水下非接觸爆炸艦員抗沖擊防護(hù)地板設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

周欣，王汝夯，李冰，周健

1海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海201913 2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

0 引 言

水面艦船在特定的航行環(huán)境下可能會(huì)遭受水下非接觸爆炸，從而導(dǎo)致船體產(chǎn)生劇烈的沖擊運(yùn)動(dòng)，其中尤以垂向沖擊較為猛烈。若不采取有效的沖擊防護(hù)措施，船體沖擊載荷傳遞到底部艙室，會(huì)使艙室中的艦員遭受中度以上人體損傷，在一定時(shí)間內(nèi)不能恢復(fù)正常工作，甚至?xí)＜芭瀱T生命安全，從而嚴(yán)重影響艦員戰(zhàn)斗力。針對(duì)艦船沖擊，國(guó)內(nèi)外研究人員建立了較為完備的艦船結(jié)構(gòu)和設(shè)備沖擊載荷、沖擊損傷、抗沖擊設(shè)計(jì)以及考核試驗(yàn)的技術(shù)體系，而針對(duì)艦員的沖擊防護(hù)研究則起步較晚。Mahone［1］和 Payne等［2］研究了坐姿狀態(tài)下艦員在艦船不同位置處對(duì)水下沖擊的生物力學(xué)響應(yīng)，并對(duì)損傷危險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)估。唐德高等［3］對(duì)艦員承受爆炸沖擊的耐受限標(biāo)準(zhǔn)予以了研究。張瑋等［4］、劉新祥等［5］和黃建松等［6-7］建立了人體集中參數(shù)模型，研究了人體在坐姿、站姿和行走狀態(tài)下對(duì)水下爆炸沖擊的響應(yīng)，并開展了艦員沖擊損傷評(píng)估，為水面艦船非接觸爆炸沖擊的艦員沖擊限值和防護(hù)措施效果考核提供了依據(jù)。在艦員沖擊防護(hù)方面，吳靜波等［8］和張磊等［9］在人體—地磚沖擊響應(yīng)模型的基礎(chǔ)上，研究了抗沖擊地磚的防護(hù)效能，以及用于人體沖擊防護(hù)的抗沖擊頭盔［10］、抗沖擊鞋［11］及抗沖擊座椅［12］等。

上述艦員沖擊防護(hù)措施均能為艦員提供一定的抗沖擊防護(hù)作用，但要為沖擊環(huán)境惡劣的戰(zhàn)位提供區(qū)域化的艦員抗沖擊平臺(tái)，目前僅有抗沖擊地磚一種措施。為了提升艦員抗沖擊設(shè)計(jì)及各種防護(hù)措施的防護(hù)效果，本文將在分析由水下非接觸爆炸引起的沖擊環(huán)境以及艦員抗沖擊安全范圍的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)一種具有非線性變剛度力學(xué)特性的抗沖擊彈性地板，并在沖擊臺(tái)模擬的中、重度沖擊環(huán)境下對(duì)其沖擊防護(hù)效果進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估。

1 水下非接觸爆炸艦員沖擊環(huán)境及安全范圍

由水下非接觸爆炸引起的沖擊環(huán)境是開展艦員沖擊防護(hù)設(shè)計(jì)與考核的基礎(chǔ)輸入。水面艦船非接觸爆炸沖擊具有沖擊加速度大、峰值壓力高、持續(xù)時(shí)間短的物理特征。由于水面的衰減作用，水面艦船的非接觸爆炸沖擊響應(yīng)是以垂向?yàn)橹?。水面艦船在遭受非接觸爆炸時(shí)，各個(gè)戰(zhàn)位艦員的沖擊環(huán)境一般通過(guò)實(shí)船非接觸爆炸來(lái)測(cè)量或是通過(guò)數(shù)值模擬方法得到。在水面艦船的設(shè)計(jì)階段，通常采用數(shù)值模擬方法來(lái)獲得艦員沖擊環(huán)境，而實(shí)船爆炸一般用于實(shí)船抗沖擊性能考核。

