重型弹性安装设备非标冲击试验考核方法研究

晏 明，马伟明，陈学兵，何 斌，唐佳炜，邵建南

（1.舰船综合电力技术国防科技重点实验室（海军工程大学），武汉 430033；2.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡214082）

0 引 言

对作用在设备上的瞬态冲击载荷的描述，有两种方法[1]。一种是直接描述法，即直接描述冲击在时域内或频域内的机械物理量；另一种是间接描述法，即通过冲击作用下设备的响应或冲击所产生的效应来描述。

一般说来，时域内的直接描述法包括两类。一类是采用冲击载荷的时间曲线；另一类则采用时间曲线上的某些特定的量来简明地描述冲击类型或冲击烈度。在涉及设备的抗冲击设计问题时，由于工程实际中复杂冲击运动的时间曲线之间往往难以比对，所以，用时域内的直接描述法来表述冲击环境既不直观，也不典型，因而使用范围比较有限[2]。频域内的直接描述法是常用的傅里叶谱表示法，此方法已广泛应用于模态分析和传递特性分析，但很少用来表示冲击环境。

间接法之一是通过设备的冲击动响应幅值或破坏程度来描述冲击烈度，或对冲击作比较。此类方法往往要对设备作反复的试验，因此在使用中并不经济。目前，应用最广泛的间接描述方法，是冲击谱方法。

所谓冲击谱[3]，就是一种无阻尼的单自由度振子对冲击载荷的最大响应随振子频率变化的图谱。用冲击谱来描述一个冲击之所以得到广泛的应用，其主要原因在于：

（1）冲击运动的时间曲线是千变万化的，但是同类冲击现象的冲击谱之间则具有明显的重复、类比的特性，且可作平均处理。因此，用冲击谱对冲击环境作定量的比较和描述有特殊的好处；

（2）冲击谱往往可以用十分简单的形式来概括，而且这种形式可用于不同的冲击源，例如水下爆炸对船舶的冲击，冲击试验机的冲击等。因此，在实验室条件下，模拟实际冲击环境的冲击谱特征比模拟一个冲击时间过程更为现实。

基于上述原因，本文首先采用冲击谱方法对重型弹性安装设备的43 g×11 ms半正弦设计冲击载荷进行了描述，并将其与浮台冲击谱进行了比较，发现设计冲击谱与浮台冲击谱在重型弹性安装设备预估的安装频率处的谱值相当，说明时域设计载荷和浮台冲击谱对重型弹性安装设备考核结果具备一致性。接着，对该重型弹性安装设备在浮台上开展了试验考核，由于预估安装频率与实际的偏差，导致在安装频率处设计冲击谱值与浮台冲击谱值不等效。最后，通过调整装药质量和爆距，改变浮台冲击谱在低频段倍频程频率，实现了设计载荷冲击谱与浮台冲击谱的一致性。

1 标准浮动冲击平台简介

图1 我国标准浮动冲击平台图片Fig.1 The picture of the standard floating shock platform(SFSP)in our country

为保证舰船设备的抗冲击能力，装舰设备的研制必须经过冲击试验考核，经冲击试验考核合格后的设备方可安装到舰艇上。我国现行的舰船设备抗冲击试验考核的标准GJB150.18-86[4]主要参考美国的标准MIL-S-901C[5]制定，其中规定不同重量等级的舰船设备必须在不同的试验装置上进行冲击试验考核。以往由于缺乏大型冲击考核试验设施，国内设备抗冲击考核试验的范围仅仅局限在质量小于2.7t的设备。随着我国加大对舰船设备抗冲击试验考核设施的投入力度，目前我国已经研制了可实施舰船重型设备冲击试验考核的标准浮动冲击平台，如图1所示。该浮台长宽尺寸为11.7 m×5.0 m，工作区域的长宽为11.1 m×4.3 m，能考核的舰船设备（内部安装时）最大质量可达到50 t。

2 半正弦载荷冲击谱与浮台冲击谱的特征分析及等效性分析

2.1 半正弦载荷冲击谱特征分析

某重型弹性安装设备重37 t，半正弦冲击设计载荷43 g×11 ms对应的冲击谱如图2所示。其中，低频段为等速度谱，谱速度为半正弦载荷积分的最大速度，高频段为等加速度谱，谱加速度为半正弦载荷的加速度峰值。

