舰船爆炸试验环境监控摄像机的抗冲击设计＊

张 涛 孙颖宏

（中国电子科技集团公司第二十七研究所 郑州 450047）

1 引言

当舰船遭到距离其数十米至百米的水下爆炸时，会产生冲击波和后续气泡的脉动作用，称这种作用形式为非接触爆炸［1］，其冲击作用一方面对船体结构产生损伤，降低舰船生命力；另一方面会引起船体剧烈振动，导致舰船系统及舰载电子设备的冲击破坏和战斗人员的身体损伤，使舰船战斗力受到严重损伤甚至是完全丧失［2～4］。

在水下非接触爆炸研究领域中，以船体结构动力响应为输入条件的舰载电子设备的隔冲结构设计是重要的研究内容。本文作者及项目组科研人员通过长期工程实践，在利用商用有限元软件进行仿真分析的基础上，对隔冲减振材料进行仔细筛选，完成了摄像机复合减振结构设计，实现了一种以粘弹性阻尼材料为主的复合隔振结构，能有效缓冲高频响船体作用于摄像机的强冲击。从而研制出了一款能够适应强冲击爆炸环境的摄像机，并通过实验室模拟试验和现场真实对摄像机的加固措施进行验证。

2 隔冲结构的原理及功能

2.1 隔冲原理分析

隔冲源于材料耗能，材料耗能主要在于其内部分子的摩擦，使用结构阻尼能恰当地描述材料的摩擦耗能特性［5～6］。由等效粘性阻尼比和结构阻尼比的定义及其能量转换法，结构阻尼所表述的离散多自由度系统运动微分方程表示为

上式，ψlr、ψpr、Kr、ηr和λr均为系统固有属性，称之为模态参数。通过选择适当的ηr和Kr值，可有效降低系统的（ω）。尤其在共振频段，通过增大ηr的值，可有效降低品质因子，但在后，增加ηr反而会降低隔冲效果。因此在隔冲结构设计中，应使结构的固有频率尽可能分布在低频段，且具有适当的阻尼。

2.2 冲击激励及隔冲结构功能描述

图1 舰载电子设备的瞬态激励

水下非接触爆炸将一半以上的爆炸能量以冲击波的形式作用于船体结构，船体的瞬态响应又成为舰载电子设备的瞬态激励［7］。鉴于这种瞬态激励的波形具有时域复杂性和不可复制性，因此各种冲击试验和仿真计算时均采用“等效损伤原则”模拟水下爆炸冲击。又因这种瞬态激励具有时域谱能量强烈且集中、频域谱连续且分布广等特点，可以用瞬时脉冲函数来表示由水下非接触爆炸产生的瞬态激励。图1为上述瞬态激励的波形。

应对这种瞬态激励，隔冲结构应具有以下两方面功能：1）具备足够的刚度以适应高强度的瞬态冲击；2）具备足够的阻尼以降低设备在各频段特别是共振区的振幅放大因子，并快速消耗冲击能量，迅速进入稳定状态。

鉴于以上的分析，本文考虑采用一种以粘弹性材料和金属板件组成的复合材料结构来进行隔冲结构设计。复合材料结构内部由金属板件来承载摄像机，在摄像机和弹性板件外围包裹粘弹性材料以起到隔冲和快速耗能的作用，这样的复合隔冲结构既有一定刚度又有足够的阻尼，在实验室冲击试验和实船爆炸试验中均能达到理想的隔冲效果。

3 粘弹性阻尼材料

很多诸如玻璃、橡胶和高聚物等材料在受力情况下的力学特性被描述成弹性和粘性的结合，即一方面具有弹性固体的储能特性，另一方面又具有粘性液体的耗能特性，通常这类物质可用粘弹性材料来表述［8～10］。

粘弹性材料的力学性能主要表现在其优良的阻尼特性方面，其阻尼机理与材料的微观和宏观结构有关。高聚物内部分子链的运动、摩擦、破坏与重构构成了阻尼的微观效应；热弹性、热传导是阻尼的宏观表象。

3.1 粘弹性材料的数学模型

一般工程条件下，高聚物经历小应力作用，其内部大分子的螺旋结构变形通常不会破坏分子链，这时可用线性粘弹性理论来表述其本构关系，即应力应变呈线性关系。但因其具有时间参数，所以对应不同时间有不同的应力应变关系，这些关系可表述为以应力松弛和蠕变为代表的两种现象。