文獻(xiàn)［13］根據(jù)設(shè)定的水下非接觸爆炸工況，采用二階雙重漸近近似方法（DAA2），對(duì)爆炸沖擊波及艦船結(jié)構(gòu)的響應(yīng)模型予以了模擬，并采用有限元軟件計(jì)算得到了艦船各部位的沖擊環(huán)境。從得到的艦船沖擊環(huán)境數(shù)據(jù)可以得出：1）艦船底層甲板或戰(zhàn)位所承受的沖擊作用時(shí)間最短，但沖擊加速度最大；2）自下層甲板往上，沖擊加速度逐漸減小，但作用時(shí)間依次增加；3）船體舯部的沖擊加速度普遍高于船的艏、艉部；4）位于中、底層甲板的艙室，如機(jī)艙、集控室等部位的沖擊環(huán)境較為惡劣。

根據(jù)GJB 2689-1996《水面艦艇沖擊對(duì)人體作用安全限值》標(biāo)準(zhǔn)［14］，人體坐姿對(duì)沖擊的耐受值要大于站姿，因此將站姿下的人體沖擊限值作為人體沖擊安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)艦船的沖擊作用時(shí)間小于15 ms時(shí)，沖擊損傷主要取決于沖擊速度大小，即輕度損傷的速度范圍為2.2～3.0 m/s，中度損傷的速度范圍為3.0～4.0 m/s，重度損傷的速度范圍大于4.0 m/s。當(dāng)艦船沖擊作用時(shí)間大于15 ms時(shí)，沖擊損傷主要取決于沖擊加速度，安全沖擊加速度的限值小于140 m/s2。艦員沖擊環(huán)境安全范圍可以作為評(píng)估沖擊環(huán)境優(yōu)劣、是否需要采取艦員沖擊防護(hù)措施的依據(jù)，也是考核艦員抗沖擊防護(hù)措施實(shí)際效果的參考限值。

2 現(xiàn)有的艦員沖擊防護(hù)措施

根據(jù)艦員非接觸爆炸沖擊環(huán)境評(píng)估結(jié)果及沖擊防護(hù)安全限值，需對(duì)艦船沖擊環(huán)境惡劣和艦員戰(zhàn)位密集的部位采取必要的艦員沖擊防護(hù)措施，衰減沖擊載荷對(duì)艦員的損傷。目前，水面艦船的艦員沖擊防護(hù)主要采取以下措施：

1）為可能受到?jīng)_擊損傷的艦員配備人體防護(hù)用具，如抗沖擊頭盔、抗沖擊鞋等；

2）為重要戰(zhàn)位的坐姿艦員配備抗沖擊座椅；

3）為人員密集、沖擊環(huán)境惡劣的部位鋪設(shè)抗沖擊平臺(tái)，如抗沖擊地磚等。

艦員穿戴的沖擊防護(hù)用具在裝具內(nèi)設(shè)置有沖擊緩沖層，可增大人體的受力面積或緩沖吸收沖擊載荷，在沖擊導(dǎo)致艦員飛離或跌倒時(shí)能減輕人體重要部位受到的損傷。但該種措施僅能對(duì)離散的艦員身體局部起防護(hù)作用，且裝具的配置數(shù)量和佩戴受艦船布置空間的限制，難以滿足大量艦員在發(fā)生沖擊時(shí)保持作業(yè)能力的要求，僅能作為輔助措施加強(qiáng)重點(diǎn)戰(zhàn)位和艦員的防護(hù)效果。

能為艦員密集的重要部位提供區(qū)域化安全沖擊環(huán)境的措施目前僅有抗沖擊地磚。抗沖擊地磚是一種由橡膠制成的蜂窩狀六角形薄壁柱狀單元構(gòu)成的組合體。每個(gè)橡膠抗沖單元在受到?jīng)_擊時(shí)會(huì)變形塌陷，形成一個(gè)具有阻尼緩沖作用的類氣囊構(gòu)造。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［7-9］，顯示在沖擊環(huán)境下，抗沖擊地磚可以保護(hù)地磚上艦員的安全，但在應(yīng)用過(guò)程中，也反映出艦員在地磚上行走時(shí)有腳感不適、橡膠易老化及維護(hù)不便等缺點(diǎn)。

