2023, Vol. 45
2. 河南省水下智能装备重点实验室，河南 郑州450015
2. Henan Key Laboratory of Underwater Intelligent Equipment, Zhengzhou 450015, China
潜艇在水下航行时会受到鱼雷等水下兵器的攻击，水下非接触爆炸冲击载荷是艇载设备设计时必须要考虑的载荷环境，近年来水下设备抗爆性能的研究受到极大重视[1-5]。装载航行体的储运筒布置在潜艇上，当储运筒受到冲击、振动载荷作用时，筒上减震系统须满足水下航行体对水平和垂直方向的减震性能要求以保证其安全性。随着现代水下武器的发展，潜艇设计时对储运筒的水下抗冲击能力也有了更高的要求。
储运筒减震垫的设计和航行体动力学特性的研究主要通过仿真及相应的优化算法进行[6]，但水下爆炸冲击载荷传递特性复杂[7-9]，单纯依靠理论分析及仿真计算对于储运筒、航行体冲击环境研究远远不够，需进行水下爆炸冲击试验，验证计算方法，校验仿真模型，改进减震设计。但原型试验受场地、经费等环境因素的制约，缩比试验为研究水下结构水下冲击环境研究提供了一种思路。
本文介绍在靶场水池进行的缩比模型水下爆炸冲击试验，获取储运筒不同位置试验数据，然后分析试验数据获取横向冲击载荷特性。通过缩比模型冲击响应仿真与试验校验，验证仿真模型合理有效，迭代优化设计。后续还可通过缩比关系推导全尺寸模型输入载荷，研究全尺寸结构冲击动响应特性，支撑全尺寸结构冲击环境研究工作。
1 缩比模型爆炸冲击试验 1.1 水下爆炸经验理论水下爆炸试验受经费、场地等条件的约束，大装药水下爆炸实施条件困难，缩比试验是研究水下爆炸冲击的重要手段，而缩比关系则是水下爆炸试验研究的基础[10]。用量纲分析或已知试验方程导出其他变量的相似条件, 确定基本相似量。水下爆炸冲击波的传递变化规律如下：
| $ {P_{\left( t \right)}} = {P_{\left( m \right)}}{e^{( - t/\theta )}},{P_{\left( m \right)}} = {K_P}\left( {{W^{1/3}}/R} \right){a_p}。$ |
其中：
水下爆炸试验在靶场水池开展。深水炸弹、水雷、鱼雷等常规攻击武器对应的TNT当量在80～1000 kg之间，威胁最大的反潜鱼雷装药基本在130～500 kg之间。考虑遭受强攻击情况缩比后爆炸药量为1.5 kg，TNT通过变换攻击方位（正上、横向、斜下、正下）及冲击因子（0.2，0.35），设置不同的水下爆炸冲击试验工况，深入研究冲击载荷与弹舱系统动响应的关系。本文分析左、右横向冲击工况。
水下爆炸左、右侧正横向冲击如图1所示。
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图 1 水下横向冲击试验示意图 Fig. 1 Schematic diagram of underwater lateral impact test |
试验装置中，储运筒相对于中轴线对称布置，航行体布置在储运筒中。在航行体与储运筒之间均匀布置6圈减振垫，取图中右侧储运筒为研究对象，测试其在左、右横向方位冲击下各部位的动态响应。
1.3 储运筒中的减震试验产品储运筒中起横向与纵向减震作用的主要是横向减震垫和垂直减震器。其中减震垫对冲击载荷传递规律的影响主要由其刚度特性决定，按照缩比关系应对全尺寸减震垫进行刚度缩比等效模拟。
减震垫沿储运筒轴向分布，减震垫采用粘接方式安装于预设位置，储运筒自上而下布置有6圈刚度不等的减震垫。垂直减震器布置于储运筒底部，对航行体起垂向减震及支撑作用。
在进行爆炸冲击试验前，进行减震垫、减震器静刚度试验、冲击刚度试验，测试缩比减震垫冲击刚度。
测试可知：低刚度缩比减震垫冲击刚度约为5.5 E6 N/m；高刚度缩比减震垫冲击刚度约为2.4 E7 N/m；缩比垂直减震器冲击刚度约为6.8 E7 N/m。
1.4 测点布置与试验流程水下爆炸试验通常测点较多，本文介绍与储运筒、航行体相关的测点布置情况。如图2所示，加速度测点共8各，测点1布置于储运筒顶部法兰，测点2～测点7自上而下布置于航行体上，位置为所对应储运筒减震垫1～减震垫6下端位置处，测点8布置于垂直减震器基础上，加速度测点采样率50 kS/s。
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图 2 测点布置示意图 Fig. 2 Schematic diagram of measuring point arrangement |
试验基本流程为：测量系统布置分配；传感器布置；测量系统调试；模型状态检查；模型布置；爆炸前试验准备；爆炸试验；模型回收。最终完成正上、横向、斜下、正下冲击试验，横向冲击方位试验的爆炸深度H为5 m，距离缩比模型距离L为5 m。为提高试验数据的有效性，左、右侧横向冲击同样条件下，试验2次。
2 缩比模型爆炸横冲击试验数据分析 2.1 数据分析方法试验获取相应测点加速度测试数据、位移测试数据。对加速度进行积分获取储运筒测试部位的速度响应曲线，对速度响应数据进行积分，获取位移响应曲线。分别对左侧正横向冲击下发射装置横向响应、右侧正横向冲击下发射装置横向响应进行分析，获取储运筒横向冲击载荷特性。垂向、斜方向冲击数据分析方法也如此，本文仅正横向的试验数据进行分析。
2.2 横冲击试验工况装置数据处理分析对测点1和测点8即储运筒上法兰和减震器2处的测试加速度数据分析处理。法兰和减震器2处获得的速度响应如图3～图6所示。
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图 3 左正冲击下法兰横向速度响应 Fig. 3 Flange velocity response under left lateral impact |
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图 4 右正冲击下法兰横向速度响应 Fig. 4 Flange velocity response under right lateral impact |
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图 5 左正冲击下减震器横向速度响应 Fig. 5 Shock absorber velocity response under left impact |
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图 6 右正横冲击下减震器横向速度响应 Fig. 6 Shock absorber velocity response under right impact |