由流变理论，以弹簧和黏壶模型表达的松弛条件下的线性粘弹性材料时域本构方程的微分形式为

式中，σ（t）和ε（t）表示应力和应变，ai和bi为权系数。

一般情况下，粘弹性材料的应力应变方程不但与现在的应力应变有关，也与整个应力应变的发展历程有关。这种本构关系可一般由Boltzmann叠加积分形式表达。将上式积分，得到麦氏串联模型在松弛条件下时域本构方程的积分形式为

式中，G（t）为应力松弛模量，它反映了σ（t）的时间依赖关系。

对于各向同性粘弹性材料，其变形可以分为剪切变形和体积变形。假设其剪切特性和体积特性为完全非耦合，并且这种特性能够用与时间相关的剪切松弛模量G（τ）和体积松弛模量K（t）所表述，更一般意义的各向同性粘弹性材料的本构方程可表述为剪应力和体应力之和。鉴于剪切松弛模量和体积松弛模量在数学形式上一致以及剪应力在粘弹性材料力学性能中的重要地位，本文仅以剪切松弛模量G（t）为论述对象，这也是式（5）使用G（t）的原因。

3.2 粘弹性材料动力特性

由于粘弹性材料的动力学特性非常依赖于频率，将式（5）表述的时域模型经过拉氏变换并投影到傅氏域，得到粘弹性材料应力应变本构关系的频域模型为

式中，G＊（ω）为复应力模量，G′（ω）和G″（ω）分别表示材料的存储模量和损耗模量，η（ω）为粘弹性材料的能量损失因子。由于粘弹性材料耗能主要源于剪切作用，剪切应变能为占主导地位，因此一般三维状态下的应力由复数形式的以频率为变量的剪切模量和实常数泊松比来表达。

在复模量式（7）中有：

式中，β为应变落后于应力的相位角，粘弹性材料的能量损失因子η正比于相位角β，因此可得到第一个结论：粘弹性材料的应变越滞后应力，其应力－应变图的迟滞回线所包围的面积越大，一个周期内所耗散的能量越多。粘弹性材料的ηG′正比于相位角β，ηG′值表示材料的减振降噪能力，因此得到第二个结论：粘弹性材料的损失因子η的峰值越高，损耗能量越多。

3.3 粘弹性材料的物理描述

本次物理样机试验使用的高聚物为双组份室温硫化硅橡胶作为粘弹性阻尼材料（胶体）。硅橡胶在硫化前是流动性能较好的黑色糊状流体（胶料），主要成分是高摩尔质量的乙烯基硅氧烷。

将胶料在容器中充分均匀的进行搅拌，然后将胶料和硫化剂以一定比例充分混合，并灌入需要保护的摄像机、弹性钢板及外壳之间，将摄像机完全充分的包裹住。室温条件下（25℃）静置4～6个小时，胶料经硫化剂硫化后成为柔软透明的有机硅橡胶即胶体。这种胶体在－60℃～200℃范围内可长期保持粘弹性，具有优良的电器绝缘性能和化学生理惰性，具有良好的耐水、耐腐蚀、耐老化的性能，尤其是具有优良的隔冲减振性能，且无毒、无味，线收缩率低，易于操作。

4 粘弹性复合材料隔冲结构有限元模型建模及瞬响分析

4.1 有限元模型建模

粘弹性复合材料隔冲结构力学模型建模的主要特点表现为其全方位的非线性。粘弹性复合材料隔冲结构的非线性问题包括材料非线性、几何非线性和边界条件非线性。

本文结合研究课题，使用MSC.Patran建立粘弹性复合材料隔冲结构的力学模型（如图2所示）。该模型包括外壳、胶体、金属板和电子设备四个几何部分以及动力载荷、材料、接触和解算控制等参数。

图2 粘弹性复合材料隔冲结构有限元模型

图3 瞬态半正弦加速度激励

隔冲结构模型的外壳厚重，分析中起承载和传递激励的作用，其变形可以忽略不计，定义为刚体。外壳与胶体的接触采用高库伦摩擦系数接触或粘合技术，与金属板的连接方式采用多点约束，这里仅固结激励方向。外壳与船体采用一维弹簧连接用以表达紧固螺栓。

胶体是主要变形体，定义为粘弹性材料，使用prony级数描述其剪应力和体应力松弛模量，松弛模量数值和密度由胶体生产厂家提供。胶体有限元模型采用体单元，拓扑形式为8节点12边形的一次单元，划分单元后的胶体共离散为2541个节点、2000个单元。考虑到分析过程的复杂性与求解次数，在计算结果精度允许的范围内，划分单元较为稀疏。

