一種優(yōu)化大型浮動沖擊平臺輸入環(huán)境的斜擋板結(jié)構(gòu)設(shè)計

馮麟涵，韓璐，楊勇，史少華

1海軍研究院，北京100161

2哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

0 引 言

艦載設(shè)備的抗沖擊能力對艦船生命力至關(guān)重要。為了提高艦載設(shè)備的抗沖擊能力，需要對關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行沖擊試驗。目前，針對輕型設(shè)備或體積較小的設(shè)備，多采用沖擊試驗機(jī)進(jìn)行試驗；針對體積或重量較大的設(shè)備，則多采用中型或標(biāo)準(zhǔn)浮動沖擊平臺進(jìn)行試驗，并建立了比較成熟的設(shè)備抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)，例如美國軍標(biāo)MIL-S-901D［1］和德國軍標(biāo) BV043/85［2］。

為了模擬實戰(zhàn)狀況，同時考慮到實船爆炸試驗耗費(fèi)巨大等因素，各國對浮動沖擊平臺的沖擊環(huán)境進(jìn)行了大量研究［3-4］。宋敬利等［5］給出了浮動沖擊平臺岸基試驗的實施方法以及海上試驗測量設(shè)備的安裝方法；李國華等［6］測量并分析了浮動沖擊平臺水下爆炸的沖擊譜；陳高杰等［7］基于聲固耦合法對小型浮動沖擊平臺進(jìn)行了數(shù)值仿真計算，并通過試驗驗證了仿真結(jié)果的可靠性；張瑋［8］利用有限元法分析了艦載設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)浮動沖擊平臺和大型浮動沖擊平臺上的響應(yīng)特征；王軍［9］利用有限元法對比了幾種不同結(jié)構(gòu)中型浮動平臺的沖擊響應(yīng)特征，得出中型浮動沖擊平臺的最佳設(shè)計結(jié)構(gòu)。對于新研制的浮動沖擊平臺，其結(jié)構(gòu)尺寸和考核能力都會與以往的浮臺不同；針對不同重量的考核設(shè)備，要求其提供的沖擊環(huán)境必須滿足國軍標(biāo)中的譜值以及橫向與垂向的沖擊強(qiáng)度比例（以下簡稱“橫垂比”）等沖擊指標(biāo)要求。根據(jù)以往的研究經(jīng)驗，沖擊環(huán)境的橫垂比并不能達(dá)到預(yù)期要求。此外，作為一種非標(biāo)試驗系統(tǒng)，在使用前必須進(jìn)行沖擊環(huán)境標(biāo)定試驗，以考察其所能提供的考核能力。

本文以小型及中型的浮動沖擊平臺為參考藍(lán)本，擬設(shè)計并建造一種新型大型浮動沖擊平臺（LFSP）及增加沖擊載荷的斜擋板結(jié)構(gòu)。首先，采用有限元方法建立LFSP及斜擋板的三維有限元模型，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4種工況下，利用ABAQUS軟件對LFSP進(jìn)行水下爆炸試驗?zāi)M。然后，開展相同工況下的水下爆炸標(biāo)定試驗。最后，分析處理爆炸試驗得到的信號，并與仿真結(jié)果進(jìn)行相似性分析，以驗證計算模型的合理性及仿真結(jié)果的有效性，獲取LFSP在標(biāo)準(zhǔn)工況下提供的考核能力。

1 有限元模型

1.1 LFSP及水域模型的建立

新研制的LFSP主尺度型寬、型深、船長分別為9.1，7和19 m，為一方形駁船結(jié)構(gòu)，兩側(cè)及艏、艉是抗沖擊圍壁，相當(dāng)于艦船的艙段，其最大承載量可達(dá)200 t，超過了美國浮動沖擊平臺所能考核設(shè)備的最大質(zhì)量［1］。作為一種非標(biāo)試驗系統(tǒng)，在其使用前必須進(jìn)行沖擊環(huán)境的標(biāo)定試驗，以考察LFSP所能提供的沖擊環(huán)境能力。首先，對LFSP進(jìn)行有限元分析，利用ABAQUS軟件建立的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，其中圖1（a）為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分后的半剖面效果，圖1（b）為舷側(cè)和浮臺底部的局部放大圖。采用該模型研究水下爆炸載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，因結(jié)構(gòu)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系對仿真結(jié)果的影響較大，故適當(dāng)減小網(wǎng)格尺寸，增加網(wǎng)格數(shù)量和節(jié)點(diǎn)，可更準(zhǔn)確地獲得節(jié)點(diǎn)仿真數(shù)據(jù)。網(wǎng)格劃分結(jié)果如下：浮臺單元網(wǎng)格尺寸為0.05 m（包括外板、梁、舷側(cè)肋骨等），結(jié)構(gòu)總體節(jié)點(diǎn)共計60×104個，單元共計62×104個。