對(duì)艦員沖擊防護(hù)措施效果的評(píng)估，通常采用隔沖率（隔沖率=（輸入沖擊平均加速度-輸出沖擊平均加速度）/輸入沖擊平均加速度×100%）作為考核各項(xiàng)防護(hù)措施實(shí)際效果的表征量?，F(xiàn)有的艦員沖擊防護(hù)措施及防護(hù)效果如表1所示。

表1 現(xiàn)有的艦員沖擊防護(hù)措施及效果對(duì)比Table 1 Existing measures of shock protection for seamen and effects comparison

從表中可以看出，雖然目前用于艦員抗沖擊防護(hù)的措施有多種，但從文獻(xiàn)［7，10-12］中公開的防護(hù)效果數(shù)據(jù)來(lái)看，沖擊防護(hù)用具的隔沖效果明顯低于抗沖擊地磚，且防護(hù)范圍也不夠全面?？梢?，研究能為艦員提供區(qū)域化安全環(huán)境的抗沖擊平臺(tái)是艦員沖擊防護(hù)的發(fā)展趨勢(shì)。

3 抗沖擊彈性地板

為進(jìn)一步提高艦員沖擊防護(hù)效果，改善艦員工作環(huán)境的舒適性和安全性，本文借鑒艦船設(shè)備抗沖擊隔離系統(tǒng)的理論模型，研究提出了一種艦員抗沖擊彈性地板防護(hù)平臺(tái)。

理想的艦員抗沖擊防護(hù)平臺(tái)應(yīng)在非接觸爆炸沖擊發(fā)生時(shí)隔離來(lái)自船體的沖擊載荷，其上表面的沖擊響應(yīng)應(yīng)滿足艦員的沖擊安全限值，以保證平臺(tái)上艦員的安全。在正常工況下，該平臺(tái)應(yīng)具有一定的剛度，以保證艦員行走時(shí)具有較好的穩(wěn)定感，且變形小。在沖擊作用下，抗沖擊平臺(tái)的剛度將迅速變小，變形量增大，從而具有良好的沖擊緩沖效果。因此，抗沖擊平臺(tái)應(yīng)該是一個(gè)具有非線性變剛度的沖擊隔離系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 抗沖擊彈性地板的變剛度力學(xué)性能曲線Fig.1 Variable stiffness mechanical properties curve of anti-shock elastic floor

將承載了艦員的彈性地板等效為具有阻尼特性的單自由度沖擊隔離系統(tǒng)，系統(tǒng)由彈簧—阻尼元件組成，將抗沖擊彈性地板的彈性部件稱為緩沖裝置。圖2所示為雙正弦沖擊脈沖作用下具有阻尼特性的單自由度沖擊隔離模型。圖中：m表示質(zhì)量塊，代表地板上承載的艦員；a表示速度；a1為最大加速度值。

圖2 具有阻尼特性的單自由度沖擊隔離系統(tǒng)模型Fig.2 Shock isolation system model of single-degreeof-freedom with damping

