三向大變形抗沖擊平臺仿真技術研究

郭云松，張 乾，彭勇晟，丁 煒

（中國船舶重工集團公司第七○四研究所，上海 200031）

三向大變形抗沖擊平臺仿真技術研究

郭云松，張 乾，彭勇晟，丁 煒

（中國船舶重工集團公司第七○四研究所，上海 200031）

隨著現(xiàn)代艦船試驗沖擊環(huán)境嚴酷度的提高，需對沖擊試驗測量用儀器進行更有效的沖擊防護?？箾_擊儀器平臺通過三向大變形抗沖擊設計，并運用沖擊仿真技術研究為試驗用測量儀器提供一個可靠穩(wěn)定的抗沖擊工作環(huán)境，同時提供可靠穩(wěn)定的電源環(huán)境以及便捷的操作空間?？箾_擊平臺選用大變形空氣彈簧，采取拼裝式框架設計，樣機的實船安裝滿足了平臺的安裝功能要求。仿真計算結果說明三向大變形抗沖擊平臺方案所選用的抗沖擊元件能夠滿足臺體的變形位移要求，所選取的臺體材料在沖擊環(huán)境下未超出其許用應力范圍。

振動與波；大變形，抗沖擊，抗沖平臺，空氣彈簧，UPS

實船水下爆炸沖擊試驗是艦船抗沖擊技術研究的重點內容[1–2]，試驗結果通過在試驗過程中所采集的各種信號數(shù)據(jù)進行判斷及分析[3–4]，試驗沖擊環(huán)境為強沖擊環(huán)境，當前測試單位在試驗過程中所使用的測試、測量儀器大多為試驗室、工業(yè)級測試測量設備，主要包括動態(tài)信號采集儀、電荷放大器、控制計算機及不間斷電源等，本身耐沖擊能力較弱，無法滿足實船試驗的需求。因此對測試儀器進行穩(wěn)妥、可靠的沖擊防護，測量數(shù)據(jù)能夠可靠地獲取是整個防護研究的重點。

三向大變形抗沖擊平臺采用具有大變形能力的空氣彈簧作為緩沖元件，用以吸收瞬態(tài)沖擊能量，并配有阻尼氣室對沖擊能量進行阻尼損耗。為保證測量儀器在試驗全過程可正常工作，降低平臺系統(tǒng)頻率、增加變形空間成為主要設計方向。

1 抗沖擊平臺結構設計

根據(jù)實際使用的環(huán)境狀態(tài)，抗沖擊平臺需滿足：臺面尺寸不小于1.2 m×1.2 m，能夠完成現(xiàn)有艙室內安裝，并可便捷化固定試驗測試儀器，集成化供電，同時在所預測強沖擊環(huán)境條件下，平臺所承載測試儀器三向沖擊加速度響應不大于10 g的功能要求。

1.1 抗沖擊平臺結構組成

根據(jù)抗沖擊平臺的需求，選用具有大變形能力的低頻三球體空氣彈簧（FT76-20型）作為主要的抗沖擊元件，通過輔助氣室設計調節(jié)空氣彈簧系統(tǒng)阻尼以保證平臺系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時盡可能選取了標準化、輕量化型材用于平臺結構的模塊化拼裝設計。抗沖擊平臺主要由：工作平臺、空氣彈簧、輔助氣室、橫向支座及UPS電源等模塊組成，結構示意如圖1。

圖1 抗沖擊平臺結構示意圖

1.2 抗沖擊平臺結構設計

抗沖擊平臺多為現(xiàn)役船舶加改裝使用，在設計過程中需考慮可拆裝設計以便搬運與組裝[5]。工作平臺尺寸較大，同時沖擊環(huán)境下受力復雜，其結構設計是重點。工作平臺選用鋼質型材通過搭接組合成“井”字結構后采用螺栓緊固而形成的框架結構作為主要承載結構，工作平臺框架部套件及組裝示意如圖2所示。