圖1 LFSP有限元模型Fig.1 Finite element model of the LFSP

在數(shù)值仿真中，與結(jié)構(gòu)相比，流場的尺寸較大，兩端半球形流場的直徑為6倍浮臺型寬，即54.6 m。相關(guān)有限元分析經(jīng)驗表明，在水下爆炸數(shù)值仿真中，流場外部網(wǎng)格尺寸為流場與結(jié)構(gòu)耦合處網(wǎng)格尺寸的4～6倍。由于本文模型的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格較小，在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，若流場與結(jié)構(gòu)耦合處網(wǎng)格尺寸與結(jié)構(gòu)一致，則流場網(wǎng)格數(shù)量會因過于龐大而存在計算周期長、計算結(jié)果可能不收斂的情況。因此，設(shè)流場與結(jié)構(gòu)耦合處網(wǎng)格尺寸為0.25 m，流場外部網(wǎng)格取為內(nèi)部網(wǎng)格的4倍，即1 m，流場節(jié)點(diǎn)共計 12.8×104個，單元共計 71×104個。圖2（a）為流場網(wǎng)格劃分效果圖，圖2（b）為流場外部及流場與結(jié)構(gòu)耦合處的局部放大圖。

1.2 斜擋板結(jié)構(gòu)的建立

為了激發(fā)LFSP多階模態(tài)的響應(yīng)，需要為其提供更大的沖擊能量。根據(jù)已有經(jīng)驗，增加TNT藥量不足以為LFSP提供橫向沖擊能量，并且TNT藥量過大還會導(dǎo)致垂向沖擊能量超過允許值，無法滿足標(biāo)準(zhǔn)中沖擊環(huán)境的橫垂比要求。為此，設(shè)計了一種斜擋板結(jié)構(gòu)來解決此問題。斜擋板模型剖面左視圖為三角形，斜面與長邊和短邊封閉，沿LFSP方向的長度為19 m。但在工藝處理過程中發(fā)現(xiàn)，由于結(jié)構(gòu)的特殊性，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接及安放支撐結(jié)構(gòu)時該斜擋板長度無法滿足浮臺實現(xiàn)對接安裝的條件，因此對斜擋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，沿長度方向縮減了3 m，即結(jié)構(gòu)兩端各減少1.5 m，修改后全長為16 m。斜擋板結(jié)構(gòu)安裝在浮臺正下方居中位置，斜擋板三角形的短邊端面與浮臺舷側(cè)平齊。在三角形斜面與兩直角邊接觸處，為了滿足焊接施工要求，將接觸處分別向左和向下垂直延伸了0.3 m再安裝斜面，如圖3所示。

圖2 流場網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh division of flow field

圖3 斜擋板側(cè)面更改示意圖Fig.3 Schematic diagram for the modification of oblique baffle side

LFSP舷側(cè)與底部交界處為圓弧過渡，而斜擋板為直角結(jié)構(gòu)，為此，建立了如圖4（a）所示的細(xì)長板，將兩者連接起來；而在數(shù)值模擬過程中，LFSP模型外形為長方體，因此斜擋板與LFSP采用如圖4（b）所示的直角連接方式。

1.3 模型耦合

耦合作用主要體現(xiàn)在不同屬性物質(zhì)的交界面上，以保證耦合面上單元節(jié)點(diǎn)在載荷作用下力及位移等傳遞的一致性。針對本文的水下爆炸仿真，模型耦合分為結(jié)構(gòu)耦合（即LFSP與斜擋板）和流固耦合（即總體結(jié)構(gòu)與流域）2種。

