0 引　言

船用发动机消声器是降低舰船发动机噪声的装置，其与船用发动机相连，该消声器受到爆炸冲击时，其发生严重变形情况，会直接造成船用发动机损坏，因此研究船用发动机消声器抗冲击性能意义重大。目前也有很多学者研究船用发动机消声器的抗冲击方法，如有学者提出的消声器联合仿真方法，该方法利用三维软件建立船用柴油机消声器仿真模型，在利用相关冲击计算软件在不同冲击情况下计算船用柴油机消声器受冲击性能^[1]。刘晨等以某型号消声器为研究对象，搭建试验台后，利用传感器获取消声器受冲击后变化数值^[2]。上述2种方法虽均可得到消声器受冲击性能，但其均存在仿真结果不够准确情况，应用效果不佳。为此本文提出船用发动机消声器抗冲击性能测试方法，为船舶防御提供更为精准的消声器抗冲击性数据。

1 材料与方法 1.1 消声器选取

以某船发动机复合型消声器为研究对象，其装配在前后机舱的右侧和左侧以及后机舱的左右两侧，其外表是直筒型结构，直径为1.9 m，长度为5.8 m。其内部为进气腔、吸声体配件、旋流腔以及排气腔等构成。该复合型消声器外部结构为304钢，内部为吸声棉。消声器安装位置为舰船01甲板和02甲板之间和1甲板和01甲板之间，当舰船受到爆炸冲击时，位于下层的消音器受到的冲击破坏略小^[3-4]。该复合型船用发动机消音器如图1所示。

1.2 船用发动机消声器三维模型构建

使用Matlab软件和Pree建模软件建立船用发动机消声器三维模型，其详细步骤如下：

1）建立船用发动机消声器数学模型。由于船用发动机消声器为圆柱形状，其表面是由三圆弧构成的^[5]，且位置不同其曲线弯曲程度不同。但其切线上两边的圆弧为对称状态，通过建立圆弧对称曲线方程建立船用发动机消声器数学模型。

2）消声器轮廓生成。利用船用发动机消声器数学模型获取消声器所有曲线数值后，将其输入到Matlab软件内。利用该软件对消声器曲线数值进行拟合处理后，建立其轮廓曲线方程，获得消声器空间位置坐标点。将该坐标点连接后，生成消声器轮廓，然后将该轮廓导出并生成.ibl文件。

3）将消声器空间位置坐标点的.ibl文件导入到PreE建模软件内，利用代码读取.ibl文件后，对其进行微调处理。然后在PreE建模软件页面内点击插入、模型标准，选举则自文件后，点击完成，即可生成船用消声器三维模型，如图2所示。

1.3 消声器冲击模拟荷载施加方案设计

舰船在水下出现非接触式爆炸情况时，船用发动机消声器的冲击来自舰船自身甲板运动。而消声器是通过连接点与减震器与船用发动机相连的因此消音器的冲击方向以连接点作为原点，冲击方向分别为0°、45°和90°。冲击荷载为800 kg/TNT炸药在其不同方向上10 m，30 m和50 m位置爆炸。船用发动机消声器冲击荷载时计算情景如表1所示。

1.4 船用发动机消声器冲击应力计算及冲击输入谱设计

按照船用发动机消声器冲击荷载计算情景，使用动态设计分析方法得到消声器冲击荷载数值。按照模态叠加规则，消声器的基底建立有效振型质量表达公式如下：

$ M_n^* = \sum\limits_{j = 1}^N {{\varphi _{jn}}} = {\kappa _n}L_n^h 。$

(1)

式中： $ M_n^* $ 表示消声器基底建立有效振型质量； $ N $ 表示振型的总阶数且 $ n \in N $ ； $ {\kappa _n} $ 表示振型参与系数；j表示消声器；L和h分别表示距离和时长； $ {\varphi _{jn}} $ 表示冲击模态频率。

