舰船冲击试验及大型振动冲击台的应用

吴晖，张成，任龙龙，张亮，程晓达

（1．海军驻武汉701所军事代表室，湖北武汉430064; 2．哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001; 3．哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001）

0 引言

船用大型设备抗冲击性能研究可通过计算机仿真或试验手段来实现。对于大型设备的抗冲击性能评估目前主要采用数值仿真手段，而相关的试验研究却很少，数值仿真手段是否能准确反映大型设备的抗冲击性能还没有定论，必须进行相关的试验研究才能对数值手段的可信度进行验证。

冲击试验手段通常包括跌落式台架试验、摆锤式冲击试验、浮动冲击平台试验及海上实船水下爆炸冲击试验等［1－3］。海上实船水下爆炸冲击试验耗资巨大，不易实施。跌落式台架试验、摆锤式冲击试验产生的冲击载荷峰值有限，而且载荷的作用时间、峰值大小很难控制，很难对设备的抗冲击性能进行完善的试验。而冲击振动台平台试验采用计算机自动控制，能较准确地产生一系列的冲击载荷，冲击波形式包括半正弦波、三角波、矩形波、梯形波等，而且花费较少，所以较适合用来模拟水下爆炸产生的冲击载荷。

1 抗冲击试验手段

试验手段通常包括跌落式台架试验、摆锤式冲击试验、浮动冲击平台试验、海上实船水下爆炸冲击试验等。

1.1 跌落式台架试验

跌落式冲击试验的原理:将样品直接固紧到台面或通过夹具固紧到台面上，将工作台面提升至一定的高度，释放后自由跌落，或使用压缩空气加速，台面底部与底座上的缓冲垫层（波形发生器）碰撞，使台面受到一个向上的冲击载荷，再由台面将所产生的脉冲载荷传递给固定于台面的样品，从而实现对固定于台面上的产品的冲击。另外，在台面上装有加速度感测器，通过量测台面的加速度，以确定样品所承受到的冲击脉冲载荷，如图1所示。

图1 跌落冲击试验台Fig．1Dropping impact test bed

跌落式冲击试验的方法及规格相当多，依据其目的有以下2种［4］:

1）检测包装货物中内容是否充分受到保护的试验，检验使用过程中或运输过程中是否能承受反复颠簸的冲击试验。试验方法为:IEC 60068－2－29－87 （Basic Environmental testing procedure Ea:Bump）JI C0042－95环境试验方法——电器及电子颠簸试验法。

此冲击试验规格是1种测试零组件和机器运输途中，或使用中受到反复冲击的品质管理手法，采用冲击脉冲为半正弦波，试验条件是最大加速度，需组合作用时间及颠簸次数选择。

2）规定保证产品或零组件品质，保证在使用中及运输途中不被破坏的冲击试验，为包装设计而求取产品耐冲击强度的冲击试验。试验的目的是为保证产品有适当的缓冲包装结果，能耐使用中和运输中所受冲击的方法。

此类试验对样品的重心偏移误差，冲击面的刚性及环境所造成的误差有一定的要求。

1.2 摆锤式冲击试验

摆锤式冲击试验是评价试件冲击韧性应用最广泛的一种传统力学性能试验。目前，由于摆锤式冲击试验机的结构简单紧凑、操作方便、价格便宜，并具有一定的模拟性和重复性等优点，因此在国内外被广泛使用。

1.3 海上实船水下爆炸冲击试验

在海上进行实船抗冲击试验是抗冲击性能研究最有效的手段之一，实船抗冲击试验和现代测试技术结合，即可形象直观地了解舰船在水中兵器攻击下柴油机的运行和损坏情况，又可定量获取柴油机运行参数和抗冲击性能参数。实船抗冲击试验贴近实际海战冲击环境，试验规模和耗资庞大，对舰船破坏性强，海上试验条件恶劣，对测试设备的可靠性，以及参试人员安全性要求高。

美国海军早在1860年就进行了船体抗爆试验，英国海军也于1874年在英格兰Portsmouth的Stoke海湾进行了第一次全面的水下爆炸试验［5－6］。文献［7］详尽地阐述了舰艇水下爆炸试验研究的完整历史，记述了自19世纪开始的所有影响的水下爆炸试验。舰艇冲击试验是验证在战斗冲击环境下舰艇及其系统抗冲击能力的最佳途径。美海军规定新型潜艇和水面舰艇需按OPNAC INST9072.2进行冲击试验［8］。舰艇冲击试验是在不同药量、不同水深、不同距离等条件下对舰艇进行的一系列水下爆炸试验。

