LED光源水下爆炸隔振设计

王文冠，　周　力

（1. 大连测控技术研究所， 辽宁 大连， 116013； 2. 大连理工大学 船舶工程学院， 辽宁 大连， 116024）

LED光源水下爆炸隔振设计

王文冠1，周力2

（1. 大连测控技术研究所， 辽宁 大连， 116013； 2. 大连理工大学 船舶工程学院， 辽宁 大连， 116024）

为了分析水下爆炸气泡的脉动特性， 直观地观察水下爆炸气体产物的脉动过程， 设计了发光二极管（LED）照明设备，并对隔振设计进行了研究。文中应用数值仿真方法， 研究了LED光源隔振系统在非接触水下爆炸载荷作用下的性能， 利用Hypermesh软件建立了LED灯、隔振系统、保护罩及周围水介质的有限元分析模型， 应用ABAQUS软件中的声-结构耦合方法， 分析了隔振器的动态响应。通过分析出线口位置弹簧两端点加速度时程曲线， 得到结构内外介质的密度差会影响爆炸冲击波的传递路径， 并且结构的固定方式会影响 LED光源的照明效果。文中的研究可为小型结构水下爆炸隔振设计提供参考。

水下爆炸； LED光源； 声-结构耦合； 隔振系统； 冲击加速度

0　引言

气泡脉动的能量约占水下爆炸产生总能量的二分之一， 对结构产生的破坏主要有鞭状振动（whipping）和水射流（jetting） 2种形式。随着高性能炸药的大量应用， 爆炸产生的气泡所携带的能量比例逐渐提升。当今， 各国海军皆致力于对水下爆炸气泡毁伤的研究， 以提高其在实战中的应用［1］。开展水下爆炸气泡脉动研究的关键在于如何得到真实的气泡脉动图像， 以研究气泡脉动的过程和作用机理。

由于水下诸多因素会对光的传输造成影响，自然光在水的吸收和散射作用下传输距离有限，不能满足照明的需要［2］， 因此， 水下拍摄对照明技术要求很高。高速摄像拍摄的帧率很高， 对照明条件要求更高， 因此水下人工照明系统就成为水下爆炸高速摄像不可或缺的辅助设备。

以发光二极管（light emitting diode， LED）为发光体的LED光源具有效率高、寿命长、耗电量少， 安全可靠性强， 防潮、抗振动、有利于环保等特点， 可连续使用10万小时， 比普通白炽灯泡寿命长100倍。所以， LED光源凭借其优秀的性能被选为水下爆炸照明光源。但是， 作为水下爆炸照明专用灯， 其还应具备在爆炸环境中正常工作的能力， 故需要加装保护罩和隔振系统， 确保LED灯的冲击加速度在安全范围内。

近年来， 国内外学者在水下爆炸隔振系统的动态响应领域做了一些研究。1999年， D.V. Balandin等人对单自由度冲击隔振系统进行了研究及设计优化［3］； 2000年， 宗智等人第一次给出了人体隔振系统模型， 并基于模型优化了水下爆炸隔振计算公式［4］； 2009年， 蒋国岩等人将压力曲线施加在船底， 采用ANSYS软件进行时间历程计算分析， 得到船体结构以及隔振系统的冲击响应结果［5］； 2012年， 刘东岳等人给出了舰艇抗冲瓦水下爆炸流固耦合冲击动力学模型，模型很好的反映了具有复杂芯层结构的抗冲瓦在水下爆炸冲击波作用下的缓冲与耗能机理［6］；2013年， J. Chung和Y.S. Shin对高速双体船水下爆炸载荷作用下的动态响应进行了研究［7］。

D.V. Balandin和宗智等都是基于单自由度系统给出的冲击隔振模型； 蒋国岩、贾则将压力曲线施加在船底， 以上2种模拟方法所给出的爆炸环境都和真实的爆炸环境有很大差异。文中基于声-结构耦合算法， 应用ABAQUS软件模拟LED光源水下爆炸冲击过程， 对结构设计和边界条件的选取进行了探究。

