潛艇設(shè)備沖擊試驗(yàn)艙段環(huán)境特性研究

韓 璐，馮麟涵，張 磊，閆 明

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870；2.海軍研究院，北京 100161)

隨著現(xiàn)代兵器技術(shù)的快速發(fā)展，其威力越來越大、命中率越來越高，水面艦船及水下潛艇的生命力面臨著日益嚴(yán)重的威脅[1-2]。相比而言，水下潛艇作戰(zhàn)環(huán)境更為惡劣，因此要求其外部結(jié)構(gòu)及內(nèi)部設(shè)備具有更高的抗沖擊性能。準(zhǔn)確掌握潛艇不同部位的沖擊環(huán)境和相應(yīng)部位設(shè)備的抗沖擊性能，已經(jīng)成為各國海軍關(guān)注的重點(diǎn)。

由于潛艇設(shè)備考核問題密級較高，目前國內(nèi)外可查閱的相關(guān)資料相對較少，且大多數(shù)是基于對潛艇外部結(jié)構(gòu)及材料的研究[3]。日本的永井保對尺寸不同、加筋形式不同、加筋尺寸不同的圓柱殼進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究，并對試驗(yàn)后變形的圓柱殼進(jìn)行了耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)[4-5]。Stultz等對單、雙層圓柱殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了水下爆炸試驗(yàn)研究，通過對比動態(tài)響應(yīng)發(fā)現(xiàn)雙層殼間含水量對殼體的變形有較大影響[6]。肖鋒等研究了潛艇濕表面覆蓋層壓與抗沖擊之間的矛盾，討論了鋼片厚度及偏距對承壓與抗沖擊性能影響[7]。潘杰等設(shè)計(jì)了三種新型潛艇舷側(cè)結(jié)構(gòu)，并基于有限元分析三種結(jié)構(gòu)在爆炸載荷下的沖擊響應(yīng)，與傳統(tǒng)的舷側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，得出新型舷側(cè)結(jié)構(gòu)具有提高潛艇抗沖擊能力作用的結(jié)論[8]。據(jù)了解，目前美國海軍主要采用模擬潛艇艙段的試驗(yàn)平臺，通過小當(dāng)量近距離的爆炸試驗(yàn)來模擬實(shí)艇的總體沖擊能量，進(jìn)而完成對潛艇電機(jī)等重型設(shè)備沖擊試驗(yàn)考核[9]。但是這種試驗(yàn)平臺所提供的沖擊環(huán)境具有速度譜較低而位移譜較高的特點(diǎn)，與實(shí)際沖擊環(huán)境恰恰相反。相比而言，我國對潛艇及內(nèi)部設(shè)備的抗沖擊性研究剛剛起步，僅停留在理論分析和數(shù)值模擬階段，而潛艇海上抗沖擊試驗(yàn)對完善其抗沖擊設(shè)計(jì)，提高其作戰(zhàn)能力等都具有重要意義，因此，國內(nèi)應(yīng)對新研潛艇及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行水下爆炸考核試驗(yàn)予以重視。

本文根據(jù)潛艇內(nèi)大型設(shè)備沖擊環(huán)境指標(biāo)，借鑒實(shí)船抗沖擊試驗(yàn)成果，設(shè)計(jì)并建造了一種新型潛艇試驗(yàn)艙段來考核大型設(shè)備的抗沖擊性能。首先，通過歸納水下爆炸載荷種類，分析水面艦船和水下潛艇沖擊環(huán)境差別之處；然后，針對大型設(shè)備沖擊環(huán)指標(biāo)，在ABAQUS中建立了試驗(yàn)艙段及簡化設(shè)備的有限元模型，并進(jìn)行水下爆炸數(shù)值模擬，對試驗(yàn)艙段提供的沖擊環(huán)境進(jìn)行預(yù)報(bào)；接著，根據(jù)數(shù)值模擬及相關(guān)理論計(jì)算的結(jié)果，選取合適的試驗(yàn)工況，開展了大型設(shè)備的水下爆炸考核試驗(yàn)；最后，利用有效的實(shí)測數(shù)據(jù)，對設(shè)備安裝頻率處的沖擊譜進(jìn)行了圓整，再通過沖擊譜的插值擬合獲取了無效實(shí)測數(shù)據(jù)工況下的沖擊環(huán)境，為潛艇內(nèi)大型設(shè)備抗沖擊性能的進(jìn)一步研究提供環(huán)境支撐。