但是，冲击试验需要大量费用和时间，因而各国在水下爆炸冲击试验研究的投入有很大差别。美国海军研究中心采用试验为主计算为辅的模式，对每艘舰船都进行冲击试验，直至舰船达标后才允许其服役。美国在二战期间和二战后，曾对一批报废舰船和俘获的日本舰船做了系列的水下爆炸试验，取得相当多的数据和结论。20世纪70年代至80年代，欧美等国家对于舰船结构部件、机械装置也做了不少爆炸试验。20世纪60年代，日本对不同尺寸、不同筋板结构的多个加筋圆柱壳在不同炸药量和不同水深下进行了大量的试验研究。1996年，荷兰TNO为建设“黄蜂”号扫雷舰，对1个圆柱型舰船模型进行了6次水下爆炸试验［9］。

1.4 浮动冲击平台试验

海上实船爆炸试验虽然对提高水面舰艇在战争中的生命力非常有益，能提供一个近乎均匀的冲击环境，但是和实际作战中的武器所产生的冲击还是有差别的，尤其是实际作战中武器所产生的冲击环境从舰首到舰尾都是不一样的，局部可能超过设计要求。此外，冲击试验的试验条件不考虑水下爆炸气泡在舰艇外表面附近产生的涡旋震荡。由于水下爆炸试验成本昂贵，同时考虑舰艇人员安全以及对环境的影响，一般只进行模拟舰艇爆炸试验。所谓模拟舰艇，是指在尺寸和结构上和实际舰艇相似的试验平台或样舰，爆炸试验从相对小的冲击水平开始，逐渐增加到一定的严酷度。

进行模拟舰艇爆炸试验的主要设施有爆炸水池和浮动平台。比较有名的有阿伯丁爆炸水池、加拿大国防技术研究开发中心爆炸水池、英国的海洋技术中心浮动冲击平台STV01及我国702所的浮动冲击平台等，如图2所示。

图2 浮动冲击平台Fig．2Floating shock platform

爆炸冲击试验的成本昂贵，试验次数很有限，难以从概率统计学角度得到有意义的试验结果，而环境保护又使公开的冲击试验面临更多的问题。由于舰艇冲击试验的上述内在风险，冲击试验的当量等级并没有达到舰船破坏极限要求，甚至无法达到真实的战时冲击环境强度［10］。

2 目前冲击试验最常用手段

基于经济性、实用性和可实现性等方面的考虑，目前最常用的冲击试验手段为摆锤式冲击试验。

摆锤式冲击试验的原理［11］:试验时，摆锤冲击试验机的起吊臂牵引摆锤上升到预定位置后，释放钩张开，摆锤自由落下，锤头击打安装试验件的水平台面。平台受到摆锤冲击，反复撞击试验台基座上的弹性缓冲器，从而产生衰减的复杂振荡冲击波形。测量系统通过传感器和电荷放大器等记录台面运动的时间历程响应，冲击采集系统将运动的时间历程处理成为冲击谱，得到冲击谱试验数据曲线，如图3所示。

图3 摆锤式冲击试验系统原理图Fig．3Principle of pendulum impact test system

研究结果表明，对一个确定的摆锤冲击试验机来说，影响其性能的因素主要有3条:摆锤提升角度、缓冲器的刚度、试验件与夹具组合体的装夹方式。

3 振动冲击台

随着人们对产品精度、可靠性要求的提高，以及船舶、航天等领域发展的需要，人们越来越重视产品的抗冲击性能，与之相应的冲击试验平台也在不断发展，以力脉冲发生器的发展为标志，冲击试验平台主要经历了以下3个发展阶段:

第1阶段，最早期冲击试验机是机械式冲击试验机。它主要以橡胶、毡垫、弹簧等作为力脉冲成型器，这种冲击试验机只产生单一的波形，它的自动化程度通常很低。

第2阶段，以自动控制理论的发展、自动化设备的兴起、新材料的发展为基础，以使用特制材料与液压或气动控制结合为特征的力脉冲发生器作为缓冲器，不同的脉冲发生器产生不同波形。这种力脉冲发生器精确度比较高，性能也相当稳定。

第3阶段，1980年以来，随着计算机应用与集成电子技术的快速发展，以能在1台缓冲器上产生多种力脉冲波形的智能化缓冲器为特征，并辅以高度自动化控制以及数据分析设备的新型冲击试验台。