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图 7 左正冲击下法兰横向位移响应 Fig. 7 Flange displacement response under left lateral impact |
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图 8 右侧正横冲击下法兰横向位移响应 Fig. 8 Flange displacement response under right lateral impact |
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图 9 左正横冲击下减震器横向位移响应 Fig. 9 Shock absorber displacement response under left ateral impact |
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图 10 右正横冲击下减震器横向位移响应 Fig. 10 Shock absorber displacement response under right ateral impact |
横向方位冲击下储运筒响应有以下特点：
1）此次测试获取的储运筒法兰、减震器安装基座速度响应规律可以简化为1个正负三角波速度载荷和一小段振荡；
2）从速度角度来看，储运筒垂直减震器基础阶跃速度峰值约2.5 m/s，内筒法兰处跃速度峰值约0.8 m/s；
3）从位移响应来看，储运筒横向位移冲击载荷可以简化为半正弦波，周期0.4 s，储运筒垂直减震器基座在左正横冲击工况下位移约为0.018 m，右正横冲击工况下，约为0.035 m。
3 冲击响应仿真与试验校核 3.1 校验模型用的测试数据测试数据中测点3（第2圈减震垫下）、测点6（第5圈减震垫下）加速度实测数据积分后获取的速度数据如图11和图12所示。
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图 11 测点3速度响应 Fig. 11 Velocity response at measuring point 3 |
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图 12 测点6速度响应 Fig. 12 Velocity response at measuring point 6 |
可以看出，2次右正横冲击试验测试一致性好，可作为校验模型用测试数据。对比2处的速度相应，可知无论是极小值还是极大值，二者基本相当，曲线规律也基本相同，因而可认为横向冲击过程航行体接近于整体横移。
3.2 横向冲击响应仿真建立航行体、减震垫、储运筒模型，忽略减震垫缝隙，减震垫在储运筒中布置方案见表1。
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表 1 减震垫布置方案 Tab.1 Shock pad layout scheme |
减震器采用上下2个刚盘模拟，2个刚盘采用弹簧单元连接参考点，弹簧刚度6.8 E7 N/m。减震垫与航行体绑定连接，与储运筒内壁表面摩擦接触。由减震垫压缩刚度曲线可知，减震垫在前2.5 mm压缩量下，刚度曲线近似线性，低刚度约为5.5 E6 N/m，高刚度减震垫约为2.4 E7 N/m，仿真模型中减震垫采用等效弹性体代替。
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图 13 横向减震系统计算模型 Fig. 13 Calculation model of transverse shock absorption |
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图 14 垂直减震器模型 Fig. 14 Calculation model of vertical shock absorption |
在储运筒法兰处施加横向位移载荷，位移载荷由储运筒法兰实测加速度数据2次积分获取，对垂直减震器模型施加相同的横向位移载荷。
从仿真结果中提取储运筒上测点3位置、测点6位置速度响应，如图15和图16所示。
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图 15 仿真计算获取的测点3速度响应 Fig. 15 Velocity response of measuring point 3 by simulation |
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图 16 仿真计算获取的测点6速度响应 Fig. 16 Velocity response of measuring point 3 by simulation |
对比2个位置处仿真计算结果与试验测试结果，可以看出：
1）从规律来看，仿真与测试相似，先在0.075 s达到第1个波峰，然后在0.25 s附近达到波谷，最后再在0.3 s达到另一个波峰；
2）从响应曲线细节来看，二者有不小的差异，仿真与测试曲线均在0.1 s与0.28 s附近有波动，但仿真计算求得的波动较大，而测试获取的波动较小；
3）从速度响应幅值来看，仿真结果在第1峰值点小于试验结果30%，在第2个峰值点大于试验结果25%；
4）总的来看，仿真计算可以很好模拟弹体横向动响应量级及规律，但与真实响应存在差异。
4 结 语通过开展缩比模型水下爆炸试验，测量缩比模型、储运筒、航行体等典型部位的冲击响应参数，获取冲击载荷特性，为验证艇载设备冲击环境预报方法、研究储运筒航行体抗冲击特性提供试验支撑。
1）建立缩比相似准则，设计缩比模型，完成了缩比模型水下爆炸冲击试验，获取了冲击试验测试数据，研究爆炸冲击下储运筒冲击输入载荷特性。缩比试验获取的储运筒速度冲击载荷数据具有较高的参考价值。
2）建立缩比储运筒冲击动力学计算模型，进行横向冲击仿真计算。计算结果与试验结果在规律、量级等方面具有很高的一致性，计算方法可行，仿真模型有效。
3）通过缩比关系，可从缩比冲击载荷推导获取全尺寸储运筒冲击载荷。采用此种计算方法对全尺寸储运筒冲击环境进行预报分析，可为储运筒冲击环境深入研究提供理论支持。
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