消声器受到第 $ n $ 阶振型冲击时，其总模态冲击应力计算公式如下：

$ {r_n}(t) = r_n^{st}{G_n}(t) 。$

(2)

式中： $ {r_n}(t) $ 表示总模态应力； $ {G_n}(t) $ 表示模态位移； $ r_n^{st} $ 表示在模态频率和时间分别为 $ s $ ， $ t $ 时消声器模态冲击应力。

设计舰船冲击等级、危险区域分析时的冲击输入谱，如表2所示。

按照表2 舰船冲击输入谱，在分析船用发动机消声器抗冲击性能时舰船的加速度和速度计算公式如下：

$ A = 196.2\times \left[ {(17.01 + \zeta )(5.44 + \zeta )} \right]/(2.72 + \zeta ) ，$

(3)

$ B=11.52\times(5.44+\zeta)/(2.72+\zeta)。$

(4)

式中：A和B分别表示舰船的加速度和速度；表示模态质量。

依据式(3)和式(4)得到舰船加速度后，将其输入到船用消声器三维模型环境内，获取在船舶在该加速度情况下其消声器在不同冲击情景下的冲击应力变化情况。

2 试验分析

测试爆炸方向角分别为0°，45°和90°时，爆炸距离不同情况下，船用发动机消音器总应力变化情况，结果如图3～图5所示。分析可知，爆炸方向角越大，则船舶发动机消声器的总应力数值越高，且爆炸距离越近，则小仪器总应力数值越高。其中当方向角为0°时，爆炸距离不同时的消音器最大等效应力在时间为1 s左右时开始呈现上升趋势，但上升幅度相对稍小，且最大等效应力出现在爆炸距离为10 m时，最大等效应力为93 MPa左右。当爆炸方向角为45°和90°时，不同爆炸距离的最大等效应力曲线开始时间稍微向后延伸，但延伸数值极小，其原因在于爆炸中心不同，其传播到船舶发动机消声器位置处会出现时间差。而此时不同爆炸距离的消音器的最大等效应力曲线呈现稍大幅度增加趋势，且不同爆炸距离时的最大等效应力数值也得到提升。综上结果，距离船用发动机消音器越近。爆炸角度越大，其所受到的冲击越大。

以冲击响应云图方式分析船用发动机消声器抗冲击性能，结果如图6所示。分析可知，船用发动机消声器的冲击响应云图数值自其冲击方向向其他方向延伸。其中靠近冲击方向位置的消声器部位所受的应力数值较大，并自消声器所受应力中心向四周延伸，同时消声器所受应力数值呈现降低趋势。综上结果，船用发动机消声器所受应力从其冲击方向向四周延伸，且其接受冲击应力的中心位置应力冲击数值越大。即受冲击应力中心位置较为脆弱，容易出现裂缝或断裂情况。

由于爆炸会使周围环境温度迅速升高，测试在不同环境温度时，船舶发动机消声器受冲击时的屈服数值，结果如图7所示。分析可知，船用发动机消音器受冲击屈服数值随着环境温度的增加而增加，其中在环境温度为280℃之前时，消音器受冲击屈服数值呈现稍大幅度增加趋势，当环境温度超过280℃后，消音器受冲击屈服数值呈现指数上升趋势。当环境温度为400℃时，消音器的屈服数值为98 MPa左右，该数值低于其屈服极限，说明此时该消音器并未发生损坏情况。综上结果，环境温度越高，则消音器受冲击时的屈服数值越高，在环境温度低于400℃时，该消音器的屈服数值均低于其屈服极限值，说明其抗冲击性能较好。

3 结　语

本文研究船用发动机消声器抗冲击性能测试方法，并从多个实验情景入手，对本文方法进行了验证。验证结果得知，船用发动机消声器的抗冲击性能受爆炸角度、环境温度以及冲击方向影响较大，靠近冲击方向位置处的应力数值较大，较容易出现损坏情况。依据本文结果，可为优化船用发动机消音器提供良好的数据基础。