1　ABAQUS声-结构耦合方法

ABAQUS软件在计算水下爆炸载荷时， 首先通过经验公式计算出临近结构表面一点流体介质的压力时程曲线， 再通过这点自动差分出流场其余各点压力分布［8］。这是ABAQUS软件计算水下爆炸的最大优势， 避免冲击波在流体介质中传播产生的能量损失［9］。

图1给出了一艘舰船漂浮于水面上的示意图［10］。图中:Sfp为压力值已知的边界面；Sfi为辐射边界， 例如无反射边界条件；Sfs是声-结构耦合边界，在这个耦合边界上结构与流场法向位移相等；Sfr是阻抗边界， 通常为海底反射面等。

图1　流场及边界条件示意图Fig. 1　Sketch map of fluid domain and boundary conditions

假设流体是线性声学介质， 密度在均值ρ0附近波动。设流场压力分布为p， 速度分布为v。进一步假设流体是正压的， 离散的流固耦合方程［11］

式中: p为流体节点上的压力； u为结构节点上的位移； M为质量阵； C为阻尼阵； K为刚度阵；和Sfs分别表示流体对结构的作用力和结构对流体的作用力。

2　隔振器模拟方法

如图2所示， 设有弹性子系统A和弹性子系统B， 他们之间通过N1个隔振器连接， 第i个隔振器的刚度矩阵、阻尼矩阵和旋转变换矩阵为Ki， Ci，Ri，隔振器在弹性子系统A， B上隔振器安装点弹性变形矩阵分别为Wai， Wbi， 截取 A， B子系统前nb， nc阶模态参与系统的综合， 并设A，B子系统广义坐标分别为qa，qb， 质量矩阵分别为Ma，Mb， 刚度矩阵分别为Ka，Kb， 力分量分别为Fa，Fb［12］， 则由弹性体建模理论， 弹性体子系统A和弹性体子系统B的动力学方程分别为

经过整理弹性体子系统A和弹性体子系统B系统综合后的动力学方程可写为

图2　弹性子系统和弹性子系统综合Fig. 2　Elastic subsystems and their composition

3　LED光源模型建立

LED光源由LED灯和保护罩组成， LED光源整体为圆柱形， 上下、左右对称， 保护罩将LED灯包裹在内部， 二者由隔振系统连接。

隔振系统由23根弹簧组成， 分布于LED灯周围， 将LED灯与保护罩连接在一起， 见图3。表1给出了23根弹簧特征。

表1　弹簧特征Table 1　Characteristics of spring

根据散热方式的不同， 给出3种不同方案。

方案1: LED灯和保护罩之间充满海水， 且内部海水和外部海水连通。方案1结构图见图3。

方案2: LED灯和保护罩之间充满海水， 但灯头的玻璃罩使内外海水不连通。结构图见图4。

方案3: LED灯和保护罩之间充满空气， 在LED灯内部加散热液体， 灯头处玻璃罩使内外隔绝。结构图见图5。

图3　方案1结构图Fig. 3　Structure diagram of scheme 1

图4　方案2结构图Fig. 4　Structure diagram of scheme 2

图5　方案3结构图Fig. 5　Structure diagram of scheme 3

LED光源总体长度小于0.5 m， 半径0.237 m。保护罩和LED灯座采用316L钢， 灯头和玻璃罩为有机玻璃材料， 外部水域为海水， 水域半径取LED灯长的3倍。通过Hypermesh软件建立LED光源和海水几何模型和有限元模型。LED光源采用壳单元， 海水采用声学四面体单元。图6～图8给出了部分有限元模型。

保护罩和LED灯的面网格平均边长0.005 m。水域网格由内向外从0.005 m逐渐渐变到0.08 m，此为最大值。然后导入到ABAQUS软件进行后处理， 弹簧由ABAQUS给出两结点之间的连接属性模拟。