1 沖擊環(huán)境描述

1.1 水下爆炸載荷

水下爆炸試驗(yàn)作為艦載設(shè)備抗沖擊考核的一種方式，具有較高的可靠性。在水下爆炸數(shù)值模擬或試驗(yàn)過程中，根據(jù)爆距與TNT當(dāng)量藥包的半徑之比，可將水下爆炸劃分為接觸爆炸、近場爆炸和遠(yuǎn)場爆炸。在炸藥爆炸過程中，伴隨著大量的化學(xué)反應(yīng)和物理現(xiàn)象，艦船及設(shè)備的沖擊響應(yīng)主要是由水中爆炸沖擊波、氣泡脈動、空化效應(yīng)及射流共同作用的結(jié)果。其中，以聲速傳播的爆炸沖擊波為主，所含能量約占水下爆炸總值的53%左右[10]，氣泡脈動次之，空化效應(yīng)及射流主要對近場水下爆炸影響較大，一般遠(yuǎn)場水下爆炸均不考慮[11]。

對艦載設(shè)備抗沖擊性考核時，一般進(jìn)行遠(yuǎn)場水下爆炸試驗(yàn)，當(dāng)爆炸載荷傳遞到設(shè)備上時，受艦船類型、設(shè)備安裝位置等因素的影響，其沖擊響應(yīng)情況也大有不同。相比較而言，潛艇系統(tǒng)及設(shè)備的沖擊環(huán)境更為嚴(yán)峻。一方面，潛艇處于半潛狀態(tài)，對于相同布深的炸藥，與水面艦船相比，爆源與沖擊載荷入射點(diǎn)距離較近，沖擊波在所含能力較大時便對潛艇系統(tǒng)及設(shè)備產(chǎn)生沖擊作用。另一方面，早期氣泡脈動的壓力幅值約為沖擊波峰值的1/5，具有持續(xù)時間較長、能量逐漸衰減的特點(diǎn)[12-14]，其對艦船結(jié)構(gòu)主要振動模態(tài)有持續(xù)擾動作用，此期間的氣泡脈動過程對水深較為敏感，因水深而導(dǎo)致的不同浮力會影響氣泡的坍塌、上浮等狀態(tài)，并且隨著氣泡的上浮，其脈動周期逐漸增大，在其脈動周期較小、所含能量較多時，便對已經(jīng)承受強(qiáng)烈沖擊波的潛艇系統(tǒng)和設(shè)備產(chǎn)生后續(xù)的振動影響。此外，潛艇浸入流域的體積較大，使得圍繞潛艇的流體附加質(zhì)量明顯增大，引起潛艇的振動模態(tài)頻率與干模態(tài)頻率相差較大，使得艇體結(jié)構(gòu)在水中的剛度變小。流域的阻尼對水下爆炸下的潛艇沖擊響應(yīng)也有較大影響，與流域接觸面積較大導(dǎo)致艇體系統(tǒng)吸收的沖擊能量較多，進(jìn)一步使得其內(nèi)部設(shè)備的沖擊環(huán)境更為惡劣。

1.2 沖擊環(huán)境要求

開展艦船系統(tǒng)和設(shè)備抗沖擊研究之前，其沖擊環(huán)境的設(shè)計(jì)也是重點(diǎn)研究內(nèi)容，針對此問題，各國海軍均采用不同的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。為對水面艦船及水下潛艇的沖擊環(huán)境明確區(qū)別，國軍標(biāo)GJB 1060.1—1991[15]對彈性安裝的設(shè)備做出如表1、2所示的設(shè)計(jì)規(guī)定。

表1 水面艦船沖擊環(huán)境設(shè)計(jì)值Tab.1 Design value of surface ship impact environment

