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(duì)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(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。目前，針對(duì)輕型設(shè)備或體積較小的設(shè)備，多采用沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)；針對(duì)體積或重量較大的設(shè)備，則多采用中型或標(biāo)準(zhǔn)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，并建立了比較成熟的設(shè)備抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)，例如美國(guó)軍標(biāo)MIL-S-901D［1］和德國(guó)軍標(biāo) BV043/85［2］。

為了模擬實(shí)戰(zhàn)狀況，同時(shí)考慮到實(shí)船爆炸試驗(yàn)耗費(fèi)巨大等因素，各國(guó)對(duì)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)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(dòng)沖擊平臺(tái)岸基試驗(yàn)的實(shí)施方法以及海上試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備的安裝方法；李國(guó)華等［6］測(cè)量并分析了浮動(dòng)沖擊平臺(tái)水下爆炸的沖擊譜；陳高杰等［7］基于聲固耦合法對(duì)小型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，并通過試驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)沖擊平臺(tái)和大型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)上的響應(yīng)特征；王軍［9］利用有限元法對(duì)比了幾種不同結(jié)構(gòu)中型浮動(dòng)平臺(tái)的沖擊響應(yīng)特征，得出中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的最佳設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。對(duì)于新研制的浮動(dòng)沖擊平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)尺寸和考核能力都會(huì)與以往的浮臺(tái)不同；針對(duì)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(guó)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(jiǎn)稱“橫垂比”）等沖擊指標(biāo)要求。根據(jù)以往的研究經(jīng)驗(yàn)，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(yàn)系統(tǒng)，在使用前必須進(jìn)行沖擊環(huán)境標(biāo)定試驗(yàn)，以考察其所能提供的考核能力。

本文以小型及中型的浮動(dòng)沖擊平臺(tái)為參考藍(lán)本，擬設(shè)計(jì)并建造一種新型大型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)（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(duì)LFSP進(jìn)行水下爆炸試驗(yàn)?zāi)M。然后，開展相同工況下的水下爆炸標(biāo)定試驗(yàn)。最后，分析處理爆炸試驗(yàn)得到的信號(hào)，并與仿真結(jié)果進(jìn)行相似性分析，以驗(yàn)證計(jì)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(zhǎng)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(guó)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)所能考核設(shè)備的最大質(zhì)量［1］。作為一種非標(biāo)試驗(yàn)系統(tǒng)，在其使用前必須進(jìn)行沖擊環(huán)境的標(biāo)定試驗(yàn)，以考察LFSP所能提供的沖擊環(huán)境能力。首先，對(duì)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(tái)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(duì)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(tái)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(jì)60×104個(gè)，單元共計(jì)62×104個(gè)。

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(chǎng)的尺寸較大，兩端半球形流場(chǎng)的直徑為6倍浮臺(tái)型寬，即54.6 m。相關(guān)有限元分析經(jīng)驗(yàn)表明，在水下爆炸數(shù)值仿真中，流場(chǎng)外部網(wǎng)格尺寸為流場(chǎng)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(chǎng)與結(jié)構(gòu)耦合處網(wǎng)格尺寸與結(jié)構(gòu)一致，則流場(chǎng)網(wǎng)格數(shù)量會(huì)因過于龐大而存在計(jì)算周期長(zhǎng)、計(jì)算結(jié)果可能不收斂的情況。因此，設(shè)流場(chǎng)與結(jié)構(gòu)耦合處網(wǎng)格尺寸為0.25 m，流場(chǎng)外部網(wǎng)格取為內(nèi)部網(wǎng)格的4倍，即1 m，流場(chǎng)節(jié)點(diǎn)共計(jì) 12.8×104個(gè)，單元共計(jì) 71×104個(gè)。圖2（a）為流場(chǎng)網(wǎng)格劃分效果圖，圖2（b）為流場(chǎng)外部及流場(chǎng)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(yàn)，增加TNT藥量不足以為L(zhǎng)FSP提供橫向沖擊能量，并且TNT藥量過大還會(huì)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(jì)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(zhǎng)邊和短邊封閉，沿LFSP方向的長(zhǎng)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接及安放支撐結(jié)構(gòu)時(shí)該斜擋板長(zhǎng)度無法滿足浮臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)接安裝的條件，因此對(duì)斜擋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，沿長(zhǎng)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(zhǎng)為16 m。斜擋板結(jié)構(gòu)安裝在浮臺(tái)正下方居中位置，斜擋板三角形的短邊端面與浮臺(tái)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(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)度為5.6 m，在實(shí)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(duì)長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)2種結(jié)構(gòu)的相互連接，這樣不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)等造成影響，同時(shí)也給建模帶來了極大的便利。圖5所示為L(zhǎng)FSP與斜擋板的耦合效果圖。耦合時(shí)，采用ABAQUS軟件的tie連接浮臺(tái)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(lì)載荷，使結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)的耦合Fig.6 Coupling of ensemble and flow field

2 數(shù)值模擬及爆炸試驗(yàn)

2.1 測(cè)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(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量垂向、橫向及縱向的沖擊響應(yīng)信號(hào)，即每種工況測(cè)得24個(gè)數(shù)據(jù)，測(cè)點(diǎn)分布如圖7所示。圖中，圓圈代表測(cè)點(diǎn)位置，數(shù)字代表傳感器標(biāo)號(hào)，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(duì)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(hào)內(nèi)數(shù)值為配重質(zhì)量。對(duì)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(yàn)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(jì)分析，將各工況測(cè)點(diǎn)的均值作為其試驗(yàn)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(cè)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(jì)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(shí)，對(duì)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?yàn)楸淳嚯xL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(shí)，對(duì)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(shí)，對(duì)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?yàn)殡S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(shí)，配重質(zhì)量的增加使整個(gè)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(yàn)