图6　方案1的发光二极管（LED）光源Fig. 6　Light emitting diode（LED） light source of scheme 1

图7　方案2的LED光源剖视图Fig. 7　Sectional view of LED light source of scheme 2

图8　方案3外部水域剖视图Fig. 8　Sectional view of out water of scheme 3

LED光源放在水深30 m处， 炸药悬浮在水深30 m， 水平距离灯头9 m处， 爆炸工况如表 2， 爆点布置示意见图9。

表2　爆炸工况Table 2　Explosion condition

图9　爆炸工况示意图Fig. 9　Schematic of explosion condition

边界条件设置如下: LED光源和海水接触面设置为声-结构耦合面， 海水表面压强为0， 海水外表面为无反射表面。然后应用ABAQUS进行后处理计算。

4　结构形式对隔振的影响

根据散热方式的不同， 上述3种方案采用了3种不同的结构形式。图10、图11给出了3种方案出线孔位置弹簧两端点加速度时程曲线。表3对比了3种方案的加速度衰减率。

图10　出线口LED端加速度时程曲线Fig. 10　Acceleration time history curves of LED at cable outlet

图11　出线口保护罩端加速度时程曲线Fig. 11　Acceleration time history curves of protection cover at cable outlet

表3　3种方案出线口处加速度Table 3　Acceleration at cable outlet of three schemes

由以上给出的3种方案冲击加速度输出结果可以看出， 方案1加速度峰值＞方案2加速度峰值＞方案3加速度峰值。其中， 方案1和方案2中的保护罩和LED灯都受到冲击波的作用。方案3中保护罩冲击加速度峰值很大， LED灯冲击加速度峰值却很小。因此， 方案1和方案2的隔振系统没有起到保护作用， 冲击波的能量经过海水直接传播到了LED灯上， 方案3中的冲击加速度衰减了99%，能量没有通过空气继续传播， 而是沿着隔振弹簧传播到LED灯， 说明保护罩内外介质密度差对传播路径有影响， 而内外介质是否连通对传播路径影响很小。

5　边界条件对隔振的影响

相对于30 kg TNT药量， LED光源尺寸较小，气泡脉动和气泡迁移对LED光源姿态影响很大。根据爆炸工况， 气泡在脉动上浮的过程中会造成LED光源周围水域上下压力的不对称， 引发LED光源整体运动。因此， 将继续研究边界条件对LED光源隔振系统的影响。

首先， 通过给出水域中典型点的压力时程曲线， 得到气泡脉动的具体时间点。选取水平距玻璃罩圆心0 m， 0.165 m， 0.5 m为水压力1， 2， 3号测点。图12给出了3个测点的水压力时程曲线。

图12　3个测点水压力时程曲线Fig. 12　Water pressure time history curves of three measuring points

由图12给出的3个测点水压力时程输出结果可以发现， 当冲击波到来时， 水压力达到1个最高的峰值， 之后迅速衰减至很小。上文出现的冲击加速度就是由这个峰值产生， 对结构破坏尤为严重。在0.29 s附近水压力达到了第2个峰值， 该峰值就是由于气泡的收缩膨胀所产生的压力峰值， 如果其频率和结构的固有频率相似， 就会使结构产生鞭状运动， 造成结构毁伤。

下面选取自由边界条件（悬浮在水中）和固定边界条件（用钢架固定在水下）， 对冲击波和气泡联合载荷作用下出线孔处弹簧LED端冲击加速度时程曲线输出， 观察隔振系统响应情况。图13和图14给出了测点的弹簧轴向加速度时程曲线。

由自由边界条件仿真结果可以看出， LED端在冲击波到来之后冲击加速度趋于0， 但在第1个气泡脉动到来后， 冲击加速度突然出现了没有规律的多个峰值， 隔振系统失效。

图13　出线口LED端加速度时程曲线（自由）Fig. 13　Acceleration time history curves of LED at cable outlet（free）

图14　出线口LED端加速度时程曲线（固定）Fig. 14　Acceleration time history curves of protection cover at cable outlet（fixed）

由固定边界条件仿真结果可以看出， LED端冲击波到来之后做小幅剧烈震荡， 在冲击波过后做简谐振动， 加速度幅值很小。大约在0.29 s时，加速度幅值再次出现小幅增加， 这是气泡载荷作用引起的。通过结果可以看出， 固定边界条件冲击加速度幅值数量级明显小于自由边界条件， 且运动更具有规律性。