金属板材料为弹簧钢板，定义为弹性体。弹簧钢板有限元模型采用薄壳单元，拓扑形式为4节点4边形一次单元，划分单元后的弹簧钢板离散为231个节点、100个单元。

计算中摄像机仅提供单自由度惯性作用，因此定义其为非耦合质量点，固结在弹簧钢板的中线位置。

动力载荷为瞬态半正弦加速度激励，脉宽8ms，峰值300g。因要与试验中真实载荷相一致，定义载荷作用位置在壳体底部正中，作用方向为壳体底部法向向内，即分析中仅考虑单轴－Z轴的载荷的输入和响应。加速度激励如图3所示。

4.2 隔冲结构有限元模型瞬响分析

根据隔冲结构实际工况，使用 MD Nastran（SOL600）解算器进行隐式非线性动力学瞬态响应计算，得到载荷作用方向为Z向时摄像机非耦合质量点的瞬态加速度响应曲线，如图4所示。

图4 非耦合质量点的瞬态加速度响应曲线加速度响应曲线

图5 加固摄像机组成透视图

由图4可见：1）该粘弹性复合材料隔冲结构将峰值为300g的半正弦加速度激励在非耦合质量点即摄像机处衰减至9g以内，保证了摄像机在冲击峰值处的安全可靠；2）该结构将冲击载荷的影响时间缩减至70ms左右，70ms后非耦合质量点的瞬态加速度响应小于0.3g，仅为冲击载荷峰值的1‰，因此该结构可使得摄像机迅速稳定下来并进入正常工作状态。

5 结构设计

结合以上理论计算及仿真分析，加固摄像机基本结构组成为：整体铝材外壳、弹簧钢板和粘性橡胶。加固摄像机结构组成如图5所示。

摄像机固定在弹簧钢板上，弹簧钢板两侧与外壳紧固连接，在外壳与摄像机之间充填粘性橡胶。为兼顾散热问题，粘性橡胶必须具有较好的热传递系数。弹簧钢板由于具有较好的弹性和一定的刚度，在受到强大冲击时通过弹性变形瞬间吸收冲击能量，有效降低冲击加速度对摄像机的影响。粘性橡胶由于具有较好的阻尼系数，通过大的剪切变形可以快速有效消耗强冲击产生的能量，达到快速稳定摄像机的目的。

在光学窗口的设计中，不仅要考虑玻璃窗口的强度，还要考虑窗口光的透过率。因此，窗口保护玻璃既不能选择普通玻璃透镜，也不能选择透过率较低而抗爆性能高的有机玻璃。经过调研，确定为玻璃光学窗口粘贴高透光率的防爆保护膜，一方面不以牺牲光透光率为代价来增加保护玻璃的抗冲击振动能力；另一方面通过这种手段，大大提高了保护玻璃的抗爆性能，满足了摄像机的性能要求。在光学保护玻璃的安装方面也特别为玻璃的两面都增加了橡胶缓冲垫，有效降低了冲击振动对玻璃窗口的影响，大大提高了摄像机的抗冲击性能。

6 实验室冲击振动试验验证

为了验证加固设计的有效性，在实验室内对不同的保护玻璃进行了冲击性能验证，在同样的安装条件下，普通的保护玻璃在冲击加速度达到70g时就发生了碎裂现象；有机玻璃在冲击加速度达到600g时仍没有出现碎裂现象；贴过防爆膜的保护玻璃，当冲击加速度达到600g时没有发生碎裂现象，当冲击加速度达到1200g时，保护玻璃出现了裂纹，但没有破碎。由此可见，为玻璃粘贴防爆膜的方法十分有效，既没有降低玻璃的透光率，又增强了保护玻璃的强度，同时了还增强玻璃的安全性。

将摄像机按着在舰船上实际的安装方式固定在C－200型冲击机的试验台上，并按实际工作状态加电工作，首次冲击值300g，摄像机工作正常，图像拍摄稳定清晰，基本感觉不到模糊；第二次冲击值450g，摄像机工作正常，图像拍摄稳定清晰，基本感觉不到模糊；第三次冲击值600g，摄像机工作正常，图像拍摄稳定清晰，基本感觉不到模糊。经过三次冲击试验，摄像机顺利通过了冲击试验测试，能够满足试验需求。

7 结语

本文在理论计算与仿真分析的基础上，采用粘弹性材料与弹簧钢板相结合的复合减振措施，完成了对摄像机的加固，顺利通过了实验室冲击振动试验验证，表明对摄像机的加固设计措施有效可行，能够满足舰船水下非接触爆炸试验的要求。该款摄像机研制成功后，已经多次应用于舰船强冲击爆炸试验，为试验的顺利进行提供了可靠的决策依据，有力保障了多次试验的圆满完成。目前，该款摄像机的专利申请正在受理中，具有广阔的应用前景。

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