當(dāng)非接觸爆炸沖擊發(fā)生時(shí)，假設(shè)甲板的沖擊位移為u，艦員的沖擊位移為x，則運(yùn)動(dòng)方程為

若抗沖擊彈性地板滿足漸軟的非線性剛性特性，則其運(yùn)動(dòng)微分方程可以表示為

式中：k為緩沖裝置的剛度；d1為緩沖裝置的變形量。

在沖擊作用時(shí)間t=0下，δ=0，。對(duì)式（1）進(jìn)行積分，可得

當(dāng)緩沖裝置的相對(duì)位移達(dá)到其極值δ=δm時(shí)，其速度=0 ，于是式（3）可以轉(zhuǎn)換為

式（4）左邊的積分表示沖擊作用在緩沖裝置上的功，右邊表示地板上艦員的初動(dòng)能。將代入式（1），得

式中：δm和分別為相對(duì)位移和加速度的最大值；ωn為緩沖區(qū)域的沖擊響應(yīng)頻率。對(duì)于具有如圖1所示非線性力學(xué)性能的緩沖系統(tǒng)沖擊響應(yīng)頻率。將式（5）代入式（4），再經(jīng)過(guò)積分變換，可得到隔離系統(tǒng)的速度響應(yīng)，如式（6）所示。

傳遞率是沖擊隔離系統(tǒng)中表示傳遞的運(yùn)動(dòng)或力減少的能力度量，為緩沖裝置的相對(duì)位移幅值與輸入激勵(lì)幅值之比，對(duì)于具有阻尼作用的緩沖裝置，其傳遞率TA可表示為

式中：ξ為緩沖裝置所取的阻尼系數(shù)；ω為沖擊輸入的激勵(lì)頻率。根據(jù)式（7）得到的不同阻尼系數(shù)下抗沖擊緩沖裝置的傳遞曲線如圖3所示。

機(jī)械電氣一體化技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，并在發(fā)展的過(guò)程中，逐漸形成了一個(gè)較為完整的技術(shù)體系。從技術(shù)層面上來(lái)說(shuō)，機(jī)械電氣一體化技術(shù)屬于一種綜合性技術(shù)，但并不是單純地將機(jī)械技術(shù)和電子信息技術(shù)等拼接到一起，而是以系統(tǒng)工程為出發(fā)點(diǎn)，并將機(jī)械技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行融合，將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，按照系統(tǒng)的性能目標(biāo)規(guī)定，對(duì)各個(gè)性能單元進(jìn)行科學(xué)配置和合理安排，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其特殊的價(jià)值。

圖3 抗沖擊緩沖裝置傳遞曲線Fig.3 Transfer curves of anti-shock damping buffer

根據(jù)前文對(duì)水下非接觸爆炸艦員沖擊環(huán)境的分析，艦船中、下層甲板的沖擊環(huán)境以中度和重度沖擊為主，對(duì)艦員的傷害最大。為了提高重度沖擊環(huán)境下艦員的沖擊防護(hù)效果，對(duì)于艦員抗沖擊彈性地板，選取典型的重度沖擊環(huán)境［14］（最大速度4.2 m/s，沖擊作用持續(xù)時(shí)間 6～8 ms）作為設(shè)計(jì)輸入，在沖擊工況下，系統(tǒng)剛度小于60 N/mm，地板的沖擊響應(yīng)作用時(shí)間大于15 ms，平均加速度小于120 m/s2。

依據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，通過(guò)抗沖擊緩沖裝置的理論計(jì)算，按照式（6）計(jì)算得到緩沖系統(tǒng)的最大沖擊位移響應(yīng)δm，即可確定緩沖裝置的變形量和壓縮行程。由于設(shè)備抗沖擊隔離系統(tǒng)中鋼絲繩隔振器具有較好的非線性漸軟的剛度特性，因此抗沖擊彈性地板的緩沖裝置將鋼絲繩作為彈性部件，將氣缸作為緩沖阻尼器。依據(jù)地板承載的艦員重量m和緩沖區(qū)域的沖擊響應(yīng)頻率ωn，選取確定鋼絲繩彈性體的匝數(shù)、鋼絲直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)。然后，按照緩沖裝置的傳遞率曲線，調(diào)節(jié)氣缸阻尼器的阻尼系數(shù)，以使緩沖裝置能夠延長(zhǎng)沖擊作用時(shí)間，起到有效的緩沖作用，從而輸出滿足設(shè)計(jì)要求的沖擊響應(yīng)。通過(guò)安裝框架，將地板、緩沖裝置連接為抗沖擊彈性地板整體，如圖4所示。

