪聲與振動(dòng)控制，2005,25(5):7-9．

SUN Hongjun，QIAN Wangsheng．Study on shock characteristics of the arch type steel wire isolators[J].Noise and Vibration Control，2005，25(5):7-9．

[10] 謝向榮，俞翔，朱石堅(jiān)．基于柔性多體動(dòng)力學(xué)理論的艦船機(jī)械設(shè)備隔振系統(tǒng)建模[J]．振動(dòng)與沖擊，2009,28(9):200-203.

XIE Xiangrong,YU Xiang,ZHU Shijian．Modeling vibration isolation system of an on-board machinery based on flexible multibody dynamics theory[J].Journal of Vibration and Shock，2009,28(9):200-203.

Design and dynamic characteristics analysis for a high-speed camera’santi-shock and vibration isolation system subjected to underwater explosion

GAO Haopeng1， ZHANG Shuhong1， FENG Linhan2

(1. Unit 91439 of PLA， Dalian 116041， China； 2. Institute of Navy Vessels, Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)

With the instruction of the computational multi-body dynamics theory, taking optical measurement application in high-speed camera under underwater explosion tests as the background, the anti-shock and vibration isolation system of the high-speed camera was designed, then the multi-body dynamic model for the system was constructed. The reliability of the modeling process based on the scale model test data was improved. Based on the model, the dynamic characteristics of the system were analyzed under the underwater explosion test condition with the shock factor of 0.4. The results showed that the designed system has a good buffering effect and the system meets the anti-shock requirements of the high-speed camera; the design correctness of the system is validated with tests; the design, modeling and analysis method here can be widely applied in other electronic equipments.

underwater explosion; wire-rope isolator; multi-body dynamics; high-speed camera; scale model

國(guó)家自然科學(xué)基金(51209215)

2015-12-08 修改稿收到日期：2016-02-18

高浩鵬 男，博士，工程師，1986年生

TB532

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.09.031