表1中：

表2 水下潛艇沖擊環(huán)境設(shè)計(jì)值Tab.2 Design value of underwater submarine impact environment

表2中：

其中，m0均為考核的設(shè)備質(zhì)量。

為更顯著地對水面艦船和水下潛艇的沖擊環(huán)境進(jìn)行對比，假設(shè)設(shè)備質(zhì)量為200 t，由上述計(jì)算公式可知：水面艦船垂向譜加速度為425.69 m/s2，譜速度為3.08 m/s；水下潛艇垂向譜加速度為1 019.20 m/s2，譜速度為4.34 m/s，對比分析可知，譜加速度增幅為139%，譜速度增幅為41%，顯然水下潛艇系統(tǒng)的沖擊環(huán)境更為惡劣。因船體外部沖擊環(huán)境的不同導(dǎo)致其內(nèi)部設(shè)備所受的沖擊載荷也大有不同，國軍標(biāo)GJB 1060.1—1991對內(nèi)部設(shè)備的沖擊環(huán)境的譜值及橫垂比也進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。為對潛艇用某大型設(shè)備進(jìn)行抗沖擊性能考核試驗(yàn)，根據(jù)設(shè)備的質(zhì)量，計(jì)算出沖擊環(huán)境中的譜加速度記為Aσ，譜速度記為vσ，則可得設(shè)計(jì)的沖擊環(huán)境如表3所示。

表3 設(shè)備沖擊環(huán)境要求Tab.3 Environmental requirements for equipment impact

2 數(shù)值模擬

目前,我國的艦用設(shè)備沖擊試驗(yàn)規(guī)范“GJB 150.18—1986[16]軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法-沖擊試驗(yàn)”只規(guī)定了重量小于13.4噸的設(shè)備沖擊試驗(yàn)方法，而潛艇用大型設(shè)備不含隔振系統(tǒng)的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此限制值，因此沒有可借鑒的試驗(yàn)方法。結(jié)合大型設(shè)備沖擊環(huán)境指標(biāo)、設(shè)備質(zhì)量及安裝情況發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)現(xiàn)有的沖擊機(jī)及不同型號的浮動沖擊平臺等試驗(yàn)裝置也不能提供大型設(shè)備需求的沖擊考核環(huán)境。為此，設(shè)計(jì)一種模擬潛艇艙段的新型試驗(yàn)艙段平臺，以完成對大型設(shè)備的考核。在試驗(yàn)艙段的設(shè)計(jì)過程中，不僅要考慮所能提供的沖擊環(huán)境，還要兼顧試驗(yàn)艙段的空間布置，滿足被試設(shè)備安裝條件，滿足被試設(shè)備在試驗(yàn)過程中的油、水、氣、電等需求，滿足試驗(yàn)實(shí)施所需的拖帶、布放、定位要求，滿足試驗(yàn)測試所需的測量系統(tǒng)安裝要求，滿足在水下爆炸沖擊下保持水密性、浮態(tài)、穩(wěn)性等要求。

2.1 艙段及水域模型

根據(jù)潛艇用大型設(shè)備要求的抗沖擊設(shè)計(jì)譜，考慮試驗(yàn)艙段尺度、重量、吃水、炸藥當(dāng)量、爆距、爆源位置等參數(shù)，進(jìn)行了大量數(shù)值模擬，得出了各參數(shù)對沖擊試驗(yàn)沖擊譜的影響，從中優(yōu)選出合適的參數(shù)取值，最終設(shè)計(jì)出一種以經(jīng)典的環(huán)形艙壁作為艇體艙段耐壓的主結(jié)構(gòu)，兩側(cè)封頭采用平面艙壁，艙段內(nèi)設(shè)置平衡壓載水艙，試驗(yàn)艙段底部設(shè)置龍骨，在大型非線性有限元軟件ABAQUS中建立的具體模型如圖1所示。