圖2 工作平臺框架組合示意圖

由于各次測量任務所選用儀器組合的差異性及臺面輕量化考慮，臺面選用高硬度鋁合金型材拼裝鋪設，型材自身具有固定儀器設備用的槽口，根據(jù)測試儀器的布放位置先安裝固定用拉手，然后通過扎帶棘輪靈活固定測試儀器，臺面所用型材結構示意如圖3所示。

圖3 臺面型材結構示意圖

1.3 抗沖擊平臺組裝

根據(jù)結構拼裝設計，抗沖擊平臺安裝時首先將“輔助氣室”、“橫向支座”及“空氣彈簧”按結構布置要求通過螺栓安裝于設備基座上，安裝示意如圖4所示。

圖4 輔助氣室等安裝示意圖

在艙室內組裝工作平臺框架后，將框架結構與圖4所示的空氣彈簧相連接。根據(jù)工作平臺框架的工作高度完成空氣彈簧充氣工作，安裝示意如圖5所示：

圖5 平臺框架組裝示意圖

最后完成臺面鋪板及測試所用儀器設備的安裝工作。

根據(jù)平臺結構設計方案，按照1:1尺寸制造了抗沖擊平臺的樣機，平臺樣機結構及實船安裝如圖6所示。

圖6 抗沖擊平臺樣機

抗沖擊平臺采用框架結構搭接，螺栓、螺母緊固方式，安裝可靠方便，儀器布置靈活，可滿足現(xiàn)場實際使用的需求。

2 抗沖擊平臺動力學計算

2.1 工作模態(tài)計算

抗沖擊平臺的工作模態(tài)可以反映出，當儀器設備固定于平臺后，成為工作系統(tǒng)的穩(wěn)定性情況，通過模態(tài)計算可以得到抗沖擊性能的初步評估結論。圖1所示平臺結構經(jīng)適當簡化后，采用MSC公司的仿真軟件進行計算[6–8]。臺體采用MSC.Patran軟件實體建模，UPS電源及搭載儀器采用質點簡化，UPS及測量設備作為質點通過MPC與臺體連接?？箾_擊平臺模態(tài)由MSC.Nastran有限元軟件計算。有限元計算模型見圖7。

圖7 抗沖擊平臺有限元計算模型

單元類型：

1)零維MASS質點單元；

2)二維BUSH彈簧單元；

3)三維SOLID實體單元。

邊界條件：采用基礎連接螺栓位置全自由度約束。

材料的計算參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

空氣彈簧性能參數(shù)根據(jù)產(chǎn)品樣本中“力-高度”曲線進行估算，計算參數(shù)如表2所示。

表2 彈性元件參數(shù)/(N?mm-1)

經(jīng)計算，平臺系統(tǒng)前10階固有頻率如表3所示。前6階為平臺系統(tǒng)頻率，頻率較低，有利于沖擊緩沖，沖擊變形較大。第7階模態(tài)為臺體作為彈性體的扭轉模態(tài)，頻率為102.17 Hz；第8階模態(tài)為臺體彎曲模態(tài)，頻率為106.39 Hz；第9階、第10階為平臺面板局部模態(tài)，頻率為125.63 Hz和128.84 Hz。由計算可知，平臺剛性較好，可以避免沖擊發(fā)生時局部共振對測試設備的影響。

表3 模型前10階頻率/Hz

2.2 抗沖擊計算

根據(jù)抗沖擊平臺安裝位置預測的垂向及橫向輸入沖擊環(huán)境要求（如圖8），進行臺面加速度響應、臺面沖擊相對位移及臺體結構沖擊應力響應的預測仿真計算，計算采用MSC.Nastran軟件的瞬態(tài)時域沖擊模塊進行仿真計算并分析。