斜擋板結(jié)構(gòu)直角邊的長度為5.6 m，在實際建造過程中，直角邊被LFSP底部外底板代替。而在模型中，為了更準(zhǔn)確地描述斜擋板與LFSP之間的連接作用，可對長為5.6 m的直角邊賦予較小的厚度值，將其與LFSP外底板耦合，實現(xiàn)2種結(jié)構(gòu)的相互連接，這樣不會對結(jié)構(gòu)響應(yīng)等造成影響，同時也給建模帶來了極大的便利。圖5所示為LFSP與斜擋板的耦合效果圖。耦合時，采用ABAQUS軟件的tie連接浮臺和斜擋板耦合單元。

圖4 斜擋板與LFSP的連接情況Fig.4 The connection between oblique baffle and LFSP

圖5 LFSP與斜擋板的耦合Fig.5 Coupling of LFSP and oblique baffle

通過耦合，在外載荷作用下，保證了力在結(jié)構(gòu)中的傳遞。然后，施加一定的爆炸激勵載荷，使結(jié)構(gòu)和流場進(jìn)一步耦合，便可達(dá)到載荷傳遞的效果。耦合過程中，需分別定義結(jié)構(gòu)與流場的耦合單元，如圖6（a）和圖6（b）所示。圖6（c）為流固耦合模型。

圖6 總體與流場的耦合Fig.6 Coupling of ensemble and flow field

2 數(shù)值模擬及爆炸試驗

2.1 測點(diǎn)及仿真工況的設(shè)置

為了獲取仿真過程中LFSP的沖擊環(huán)境，在其內(nèi)底板均勻布置8個測點(diǎn)，測量垂向、橫向及縱向的沖擊響應(yīng)信號，即每種工況測得24個數(shù)據(jù)，測點(diǎn)分布如圖7所示。圖中，圓圈代表測點(diǎn)位置，數(shù)字代表傳感器標(biāo)號，依次為橫向、縱向及垂向。參考GJB150.18-1986標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的考核工況［10］，對圖8所示的4種工況進(jìn)行數(shù)值模擬。圖中，H為爆源深度，L為爆源距離，工況括號內(nèi)數(shù)值為配重質(zhì)量。對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，濾掉過大的高頻響應(yīng)和過小的低頻響應(yīng)。進(jìn)一步分析試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，LFSP內(nèi)底板的迎爆面與背爆面數(shù)據(jù)差異不大，為便于統(tǒng)計分析，將各工況測點(diǎn)的均值作為其試驗值，結(jié)果如表1所示。表中，D為譜位移，V為譜速度，A為譜加速度。

圖7 測點(diǎn)位置示意圖Fig.7 Schematic diagram of testing points

圖8 LFSP工況設(shè)置Fig.8 Conditions of the LFSP

表1 仿真計算譜均值Table 1 Mean of simulated spectrum

通過分析表1中數(shù)據(jù)可知：在H及配重質(zhì)量一定時，對比工況1與工況2的沖擊譜值，得到垂向譜位移值增加最大約為21%，這是因為爆源距離L的減小相當(dāng)于增大了沖擊因子；在爆源距離L及配重質(zhì)量一定時，對比工況3和工況4的沖擊譜值，得到縱向譜位移下降最大約為37%，同樣，爆源深度H的減小相當(dāng)于增大了沖擊因子；在爆源深度H及爆源距離L一定時，對比工況2和工況3的沖擊譜值，得到橫向加速度增加最大約為74%，這是因為隨著配重質(zhì)量的增加，LFSP的吃水量增大，而由于藥包深度不變，故相當(dāng)于減小了爆距，增大了沖擊因子。同時，配重質(zhì)量的增加使整個系統(tǒng)的質(zhì)量也加大了，總體上，越重的配重在LFSP中的沖擊響應(yīng)越小，產(chǎn)生的沖擊環(huán)境較重量輕的配重也有所衰減。