圖4 抗沖擊彈性地板Fig.4 Anti-shock elastic floor

4 性能試驗(yàn)

性能試驗(yàn)是檢驗(yàn)抗沖擊彈性地板主要性能的重要手段?？箾_擊彈性地板用于艦員的沖擊防護(hù)，除了需要進(jìn)行本身的性能驗(yàn)證外，還需開展振動(dòng)環(huán)境、毒性、耐腐蝕等艦船環(huán)境試驗(yàn)。本文重點(diǎn)研究彈性地板的抗沖擊性能，將通過(guò)開展剛度性能試驗(yàn)和抗沖擊性能試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的可行性及沖擊防護(hù)的有效性。

4.1 測(cè)試工況

抗沖擊彈性地板的剛度性能試驗(yàn)，是通過(guò)對(duì)緩沖裝置施加垂向外力來(lái)獲得其在各個(gè)變形量下承受的載荷。

針對(duì)抗沖擊彈性地板的抗沖擊性能試驗(yàn)，選取艦船典型的中、重度沖擊環(huán)境作為抗沖擊彈性地板的測(cè)試工況，如表2所示。

表2 抗沖擊性能測(cè)試工況Table 2 Performance test cases of anti-shock

4.2 試驗(yàn)對(duì)象與方法

剛度性能試驗(yàn)是將單個(gè)緩沖裝置放置在拉壓試驗(yàn)機(jī)平臺(tái)上，通過(guò)加壓變形來(lái)測(cè)試得到其在達(dá)到最大變形量前的載荷—變形性能曲線，以驗(yàn)證其非線性變剛度的力學(xué)性能。剛度性能試驗(yàn)如圖5（a）所示。

抗沖擊彈性地板的抗沖擊試驗(yàn)單元由單塊地板和4個(gè)緩沖裝置組成，采用螺栓與試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行緊固連接，如圖5（b）所示。在地板上加裝75 kg的標(biāo)準(zhǔn)人體質(zhì)量以模擬載荷，然后按照測(cè)試工況施加半正弦沖擊波輸入，在地板的上表面安裝傳感器，測(cè)量地板上模擬人質(zhì)量的加速度與脈沖持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，并將傳感器測(cè)得的沖擊加速度時(shí)程通過(guò)零線修正后積分轉(zhuǎn)換為沖擊速度時(shí)程曲線，讀取最大沖擊速度Vmax和達(dá)到最大速度的時(shí)間tmax。按照式（8），計(jì)算得到地板沖擊響應(yīng)的平均加速度為

圖5 抗沖擊彈性地板的性能試驗(yàn)Fig.5 Performance test of anti-shock elastic floor

4.3 沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)

沖擊試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)沖擊臺(tái)，沖擊載荷不低于200 kg，最大沖擊速度不低于4.5 m/s，具有控制精度高、模擬的沖擊運(yùn)動(dòng)曲線準(zhǔn)確的特點(diǎn)，其輸出的半正弦沖擊波與理論值間的誤差小于5%，各項(xiàng)指標(biāo)滿足試驗(yàn)要求。沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖6所示。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

在剛度性能試驗(yàn)中，測(cè)量抗沖擊緩沖裝置在0～20 mm變形量下的輸出力，得到其剛度性能曲線如圖7所示。在試驗(yàn)中，將實(shí)測(cè)結(jié)果與理論值進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)兩者吻合較好，實(shí)現(xiàn)了非線性變剛度力學(xué)性能的設(shè)計(jì)目的。

圖6 沖擊試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)原理Fig.6 Schematic diagram of shock test system

圖7 抗沖擊彈性地板載荷—變形曲線Fig.7 Load-strain curves of anti-shock elastic floor

沖擊試驗(yàn)中，根據(jù)表2所示測(cè)試工況，沖擊臺(tái)臺(tái)面輸出的中、重度沖擊波時(shí)域曲線如圖8所示。對(duì)模擬質(zhì)量上表面處的傳感器記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行積分處理后，得到響應(yīng)速度曲線如圖9所示。