經(jīng)計算抗沖擊平臺臺面最大加速度響應及臺面最大相對沖擊位移如表4所示，計算結果顯示兩個方向上沖擊最大加速度響應均小于10 g，滿足技術指標要求。

由于工作平臺與輔助氣室、橫向支座之間采用大變形空氣彈簧連接，工作平臺在瞬態(tài)沖擊完成后進行低頻大位移震蕩，空氣彈簧兩側結構件在整個沖擊歷程中最大結構應力發(fā)生的時刻點不同，因此，分別選取空氣彈簧兩側結構件的最大沖擊應力進行分析。輔助氣室及橫向支座最大沖擊應力響應云圖如圖9(a)和9(c)所示，工作平臺最大沖擊應力響應云圖如圖9 (b)和圖9(d)所示。由結果可以得出兩個方向上沖擊響應的最大應力為134 MPa，發(fā)生在工作平臺結構與空氣彈簧連接處，如圖9(b)所示，小于選用材料的許用應力，工作平臺在實際使用中是安全的。

圖8 輸入時域波形

圖9 沖擊應力響應結果

表4 沖擊響應計算結果

3 結語

抗沖擊平臺選用了大變形空氣彈簧，作為抗沖擊元件采取了拼裝式框架設計，樣機的實船安裝滿足了平臺的安裝功能要求。

通過大型仿真計算軟件從沖擊最大響應加速度、沖擊相對位移、結構最大沖擊應力等方面的仿真計算結果說明三向大變形抗沖擊平臺方案所選用的抗沖擊元件能夠滿足圖8沖擊環(huán)境下臺面加速度響應垂向與水平向均小于10 g的要求，同時所選取的臺體材料在沖擊環(huán)境下滿足許用應力范圍。

抗沖擊平臺具有優(yōu)異的抗沖擊性能，設計技術與方案可行，但由于現(xiàn)有條件限制，沖擊機不能完全按照圖4所示仿真輸入曲線進行沖擊輸入，實際抗沖擊效果可待實船試驗進一步驗證。

[1]吳靜波.實船水下爆炸沖擊試驗測量技術[J].科技導報，2009，27(14)：42-47.

[2]劉建湖.艦船非接觸水下爆炸動力學的理論與應用[D].無錫：中國船舶科學研究中心，2003.

[3]羅松林.水下爆炸研究現(xiàn)狀[J].工程爆破，1999，3：84-87.

[4]蔣國巖.水下爆炸研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向展望[J].科技導報，2009，27(9)：87-90.

[5]郭云松.測試儀器緩沖技術及平臺研究[J].噪聲與振動控制，2012，32(6)：74-77.

[6]MSC軟件公司.MSC產(chǎn)品實用技術技巧[M].北京：中國水利水電出版社，2006：289-302.

[7]趙應龍.船舶浮筏隔振系統(tǒng)沖擊響應的時域計算[J].噪聲與振動控制，2004，24(2)：14-17.

[8]田利思.MSC Nastran動力分析指南[M].北京：中國水利水電出版社，2012：84-93.

Simulation ofAnti-shock Buffering Platform with Large Deformations in 3 Directions

GUO Yun-song,ZHANG Qian,PENG Yong-sheng,DING Wei
（704 Institute of CSIC,Shanghai 200031,China）

The equipment for impact testing needs effective buffering protection under the rigorous shock environment. A new buffering platform with 3-direction large deformations can provide a reliable working environment for the testing equipment on the platform.Meanwhile,it can provide a stable power supply and a sufficiently large operating space in the progress of impact test.Buffering platform is an elastic platform that consists of large deformations air spring swith air damping cavity,which configures an isolation transformer and a continuous high power supply from the ship electrical power system.Based on the numerical analysis by MSC.Nastran software,laboratory test and practical equipment impact test,it is demonstrated that the buffering platform with the testing equipment is a necessary protection device for reliably acquiring testing data during the impact test.

vibration and wave;large deformation;anti-shock buffering;platform;air spring;UPS

V216.+5

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.03.037

1006-1355(2017)03-0185-04

2017-01-16

郭云松（1979－），男，遼寧省喀左縣人，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向為船舶輔機設備減振降噪抗沖擊研究。E-mail:kayunsong@163.com