為了更好地說明LFSP所能提供的沖擊環(huán)境，對(duì)新型LFSP進(jìn)行加工，并進(jìn)行水下爆炸試驗(yàn)，采集了與上述仿真相同的8個(gè)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)。加速度是標(biāo)定試驗(yàn)需要測(cè)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(yàn)中采用加速度傳感器采集信號(hào)，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L(zhǎng)FSP水下爆炸試驗(yàn)實(shí)況。

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

圖10 爆炸試驗(yàn)實(shí)況Fig.10 The explosion experiment

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

3.1 測(cè)量信號(hào)分析

試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)并非完全可用，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選，通過繪制原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)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(cè)量信號(hào)，發(fā)現(xiàn)其中含有大量的低頻成分，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單分析歸類，主要分為以下3種：第1種是傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的零漂信號(hào)，它通常是一種規(guī)律不明的低頻信號(hào)；第2種是LFSP平臺(tái)橫搖和升沉運(yùn)動(dòng)、總彎曲振動(dòng)及總扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等產(chǎn)生的低頻信號(hào)；第3種是沖擊載荷作用引發(fā)的結(jié)構(gòu)低頻振動(dòng)，振動(dòng)理論中稱之為伴隨振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)，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(dòng)，可忽略此低頻信號(hào)。通過前期分析，LFSP一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(dòng)的固有頻率范圍為0.2～0.9 Hz。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，零漂信號(hào)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(hào)：完全從試驗(yàn)信號(hào)中剔除9 Hz以下的低頻信號(hào)，然后再將剛體運(yùn)動(dòng)頻率信號(hào)補(bǔ)償?shù)皆囼?yàn)信號(hào)中。

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(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，因而LFSP剛體運(yùn)動(dòng)引起的振動(dòng)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(duì)其進(jìn)行研究。以某一測(cè)點(diǎn)的加速度經(jīng)過濾除低頻信號(hào)及再增加剛體運(yùn)動(dòng)信號(hào)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(duì)極低頻率沖擊環(huán)境產(chǎn)生影響，對(duì)于設(shè)計(jì)譜曲線基本無影響，可忽略不計(jì)。因此，在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中不再考慮剛體運(yùn)動(dòng)的低頻信號(hào)。

圖11 沖擊譜對(duì)比Fig.11 Shock spectrum comparison

3.2 試驗(yàn)與仿真相似性分析

通過第3.1節(jié)的分析可知，試驗(yàn)數(shù)據(jù)中需要剔除的低頻信號(hào)主要是虛假的零漂信號(hào)。本文將基于EMD算法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。EMD算法基于數(shù)據(jù)時(shí)域局部特征，其基本思想是：對(duì)一給定信號(hào)，先獲得信號(hào)的極值點(diǎn)，通過樣條插值擬合獲得信號(hào)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(gè)端點(diǎn)處存在極值點(diǎn)，則在此過程中就會(huì)產(chǎn)生擬合誤差，為減少這種端點(diǎn)效應(yīng)，對(duì)信號(hào)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(yàn)信號(hào)在端點(diǎn)位置處進(jìn)行對(duì)稱，獲得延拓后的信號(hào)序列，然后再對(duì)每組信號(hào)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(shí)歷數(shù)據(jù)。基于以上數(shù)據(jù)處理步驟，對(duì)截取及篩選預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行沖擊環(huán)境計(jì)算，共計(jì)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(hào)和14號(hào)傳感器的仿真沖擊譜與EMD等處理方法的沖擊譜進(jìn)行對(duì)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(shì)，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(dòng)頻率成分也去除掉了，失去了原始數(shù)據(jù)的真實(shí)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(shì)。為此，對(duì)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(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用橫向和垂向譜速度簡(jiǎn)單分析試驗(yàn)與仿真的相似性，結(jié)果如表2所示。

圖12 工況1的10號(hào)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(hào)傳感器的沖擊譜Fig.13 Shock spectrum of the 14th sensor in case 1

表2 試驗(yàn)與仿真譜速度對(duì)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(yàn)，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(yàn)值，垂向譜速度部分小于試驗(yàn)值，這可能由仿真模型不準(zhǔn)確及試驗(yàn)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(yàn)與仿真比值中，最大為1.04，最小為0.61；橫向譜速度的試驗(yàn)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(duì)LFSP提供的沖擊環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并建造了一種非標(biāo)試驗(yàn)系統(tǒng)LFSP。為檢驗(yàn)其是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4種考核工況下，開展了LFSP動(dòng)態(tài)試驗(yàn)?zāi)M仿真及水下爆炸試驗(yàn)。為更準(zhǔn)確地獲得LFSP所能提供的沖擊環(huán)境，對(duì)爆炸試驗(yàn)測(cè)量信號(hào)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(duì)更多的艦載設(shè)備進(jìn)行抗沖擊性能試驗(yàn)考核。

2）本文試驗(yàn)起到了對(duì)非標(biāo)試驗(yàn)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(duì)考核艦載設(shè)備的輸入，這對(duì)考核設(shè)備試驗(yàn)工況的選取具有一定指導(dǎo)意義。