图2 半正弦载荷冲击谱Fig.2 The shock spectrum of the semi-sine load

图3 典型浮台冲击谱Fig.3 The typical shock spectrum of SFSP

2.2 浮台冲击谱特征分析

我国研制的浮台在投入使用前，已按GJB 150.18-86规定的标准考核工况对其在不同负载下的冲击环境开展了详细的水下爆炸标定试验，获取了浮台在标准考核工况下的冲击环境及各种负载对冲击环境的影响规律[6]。典型浮台冲击谱如图3所示。从总体上看，浮台冲击谱低频段由于气泡脉动的影响在其倍频程处呈现振荡效应。

2.3 半正弦载荷冲击谱与浮台冲击谱等效性分析

图4为半正弦载荷冲击谱与浮台冲击谱的比较，表1列出了重型弹性安装设备安装频率处的谱值。从比较结果可以看出：在重型弹性安装设备7 Hz安装频率处，半正弦载荷冲击谱的谱值（谱速度2.94 m/s）与浮台冲击谱的谱值（谱速度3.04 m/s）相当，说明半正弦载荷冲击谱与浮台冲击谱基本是等效的，即在浮台上开展试验可达到重型弹性安装设备在其设计载荷下试验考核的目的。

图4 半正弦载荷冲击谱与浮台冲击谱的比较Fig.4 The comparison between the shock spectrum of the semisine load and the shock spectrum of the SFSP

表1 重型弹性安装设备安装频率处的谱值比较Tab.1 The spectral values comparison at the installation frequency of the heavy elastic equipment

3 试验实施与结果分析

本次重型弹性安装设备试验考核共进行了两次试验。首先，按照图4浮台冲击谱对应的试验工况（即工况1）对该重型设备在浮台上进行冲击试验，发现设备响应未达到设计冲击要求，根据设备的响应发现预估的安装频率与实际有出入。由于浮台低频段冲击谱受气泡脉动的影响在其倍频程处呈现谱峰值，不在倍频程处的谱值则远小于要求的考核谱。因此要达到试验目的，只能调整设备的安装频率，使之接近于气泡脉动频率的整数倍，同时调整炸药药量和与浮台的相对位置，来达到设计载荷冲击谱与浮台冲击谱的等效。

3.1 工况1试验结果分析

为了获得设备的响应谱，本次试验测量了设备本体上加速度响应和位移响应，根据设备的加速度响应峰值及位移响应峰值，并结合下列公式

即可得到设备的安装频率f（Hz）及谱速度V（m/s，即响应谱）。其中：A表示加速度峰值（g）；D 表示位移峰值 （m）；ω 表示设备的圆频率（rad/s），ω=2π f。 根据试验获得的设备谱速度V，再结合下列公式

即可得到设备的等效输入载荷峰值Am（g）。其中：T表示设备等效半正弦输入的脉宽（s），为 11 ms。

通过工况1试验，获得了设备加速度响应峰值为9.9g，位移峰值为37.5 mm，结合（1）式得出的响应谱为1.91 m/s，安装频率为8 Hz。图5给出了工况1下设备响应谱与浮台冲击谱的比较。其中，在频率为8Hz处，浮台冲击谱的谱值为1.95 m/s。从中可以看出，在设备8 Hz安装频率处，设备响应谱的谱值与浮台冲击谱的谱值相当吻合。

根据试验获得的设备响应谱，结合（2）式得出的其等效半正弦载荷为27.8 g×11 ms，如图5所示。从中可以看出，工况1下获得的设备等效半正弦载荷与设计载荷有较大的出入。但在7 Hz频率处，本次试验冲击谱谱值与半正弦载荷为43 g×11 ms在此频率处的冲击谱谱值相当。因此，通过工况1对设备的安装频率进行修正，给出8 Hz安装频率下两者谱值等效的方法，即可在浮台上实现设计载荷。

图5 工况1下设备响应谱与浮台冲击谱的比较Fig.5 The comparison between the response spectrum of the equipment and the shock spectrum of the SFSP under the condition 1

图6 与气泡驱动因子相关的参数Fig.6 Parameters associated with the bubble driving factor

3.2 工况2试验结果分析

从图5可以看出，浮台低频段冲击谱由于气泡脉动的影响在其倍频程处呈现谱峰值，而工况一下设备的安装频率刚好是在浮台冲击谱低频段的谱谷上。经分析，影响设备低频段响应的主要因素包括气泡脉动频率、设备安装频率和气泡驱动因子[7]等。气泡驱动因子（BD）的计算公式如下所示：