2.2 LFSP水下爆炸試驗

為了更好地說明LFSP所能提供的沖擊環(huán)境，對新型LFSP進(jìn)行加工，并進(jìn)行水下爆炸試驗，采集了與上述仿真相同的8個測點(diǎn)的信號。加速度是標(biāo)定試驗需要測量的重要物理量，既可分析、衡量沖擊強(qiáng)度，又可用于生成沖擊環(huán)境，因此，試驗中采用加速度傳感器采集信號，采集頻率為40 kHz。工況中某一傳感器的安裝情況如圖9所示。圖10為LFSP水下爆炸試驗實況。

圖9 傳感器安裝位置Fig.9 The installation of the sensor

圖10 爆炸試驗實況Fig.10 The explosion experiment

3 試驗數(shù)據(jù)處理

3.1 測量信號分析

試驗獲得的數(shù)據(jù)并非完全可用，因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選，通過繪制原始試驗數(shù)據(jù)的時歷曲線圖，剔除數(shù)據(jù)中典型的野點(diǎn)數(shù)據(jù)。進(jìn)一步分析測量信號，發(fā)現(xiàn)其中含有大量的低頻成分，對其進(jìn)行簡單分析歸類，主要分為以下3種：第1種是傳感器測量數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的零漂信號，它通常是一種規(guī)律不明的低頻信號；第2種是LFSP平臺橫搖和升沉運(yùn)動、總彎曲振動及總扭轉(zhuǎn)振動等產(chǎn)生的低頻信號；第3種是沖擊載荷作用引發(fā)的結(jié)構(gòu)低頻振動，振動理論中稱之為伴隨振動和強(qiáng)迫振動，但因輸入載荷周期與系統(tǒng)固有周期相比很小，所以可以認(rèn)為系統(tǒng)只存在固有振動，可忽略此低頻信號。通過前期分析，LFSP一階扭轉(zhuǎn)振動固有頻率為9 Hz，一階彎曲固有頻率為25 Hz，搖擺和升沉運(yùn)動的固有頻率范圍為0.2～0.9 Hz。根據(jù)經(jīng)驗，零漂信號主要在搖擺和升沉頻率上產(chǎn)生混疊，可以采用如下方法剔除這2種低頻信號：完全從試驗信號中剔除9 Hz以下的低頻信號，然后再將剛體運(yùn)動頻率信號補(bǔ)償?shù)皆囼炐盘栔小?/p>

已有研究證明，在近距爆炸條件下，水下爆炸可以認(rèn)為是球面沖擊波作用于船體底部，然后向四周擴(kuò)展的過程。由于有限元數(shù)值仿真過程中沒有考慮重力對計算結(jié)果的影響，因而LFSP剛體運(yùn)動引起的振動響應(yīng)未被充分考慮。而LFSP底部完全符合平板理論要求，為考慮其影響，本文采用tailor平板理論對其進(jìn)行研究。以某一測點(diǎn)的加速度經(jīng)過濾除低頻信號及再增加剛體運(yùn)動信號作用為例，比較改變前、后的沖擊譜，結(jié)果如圖11所示。由圖可知，其與原始LFSP仿真數(shù)據(jù)的區(qū)別在于，僅對極低頻率沖擊環(huán)境產(chǎn)生影響，對于設(shè)計譜曲線基本無影響，可忽略不計。因此，在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中不再考慮剛體運(yùn)動的低頻信號。

圖11 沖擊譜對比Fig.11 Shock spectrum comparison

3.2 試驗與仿真相似性分析

通過第3.1節(jié)的分析可知，試驗數(shù)據(jù)中需要剔除的低頻信號主要是虛假的零漂信號。本文將基于EMD算法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。EMD算法基于數(shù)據(jù)時域局部特征，其基本思想是：對一給定信號，先獲得信號的極值點(diǎn)，通過樣條插值擬合獲得信號包絡(luò)，然后再求得包絡(luò)均值［11-12］。在樣條插值過程中，若數(shù)據(jù)在2個端點(diǎn)處存在極值點(diǎn)，則在此過程中就會產(chǎn)生擬合誤差，為減少這種端點(diǎn)效應(yīng)，對信號序列進(jìn)行數(shù)據(jù)鏡像延拓。

