艦船設備水下爆炸沖擊模擬器機理與仿真

鄢圣杰

【摘? 要】為了對艦船設備進行沖擊試驗，進行了雙波沖擊試驗機實驗，利用脈沖對其進行研究。研究了電擊聲波的產(chǎn)生原理。用Runge-Kutta數(shù)值計算方法分析數(shù)值得出結論。下面主要從沖擊試驗機原理與數(shù)學模型、速度發(fā)生器、仿真研究等幾個方面進行了研究，希望能夠為艦船設備水下爆炸沖擊模擬器的研究提供可靠的數(shù)據(jù)。

【關鍵詞】試驗機;水下爆炸;速度發(fā)生器;波形調節(jié)器;沖擊譜

引言

影響水下爆炸沖擊環(huán)境的因素很多，氣泡的脈動會進一步損壞船體和設備。評估船舶結構和設備的抗沖擊性的最有效方法是對船體進行爆炸測試。因為高昂成本和船舶人員安全以及避免污染環(huán)境等原因，許多國家的海軍通常評估船舶設備抗沖擊性是方法是利用沖擊試驗機。它比現(xiàn)場撞擊環(huán)境更為嚴峻，無法模擬低頻撞擊的影響，該撞擊可能會通過船體結構傳遞到設備并引起共振。常規(guī)輕型試驗機和中型試驗機的最大試驗負荷試驗機分別為250kg和3360kg，大于此重量的設備應在爆炸沖擊平臺上進行爆炸測試，但應考慮物理爆炸池的大小，這些測試不能體現(xiàn)氣泡脈動產(chǎn)生的沖擊環(huán)境。本文利用新的設備沖擊測試系統(tǒng)，模擬實驗室中水下爆炸的沖擊環(huán)境，此系統(tǒng)被稱為高強度雙波沖擊測試儀，它可以執(zhí)行脈沖高達5噸的設備進行沖擊測試，沖擊強度可以達到BV043 / 85規(guī)定的水平。

1.沖擊試驗機原理與數(shù)學模型

此試驗機輸出的波形是BV043/83。沖擊錘和彈性波形器發(fā)生撞擊引起了正脈沖，負脈沖則由脈沖發(fā)生器對沖擊臺的緩沖制動產(chǎn)生.沖擊機的工作過程如下：速度發(fā)生器驅動沖擊錘去撞擊彈性波形器，沖擊臺液壓緩沖器執(zhí)行緊急制動并產(chǎn)生負加速度脈沖。正脈沖的脈沖寬度和峰值由彈性波裝置的剛度K確定，并且確定沖擊錘的沖擊速度。脈沖發(fā)生器決定了負脈沖的脈沖寬度和峰值。為了避免在沖擊測試過程中沖擊載荷對周圍環(huán)境的影響，整個測試儀都安裝在彈簧質量隔振系統(tǒng)中。

F（f）是發(fā)生在沖擊錘和基礎質量塊上的力，此力起因于速度發(fā)生器，阻尼系數(shù)為C（￡）的阻尼器表示脈沖發(fā)生器.模型的數(shù)學表達式如下

式中：為了得到雙半正弦的加速度脈沖，F(xiàn)（t）需要在限定的距離內(nèi)把沖擊錘m2的速度達到u2，也就是說必須達到F（t）的要求。

2.速度發(fā)生器

液壓作動器的動作，通過閥口為加速油腔提供大流量的流體，這樣可避免技術不成熟的大流量閥的使用m93;卸壓回路可以及時釋放加速腔內(nèi)的流體壓力以避免沖擊錘與沖擊臺的二次撞擊.速度發(fā)生器各部件運動方程可以表述如下。

2.1流量方程.

總流量：Q1=兀D2dx1/4液體的可壓縮性在配油腔和加速腔引起的流量分別為：

先導通道的流量

式中：x1為活塞-I的位移;Dd和Dp分別為活塞-I和活塞-Ⅱ直徑;dp表示先導通道的直徑;lp為先導通道的長度;Sd為活塞-I的沖程;pd為配油腔內(nèi)的壓力，pa為加速腔內(nèi)壓力;μ為油液的動力粘度，μ=0.1pa.s;βe為油液的體積彈性模量，βe=700 MPa.

式中：pg0為蓄能器初始氣體壓力;Vg0為蓄能器氣體初始壓力;pg為蓄能器氣體的瞬時壓力;pn0為回程腔氣體的初始壓力;pN為回程腔氣體瞬時壓力;sp為活塞-Ⅱ的沖程;氣體絕熱系數(shù)行=1.4。

2.3運動方程.