根據(jù)圖9所示抗沖擊彈性地板的輸出沖擊速度響應(yīng)曲線，得到中度沖擊環(huán)境下達(dá)到的最大速度Tmax1=1.815 m/s，達(dá)到最大速度的時(shí)間，即沖擊作用時(shí)間約為30 ms，根據(jù)式（8），求得輸出的平均加速度為60.5 m/s2。重度沖擊環(huán)境下達(dá)到的最大速度Tmax2=2.64 m/s，達(dá)到最大速度的時(shí)間，即沖擊作用時(shí)間約為50 ms，輸出的平均加速度為52.8 m/s2，如表3所示。

圖8 輸入沖擊加速度—時(shí)間曲線Fig.8 Acceleration-time curves of input shock

圖9 抗沖擊彈性地板輸出沖擊速度響應(yīng)曲線Fig.9 Shock response curves of anti-shock elastic floor

表3 抗沖擊彈性地板沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Shock test results of anti-shock elastic floor

由圖9和表3可以得出，在中度沖擊環(huán)境下，抗沖擊彈性地板輸出的沖擊響應(yīng)最大速度為1.815 m/s，作用時(shí)間約30 ms，根據(jù)艦員沖擊安全限值標(biāo)準(zhǔn)，抗沖擊彈性地板承載的艦員是安全的。在重度沖擊環(huán)境下，抗沖擊彈性地板輸出的沖擊響應(yīng)最大速度為2.64 m/s，作用時(shí)間約50 ms，抗沖擊彈性地板承載的艦員可能發(fā)生輕度損傷，需采取抗沖擊鞋或頭盔等輔助防護(hù)措施。在這2種沖擊環(huán)境下，抗沖擊彈性地板的隔沖率均在88%以上，表現(xiàn)出了良好的抗沖擊防護(hù)效果。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)開展典型艦船非接觸爆炸沖擊環(huán)境下艦員抗沖擊防護(hù)地板研究，得到以下結(jié)論：

1）在艦船非接觸爆炸沖擊環(huán)境中，中、下層甲板艦員集中區(qū)域的沖擊環(huán)境與上層甲板相比更為惡劣，對(duì)人體的損傷較大，在目前所采取的多種防護(hù)措施中，為艦員提供區(qū)域化安全沖擊環(huán)境沖擊防護(hù)平臺(tái)裝置的防護(hù)效果要優(yōu)于沖擊防護(hù)用具，是艦員沖擊防護(hù)措施研究的發(fā)展趨勢(shì)。

2）借鑒艦船設(shè)備抗沖擊隔離系統(tǒng)的理論原理，提出了艦員抗沖擊防護(hù)彈性地板的設(shè)計(jì)方法，并以艦船中、重度沖擊環(huán)境為設(shè)計(jì)輸入，設(shè)計(jì)了具有非線性變剛度力學(xué)性能的抗沖擊彈性地板，能顯著改善惡劣沖擊環(huán)境或戰(zhàn)位密集部位的艦員沖擊環(huán)境。

3）通過(guò)性能試驗(yàn)，對(duì)抗沖擊彈性地板的非線性變剛度的力學(xué)性能和沖擊防護(hù)效果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示，其非線性變剛度力學(xué)性能與理論值吻合較好。在模擬艦船中、重度沖擊環(huán)境的沖擊性能試驗(yàn)中，抗沖擊彈性地板的隔沖率分別達(dá)88.1%和89.9%，具有良好的艦員沖擊防護(hù)效果，可以為艦船重要區(qū)域的艦員沖擊防護(hù)提供一種高效的防護(hù)措施。在重度沖擊環(huán)境下，抗沖擊彈性地板上的艦員會(huì)受到輕度損傷，因此建議綜合采取已有的沖擊防護(hù)措施而形成組合式的艦員沖擊防護(hù)措施，從而將艦員損傷程度降至最低。