在處理過程中，本著先延拓后修剪的原則，將原始試驗信號在端點(diǎn)位置處進(jìn)行對稱，獲得延拓后的信號序列，然后再對每組信號做EMD分解并去掉延拓部分，重新組合數(shù)據(jù)序列得到加速度時歷數(shù)據(jù)?；谝陨蠑?shù)據(jù)處理步驟，對截取及篩選預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行沖擊環(huán)境計算，共計算了原始沖擊譜、鏡像EMD降噪、傳統(tǒng)EMD降噪、鏡像EMD降噪與高通濾波及仿真的沖擊譜，并分別將工況1的10號和14號傳感器的仿真沖擊譜與EMD等處理方法的沖擊譜進(jìn)行對比，結(jié)果如圖12和圖13所示。

由圖12和圖13可知：原始數(shù)據(jù)沖擊譜在中頻和高頻段與標(biāo)準(zhǔn)三折線譜有相同的趨勢，而在低頻段則出現(xiàn)了明顯的失真現(xiàn)象；經(jīng)傳統(tǒng)EMD降噪的沖擊譜，濾除成分過多，且將水下爆炸產(chǎn)生的氣泡脈動頻率成分也去除掉了，失去了原始數(shù)據(jù)的真實性；經(jīng)鏡像EMD降噪的沖擊譜，中頻和高頻段的修正性較好，但低頻段的修正效果不顯著，沒有出現(xiàn)明顯的位移譜趨勢。為此，對數(shù)據(jù)做高通濾波處理，處理后的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)三折線譜及仿真譜貼合性較好。將4種工況的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用橫向和垂向譜速度簡單分析試驗與仿真的相似性，結(jié)果如表2所示。

圖12 工況1的10號傳感器的沖擊譜Fig.12 Shock spectrum of the 10th sensor in case 1

圖13 工況1的14號傳感器的沖擊譜Fig.13 Shock spectrum of the 14th sensor in case 1

表2 試驗與仿真譜速度對比Table 2 The contrast between test and simulation spectrum velocity

由表2可知，無論是仿真還是試驗，斜擋板使得LFSP提供的沖擊環(huán)境滿足規(guī)范中的沖擊橫垂比要求，且其提供的橫垂比大于德軍標(biāo)BV中要求的橫垂比，拓寬了LFSP所能提供的沖擊環(huán)境。從表中還可以看出，仿真結(jié)果中橫向譜速度均大于試驗值，垂向譜速度部分小于試驗值，這可能由仿真模型不準(zhǔn)確及試驗過程中爆源定位不準(zhǔn)確等因素導(dǎo)致。此外，垂向譜速度的試驗與仿真比值中，最大為1.04，最小為0.61；橫向譜速度的試驗與仿真比值中，最大為0.91，最小為0.75，無論是垂向或是橫向，比值均大于0.6，滿足工程要求，可進(jìn)一步求比值的均值，并將其作為判斷仿真結(jié)果偏差的依據(jù)。橫向譜速度平均比值為0.81，垂向譜速度平均比值為0.85，即橫向譜速度誤差均值為19%，垂向譜速度誤差均值為15%，兩者均小于20%，說明仿真具有一定的準(zhǔn)確度，可以對LFSP提供的沖擊環(huán)境進(jìn)行預(yù)測。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計并建造了一種非標(biāo)試驗系統(tǒng)LFSP。為檢驗其是否滿足設(shè)計指標(biāo)，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4種考核工況下，開展了LFSP動態(tài)試驗?zāi)M仿真及水下爆炸試驗。為更準(zhǔn)確地獲得LFSP所能提供的沖擊環(huán)境，對爆炸試驗測量信號進(jìn)行分析處理，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了相似性分析。通過分析，得到如下結(jié)論：

1）通過建立斜擋板結(jié)構(gòu)，使得LFSP提供的沖擊環(huán)境的橫垂比達(dá)到規(guī)范要求，且拓寬了橫垂比值，有利于對更多的艦載設(shè)備進(jìn)行抗沖擊性能試驗考核。

2）本文試驗起到了對非標(biāo)試驗系統(tǒng)LFSP的標(biāo)定作用，即確定了標(biāo)準(zhǔn)工況下LFSP沖擊環(huán)境輸入與輸出的關(guān)系，其中，環(huán)境輸出即可視為對考核艦載設(shè)備的輸入，這對考核設(shè)備試驗工況的選取具有一定指導(dǎo)意義。