在模型的建立過程中，采用Initial Mass定義的質(zhì)量點(diǎn)模擬外部壓載及設(shè)備。此外，為真實(shí)模擬潛艇設(shè)備的安裝狀態(tài)，在沖擊試驗(yàn)艙段上裝配了相關(guān)陪試設(shè)備及輔助結(jié)構(gòu)，包括基座、高頻隔振器與氣囊隔振器構(gòu)成的雙層隔振器、筏架、聯(lián)軸器、假軸和軸承座等。在建模過程中，通過Connector的塑形Beam單元對氣囊隔振器進(jìn)行模擬，8個氣囊隔振器在設(shè)備兩側(cè)下方對稱分布；筏架用平板簡化，20個高頻隔振器對稱分布在筏架和基座之間。在有限元模型中的連接情況如圖2所示。

圖1 艙段有限元模型Fig.1 Finite element model of the bay section

圖2 隔振器模型示意圖Fig.2 Sketch of isolator model

諸多水下爆炸數(shù)值模擬仿真結(jié)果表明，水域模型要建立的足夠大，以使得圓柱殼低頻的梁彎曲模態(tài)附連水質(zhì)量施加充分，與此同時，要兼顧模型的計(jì)算效率。此次，選取水域半徑為試驗(yàn)艙段半徑的3倍，水域采用四面體線性聲學(xué)單元AC3D4模擬，具體模型如圖3所示。結(jié)合研究條件，選取聲固耦合算法模擬水下爆炸載荷作用下試驗(yàn)艙段的動態(tài)響應(yīng)。

圖3 艙段的水域模型Fig.3 Flow model of cabin section

2.2 工況設(shè)置

為保證試驗(yàn)艙段設(shè)計(jì)的合理、有效，對試驗(yàn)艙段進(jìn)行水下爆炸試驗(yàn)的數(shù)值模擬。數(shù)值模擬前，沖擊載荷的擬定主要根據(jù)Geers and Hunter提出半經(jīng)驗(yàn)沖擊波—?dú)馀菽Ｐ蚚17]得出沖擊波峰值的理論解。該方法統(tǒng)一處理爆炸載荷，無論沖擊波或是氣泡，都假定周圍水介質(zhì)是可壓縮的；公式中的參數(shù)來源于試驗(yàn)，載荷預(yù)報(bào)可靠度高。在整個過程中，爆源相對艙段位置示意如圖4所示，潛艇艙段的吃水深度占整體艙段的3/4，總排水量達(dá)260.069 t。為達(dá)到大型設(shè)備沖擊環(huán)境要求，通過調(diào)整爆源的正橫距，選擇沖擊因子依次減小的24種工況對試驗(yàn)艙段提供的沖擊環(huán)境進(jìn)行預(yù)報(bào)，以便選取最佳的試驗(yàn)工況，選取40個通道測點(diǎn)獲取艙段殼體周圍水壓、艙段結(jié)構(gòu)、設(shè)備基座、雙層隔振、設(shè)備本體等部位的各向沖擊加速度及應(yīng)變等信號。

圖4 位置示意圖Fig.4 Sketch of location

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為進(jìn)一步分析試驗(yàn)艙段所能提供的沖擊環(huán)境，計(jì)算出設(shè)備基座上測點(diǎn)速度均值，將24種數(shù)值模擬工況下的垂向譜速度vv和橫向譜速度vh與設(shè)備的沖擊環(huán)境指標(biāo)中譜速度vσ進(jìn)行比較，如圖5、6所示。從圖中可看出，數(shù)值模擬中工況1～工況3譜速度值與沖擊環(huán)境指標(biāo)較為接近，誤差在20%以內(nèi)。且無論垂向或是橫向，譜速度值均隨著爆源正橫距的逐漸增大，呈現(xiàn)衰減趨勢。

圖5 垂向譜速度Fig.5 Velocity spectrum of vertical

圖6 橫向譜速度Fig.6 Velocity spectrum of transverse

3 水下爆炸試驗(yàn)