其中：z0=d+10.3为气泡所处位置流体静压力的等效水深度（m）；d为炸药到水面的垂直距离（m）；W为炸药药量（kg）；amax为气泡最大半径（m）；h为炸药到浮台外底龙骨的垂直距离（m），如图6所示；r为爆距，即炸药距浮台外底龙骨的直线距离（m）；α为攻角（°）。

气泡脉动频率受炸药药量和爆深控制，气泡驱动因子与爆距、攻角和气泡最大半径相关，而气泡最大半径也受炸药药量和爆深控制。于是，在保证浮台安全的前提下，通过调整试验工况 （主要是改变装药量和爆距调整气泡脉动频率，并提高气泡驱动因子），来达到8 Hz安装频率下设计载荷冲击谱与浮台冲击谱的等效。

图7给出了工况2下设备响应谱与浮台冲击谱的比较。表2列出了重型弹性安装设备在8 Hz安装频率处的要求谱值和试验谱值。从比较结果可看出：在8 Hz安装频率处，设备响应谱的谱值与浮台冲击谱的谱值是等效的，且设备响应达到了设计冲击要求。根据试验获得的设备响应谱，得到其等效半正弦载荷为43.4 g×11 ms，最终在浮台上实现了重型弹性安装设备在其43 g×11 ms设计冲击载荷下的试验考核目标。

图7 工况2下设备响应谱与浮台冲击谱的比较Fig.7 The comparison between the response spectrum of the equipment and the shock spectrum of the SFSP under the condition 2

表2 重型弹性安装设备8 Hz安装频率处的谱值比较Tab.2 The spectral values comparison at the installation frequency(8 Hz)of the heavy elastic equipment

4 结 语

本文采用等效冲击谱的方法，在我国研制的标准浮动冲击平台上实现了37 t的重型弹性安装设备在其43 g×11 ms设计冲击载荷下的非标试验考核。

通过本次试验得到的主要结论如下：

（1）对于重型弹性安装设备，半正弦加速度冲击谱和浮动冲击平台冲击谱在其安装频率下谱值相等是判别两者等效的基准；

（2）影响浮动冲击平台低频安装试验设备响应的主要因素包括气泡脉动频率和气泡驱动因子。通过调整该影响因素，可以实现重型弹性安装设备的非标冲击试验考核；

（3）由于受气泡脉动的影响，浮动冲击平台低频段的冲击谱存在严重的振荡现象。进行设备考核时，要针对设备的安装频率进行谱值一致性设计，否则会出现过考核和欠考核。

参 考 文 献：

[1]吴有生,吴永年.冲击谱分析方法[J].舰船性能研究,1980(2)：123-142.Wu Yousheng,Wu Yongnian.Analysis method of shock spectrum[J].Research on Ship Performance,1980(2)：123-142.

[2]Bort R L.Assessment of shock design methods and shock specifications[J].SNAME,Tran.1962,70(11)：459-494.

[3]Scavuzzo R J,Pusey H C.舰船冲击分析与设计[M].周康译.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,2006：39-44.Scavuzzo R J,Pusey H C.Ship shock analysis and design[M].Zhou Kang translated.Harbin：Harbin Engineering University Press,2006：39-44.

[4]GJB150.18-86.舰船设备的冲击试验,军用设备环境试验方法[S].1986.GJB150.18-86.Impact tests for warship equipment,environmental test methods for military equipment[S].1986.

[5]MIL-S-901D Military specification shock tests,H.I.(HIGH-IMPACT)shipboard machinery,equiment and systems requirements for[S].1989.

[6]陈学兵,何 斌,等.标准浮动冲击平台冲击环境试验及分析[J].兵工学报,2014,35(2)：8-12.Chen Xuebing,He Bin,et al.Test and analysis about the shock environment of standard floating shock platform[J].Acta Armamentarii,2014,35(2)：8-12.

[7]Liu J H,He B,Liu G Z.Investigation of the low-band response spectra of the standard floating shock platform to UNDEX[C]//Proceedings from the 84th Shock and Vibration Symposium,November 3-7,2013.Atlanta,Georgia,2013.