活塞-I和活塞-Ⅱ的運動方程分別為：

3.脈沖調節(jié)器

沖擊波形調節(jié)器的原理主要通過控制阻尼孔的通流面積來調節(jié)沖擊臺的制動脈沖.其運動過程可分為2個階段：第1階段對應密封完全失效之前，活塞一Ⅳ和閥芯的運動只由油液的壓力推動引發(fā)，而油液受到活塞-Ⅲ的擠壓作用;第2階段對應密封完全失效之后，閥芯的運動由活塞-Ⅳ的推力和液動力維持，活塞-Ⅳ的推力則由蓄能器產(chǎn)生。

第1階段活塞-Ⅳ與閥芯的運動方程由如下方程描述。

（1）溢流閥閥芯的運動方程

式中：xr是溢流閥閥芯位移;ηr為阻尼系數(shù);f0是預緊力;kr為彈簧剛度;pr，為油腔壓力;Ar為溢流閥閥芯截面積。

（2）油腔4（見圖3）中油液的連續(xù)性方程

式中：y和z分別為活參Ⅲ和活塞-Ⅳ的位移;qr為通過溢流閥的流量;A3為油腔4的截面積;V3為油腔初始體積.

（3）活塞-Ⅳ和閥芯在第l階段的運動方程

式中：Av為閥芯的有效截面積;Ad為阻尼孔的等效面積;pd為閥芯右端阻尼腔的壓力;fs為作用于活塞-Ⅳ上的預壓力;ks為活塞-Ⅳ端面密封元件的剛度;f34作用于m3和m4的摩擦力。

在第2階段m3和m4的運動規(guī)律由以下方程描述。

根據(jù)式（5），閥芯運動速度可由阻尼力調節(jié)，從后面的仿真結果中將看到，在相同的蓄能器壓力下，改變阻尼孔的通流面積可以調節(jié)制動波形。

（3）液壓緩沖器的阻尼系數(shù)

比較方程（1）和（5）可以得到液壓緩沖器的阻尼系數(shù)

將此式與式（4）代入方程（1）求解，可以求出所有的未知變量。

4.仿真研究

本文采用龍格一庫塔數(shù)值法對沖擊機數(shù)學模型進行仿真計算，主要仿真參數(shù)列于表1中.

圖1顯示了加速腔的壓力曲線，說明當沖擊錘以不同的速度撞擊聲波裝置時，腔中的壓力急劇上升，并且壓力增加分別為7MPa，5MPa和4MPa。 ，由于卸載回路卸載了空腔中的壓力，因此壓力在六十毫秒內(nèi)迅速降至oMPa。

圖2顯示，在活塞I緩沖極限和卸載回路的一起工作下，沖擊后沖擊錘的位移一直小于沖擊臺。表明碰撞錘與沖擊臺之間沒有二次碰撞。沖擊錘撞擊聲波裝置后，沖擊臺得到破壞脈搏波裝置端面密封的速度，同時液壓緩沖器會產(chǎn)生阻尼力，從而使沖擊臺制動。 n個加速度脈沖如圖3所示，

可以通過調整脈沖寬度和制動加速度的峰值來調整波形。圖4顯示，制動速度最終迅速降低到零，和通過運動產(chǎn)生阻尼力來制動自己的運動的過程不一樣。外界決定了制動速度，因此仿真結果指出，沖擊脈沖調節(jié)器可以調節(jié)沖擊脈沖的幅度和脈沖寬度。

本文針對高強度雙波沖擊試驗機的工作機理建立了動力學模型，并對其動力學性能進行了仿真。最終證明：本文提出的沖擊試驗儀可以模擬規(guī)范要求的沖擊譜，與現(xiàn)有的彈簧變形能或重力勢能作動力源相比，采用液壓系統(tǒng)作動力源易于提高沖擊測試儀的測試負荷和沖擊等級。液壓緩沖器極限和高速響應卸載電路在速度發(fā)生器活塞-I的沖程端的組合運動可以有效地防止沖擊錘和沖擊臺的二次沖擊。c.脈沖調節(jié)器通過改變阻尼孔徑，沖擊臺制動加速度脈寬和峰值。

5.總結

總而言之，想要改善船舶和設備的抗沖擊性，達到目前抗沖擊性要求的水平，同時提高常規(guī)沖擊試驗機的最大測試能力，提出了一套全液壓驅動的新型重載艦船設備抗沖擊試驗系統(tǒng)模型，以解決系統(tǒng)高能量存儲及瞬間釋放和避免二次撞擊的關鍵問題構建了系統(tǒng)非線性動力學模型，同時可根據(jù)不斷提高的抗沖擊標準以及測試能力要求進行相應的擴展。

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