在艦船抗沖擊評估初期，各國海軍大都采用沖擊因子來反映水下爆炸試驗(yàn)的嚴(yán)酷程度。這是因?yàn)闆_擊因子反映了爆炸載荷的能量密度，沖擊因子越大，說明沖擊能量越大，爆炸的嚴(yán)酷度越高。一般情況下，沖擊因子分為兩種：一種是涉及外殼結(jié)構(gòu)或受壓結(jié)構(gòu)的損傷位勢的殼層沖擊因子(KSF)；另一種是用于艦船作為一個整體的損傷位勢的龍骨沖擊因子(HSF)。結(jié)合國內(nèi)外抗沖擊試驗(yàn)情況，潛艇試驗(yàn)一般采用殼板沖擊因子進(jìn)行描述，且最大沖擊因子應(yīng)不大于1，其具體計(jì)算公式如下

(1)

式中，W為考慮海底反射系數(shù)的裝藥當(dāng)量，R是爆源與船體最近距離。

在此次試驗(yàn)過程中，根據(jù)數(shù)值模擬對艙段提供沖擊環(huán)境的預(yù)報(bào)及相關(guān)的理論計(jì)算分析，選取表4中的三種工況進(jìn)行水下爆炸試驗(yàn)。

表4 試驗(yàn)工況Tab.4 Test conditions

對于海上爆炸試驗(yàn)，試驗(yàn)艙段與爆源在水下的相對位置決定了艙段所受沖擊載荷的強(qiáng)度。在水下的爆源受海流影響會發(fā)生擺動和偏移，海上風(fēng)浪流等環(huán)境因素也會影響艙段的浮動情況，這都會嚴(yán)重影響試驗(yàn)艙段與爆源的相對位置，從而影響沖擊因子的大小。比如爆距為10 m，如果爆距偏差1 m，沖擊因子偏差約10%。為此，結(jié)合前期開展海上實(shí)船水下爆炸試驗(yàn)布放與定位技術(shù)，針對潛艇艙段半潛狀態(tài)、試驗(yàn)海區(qū)風(fēng)浪流數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)過程中，制定橫流四點(diǎn)錨固定位的方案。圖7為潛艇艙段某次水下爆炸試驗(yàn)實(shí)況。

圖7 爆炸試驗(yàn)實(shí)況Fig.7 The explosive experiment

試驗(yàn)按預(yù)定工況完成后，將實(shí)測垂向、橫向沖擊環(huán)境與上述預(yù)報(bào)的沖擊環(huán)境對比，如表5、表6所示。垂向沖擊譜速度偏差在18%～33%，沖擊譜加速度偏差在11%～28%。橫向沖擊譜速度偏差在18%～25%，沖擊譜加速度偏差在9%～33%，以上誤差均在35%以內(nèi)，滿足沖擊試驗(yàn)的可接受范圍。

表5 垂向數(shù)據(jù)對比Tab.5 Contrast of horizontal data

表6 橫向?qū)Ρ萒ab.6 Contrast of vertical data

4 實(shí)測信號處理與分析

4.1 沖擊譜圓整

為便于分析實(shí)測數(shù)據(jù)是否滿足設(shè)備的設(shè)計(jì)沖擊譜，按照ISO 18431[18]將試驗(yàn)測點(diǎn)加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為沖擊譜，所轉(zhuǎn)換的沖擊譜是復(fù)雜曲線并非真實(shí)可用，需要根據(jù)HJB 554[19]和北約共同標(biāo)準(zhǔn)STANG 549對實(shí)測設(shè)備的安裝頻率附近沖擊譜進(jìn)行圓整成三折線譜，圓整過程主要有三個要求：① 實(shí)測沖擊響應(yīng)譜在設(shè)備最低固有頻率或安裝頻率左右各一倍頻程內(nèi)，應(yīng)高于沖擊試驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)工況的90%；② 實(shí)測沖擊響應(yīng)譜不低于所在頻率對應(yīng)的沖擊試驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)工況的70%；③ 個別頻段實(shí)測沖擊響應(yīng)譜值低于上述兩種情況所規(guī)定的下限譜線時，位于下限譜線上方的測量譜線與下限譜線所被包圍的面積大于下限譜線下方的測量譜線與下限譜線所包圍的面積。以工況2設(shè)備基座上測點(diǎn)的橫向沖擊譜(圖8)為例，對沖擊譜圓整規(guī)則進(jìn)行具體說明。設(shè)備安裝頻率處的左右一倍頻程的頻域內(nèi)，圓整譜值應(yīng)低于實(shí)測譜值，滿足第一、第二個圓整原則。在54～110 Hz頻域內(nèi)實(shí)測譜值有凹陷，但在110～300 Hz有凸起，兩者面積接近，滿足第三個圓整原則，另外，實(shí)測沖擊譜低頻段的上翹主要是加速度信號零飄引起，由于其不在設(shè)備安裝頻率范圍內(nèi)，對設(shè)備的響應(yīng)貢獻(xiàn)不大。根據(jù)以上圓整要求對實(shí)測數(shù)據(jù)所做出的沖擊譜進(jìn)行圓整。