为了能更形象的表现出自由边界条件下LED光源隔振系统失效的过程， 通过图15观察LED光源的运动过程。LED姿态图中每幅图模型的坐标原点位置一致，其中海面为下部。

由LED光源运动姿态图可看出， 在气泡脉动上浮的过程中， 气泡造成LED光源上部海水压力大于下部海水压力， 保护罩出现垂首现象， 之后回弹出现抬首现象， 几个周期后做无规则运动。由于LED灯和保护罩只通过弹簧相连， 弹簧刚度不足， LED灯没有马上随着保护罩运动， 造成LED灯和保护罩撞击， 而且撞击可能造成之后的计算不收敛。LED灯的无规则运动也会影响光源光束的直线稳定性， 造成了照明光束的不确定性， 失去了照明功能。

图15　LED光源运动姿态图Fig. 15　Moving posture of LED light

经过多次修改弹簧刚度发现， 隔离冲击波载荷和防止撞击是一个相互矛盾的问题， 弹簧刚度过大则不能消减冲击波载荷的能量， 弹簧刚度过小则LED灯和保护罩会发生碰撞， 造成LED灯的损坏。在此， 固定边界条件能更好的控制LED光源的运动状态。

6　结论

文中应用数值仿真方法探究了LED光源在水下爆炸冲击波载荷和气泡载荷作用下的冲击隔振问题。应用ABAQUS软件， 探究了LED光源结构形式和边界条件对隔振系统的影响， 得到以下主要结论: 1） 当计算结构内外介质密度差很小时，冲击波会穿过结构， 沿着介质继续传播， 且能量衰减很少， 对内部结构造成损伤； 2） 当用弹簧作为主要隔振装置时， 要注意其刚度的选取。刚度过小， 会增加隔振效果， 但可能支撑不住结构；刚度太大， 虽然支撑住了结构， 但是隔振效果又不好， 这是一个相互矛盾的问题。故在做设计时要对弹簧的刚度和弹簧的数量做详细的预估； 3）在进行水下爆炸气泡载荷隔振设计时， 不仅要考虑气泡脉动引起结构鞭状运动造成的结构毁伤，还要考虑气泡脉动迁移引起的结构的大位移和姿态改变， 这既有可能造成结构的毁伤， 也有可能引起结构功能失效。

文中的研究解决了 LED光源在水下爆炸载荷作用下的隔振问题， 为气泡脉动特性的研究提供了照明光源， 给出的几个影响隔振系统性能的因素，可为小型结构水下爆炸隔振设计提供借鉴。

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（责任编辑: 杨力军）

Design of Vibration Isolator Against Underwater Explosion for LED Light Source

WANG Wen-guan，ZHOU Li
（1. Dalian Scientific Test and Control Technology Institute， Dalian 116013， China； 2. School of Ocean Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China）

To directly observe and analyze the impulsion characteristics of the bubbles induced by underwater explosion，a light-emitting diode（LED） light source and its vibration isolator are designed. The characteristics of the vibration isolator under non-contact underwater explosion load are simulated. Finite element models of the LED， its vibration isolator，protection cover and water medium are built by using the software Hypermesh. Then the acoustic-structural coupling method in the software ABAQUS is employed to analyze the dynamic response of the isolator. By analyzing the time history curve of acceleration of two terminal points on the isolator， it is concluded that the medium density difference between inside and outside of the structure will affect transmission path of explosion shock wave， and the fixing mode of the structure will influence illumination of the LED light source. This research may provide reference for design of vibration isolator against underwater explosion for small structure.

underwater explosion； LED light source； acoustic-structural coupling； vibration isolation system； impact acceleration

TB858.1； O389

A

1673-1948（2016）05-0386-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.05.0010

2016-04-18；

2016-07-04.

国家自然科学基金（61273333）， 西北工业大学基础研究基金（JC20100224）.

王文冠（1989-）， 男， 硕士， 主要从事水声工程方面的研究.