本节以ES－160振动冲击平台为例，介绍目前振动冲击平台在大型设备抗冲击试验中的应用。ES－160冲击测试系统通过计算机控制液压作动器产生多种冲击波形，对设备进行垂向和水平冲击，利用谐波失真缩减系统纠正液压作动器的固有波形失真以满足规定波形。可分别完成三轴向的正弦振动试验、宽带随机振动试验以及经典（半正弦、梯形、后峰锯齿）脉冲和冲击回应谱试验。冲击试验平台如图4所示。图5（a）为根据德国BV军用标准生成的冲击输入波形，图5（b）为试验台输出的冲击波。可以看出，振动冲击平台输出的波形能准确地对军用冲击标准进行模拟。下面以船用主汽轮机汽缸的抗冲击实验为例，对采用振动冲击台进行船用大型设备的抗冲击实验进行分析。

4 振动冲击台应用实例

试验在ES－160冲击平台上进行，载入部位为工装件底部，范围为与冲击试验台的接触区域。振动台输出半正弦波形，如图5（b）所示，冲击输入的峰值及脉宽分别为工况1:4g，10 ms;工况2:6g，10 ms;工况3:8g，10 ms;工况4:12g，10 ms;工况5:16g，10 ms。试验时分别在横向、纵向、垂向按工况1～5依次对试验模型加载。冲击载入情况见图6。

试验测得加速度值与数值计算值对比及试验测得应力值与数值计算值对比如图7所示。计算的输入为德国BV军标规定的冲击输入谱。由图7可以看出加速度计算值和实测值符合得很好;由图8可以看出应力计算值和实测值的峰值符合得很好。说明采用振动冲击平台进行抗冲击试验能很好地模拟军用标准。

5 结语

设备抗冲击试验手段包括跌落式台架试验、摆锤式冲击试验、浮动冲击平台试验、海上实船水下爆炸冲击试验。目前摆锤式冲击试验应用最广泛，但精度不高。而海上实船水下爆炸试验是最有效的试验手段，但耗资巨大、试验失败的风险较高。在ES－160冲击平台上进行的船用主汽轮机汽缸冲击试验表明:振动冲击平台输出的冲击波精度很高，能准确地对军用冲击标准进行模拟，而且实现起来方便、经济，可重复实现。振动冲击平台克服了其他冲击手段的缺点，兼有它们的优点，是设备抗冲击试验手段的发展趋势。

图8 应力实验值与计算值对比Fig．8Comparison of stress measured value and calculated value

［1］候维达，李国华，赵本立．强碰撞中型冲击机及其应用［J］．船舶工程，1995，（1）:28－32．

HOU Wei-da，LI Guo-hua，ZHAO Ben-li．Medium-sized high impact shock machine［J］．Ship Engineering，1995，（1）:28－32．

［2］王贡献，褚德英，张磊．舰船设备冲击试验机研究进展［J］．振动与冲击，2007，26（2）:152－183．

WANG Gong-xian，CHU De-ying，ZHANG Lei．Advances in shock test facilities for shipboard equipments［J］．Journal of Vibration and Shock，2007，26（2）:152－183．

［3］李伯松，贺永胜，韩乃仁，杜馗．模拟爆炸振动的冲击试验机简介［J］．爆炸与冲击，2002，22（1）:79－82．

LI Bo-song，HE Yong-sheng，HAN Nai-ren，DU Kui．Brief introduction of shock testing machine for simulating blast vibration［J］．Explosion and Shock Waves，2002，22（1）:79－82．

［4］毛勇建．跌落冲击机垫层的硬非线性对半正弦波模拟的影响［J］．环境技术，2002，（5）:5－9．

MAO Yong-jian．Effects of hard nonlinear cushion for drop shock machine to simulation of half sine waveform［J］．Environmental Technology，2002，（5）:5－9．

［5］KEIL A H．The response of Ship to underwater explosion［M］．SNAME，1961．

［6］WELCH W P．Mechanical shock on naval vessels as related to equipment design［J］．Journal ASNE，1946，58．

［7］汪玉，华宏星．舰船现代冲击理论及应用［M］．北京:科学出版社，2005．

WANG Yu，HUA Hong-xing．Modern impact theory and application of ships［M］．Beijing:Science Press，2005．

［8］OPNAV Instruction 9072.2．Shock hardening of surface ships［Z］．12 January，1987．

［9］BOSMAN B．Shock trials trojka drone:measurements shot 1，2 and 3［R］.AD－A321541，1996．

［10］Naval Sea Systems Command．Live Fire Test and Evaluation of U．S．Navy Ships Process Description［Z］．1993．

［11］JEON B S，LEE J J，KIMET J K．LOW velocity impact and delimitation buckling behavior of composite laminates with embeddedopticalfibers［J］．SmartMaterialsand Structures，l999，25（8）:41－48．