圖8 沖擊譜圓整方法示意圖Fig.8 Sketch of impact spectrum rounding

4.2 沖擊譜插值擬合

在試驗(yàn)過程中，工況3中只有假軸軸承座基礎(chǔ)可用，大部分測點(diǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，導(dǎo)致實(shí)測結(jié)果不可用。為此，利用沖擊譜插值擬合的方法進(jìn)行分析。根據(jù)實(shí)船試驗(yàn)，沖擊譜與沖擊因子之間是線性關(guān)系。美國海軍泰勒水池的Keil和澳大利亞海軍水面戰(zhàn)中心的Reid在總結(jié)艦船水下爆炸響應(yīng)時都曾指出沖擊因子與艦船沖擊響應(yīng)之間存在線性關(guān)系，我國實(shí)船抗沖擊試驗(yàn)也得出了類似的規(guī)律[20-21]。因此可以根據(jù)沖擊因子插值和沖擊位置插值得出設(shè)備基座處的沖擊環(huán)境。

在3次水下爆炸試驗(yàn)過程中，假軸基礎(chǔ)測點(diǎn)的沖擊加速度數(shù)據(jù)獲取完整，進(jìn)行圓整后將其與沖擊因子關(guān)聯(lián)，進(jìn)行線性插值擬合，擬合結(jié)果如圖9所示，橫向譜速度隨沖擊因子呈斜率為5.086 84的線性增加，垂向斜率為4.848 93的線性增加，沖擊譜擬合值與圓整值誤差在10%以內(nèi)。根據(jù)以上擬合的斜率，按照工況1、工況2實(shí)測設(shè)備基礎(chǔ)沖擊譜速度值，擬合外插得工況3設(shè)備基礎(chǔ)譜速度，橫向和垂向均為1.3vσ，且與數(shù)值模擬結(jié)果相比誤差為9%，說明插值譜速度值可以代表實(shí)際的沖擊強(qiáng)度。

圖9 沖擊因子插值沖擊譜Fig.9 Shock factor value impact spectrum

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并建造了一種考核潛艇用大型設(shè)備的試驗(yàn)艙段平臺，為檢驗(yàn)其是否能提供大型設(shè)備所需沖擊環(huán)境，在ABAQUS中進(jìn)行大量的水下爆炸數(shù)值模擬，對試驗(yàn)艙段提供的沖擊環(huán)境進(jìn)行預(yù)報(bào)，并以此為參考依據(jù)開展了3次設(shè)備的水下爆炸試驗(yàn)，分析了實(shí)測信號，并對設(shè)備安裝頻率處的沖擊譜進(jìn)行了圓整及插值擬合，通過分析得到如下結(jié)論：

(1)試驗(yàn)艙段提供沖擊環(huán)境的譜速度值隨沖擊因子的增大呈近線性增大

(2)采用插值擬合譜值得出異常測點(diǎn)譜數(shù)據(jù)與3個實(shí)測得到譜速度值相差小于10%，與數(shù)值模擬相差小于9%，說明插值譜速度可以代表實(shí)際的沖擊強(qiáng)度。

(3)試驗(yàn)艙段的建立滿足潛艇用大型設(shè)備考核的沖擊環(huán)境指標(biāo)中的譜值及橫垂比要求。