潜艇设备冲击试验舱段环境特性研究

韩 璐，冯麟涵，张 磊，闫 明

(1.沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳 110870；2.海军研究院，北京 100161)

随着现代兵器技术的快速发展，其威力越来越大、命中率越来越高，水面舰船及水下潜艇的生命力面临着日益严重的威胁[1-2]。相比而言，水下潜艇作战环境更为恶劣，因此要求其外部结构及内部设备具有更高的抗冲击性能。准确掌握潜艇不同部位的冲击环境和相应部位设备的抗冲击性能，已经成为各国海军关注的重点。

由于潜艇设备考核问题密级较高，目前国内外可查阅的相关资料相对较少，且大多数是基于对潜艇外部结构及材料的研究[3]。日本的永井保对尺寸不同、加筋形式不同、加筋尺寸不同的圆柱壳进行了一系列试验研究，并对试验后变形的圆柱壳进行了耐压强度试验[4-5]。Stultz等对单、双层圆柱壳体结构进行了水下爆炸试验研究，通过对比动态响应发现双层壳间含水量对壳体的变形有较大影响[6]。肖锋等研究了潜艇湿表面覆盖层压与抗冲击之间的矛盾，讨论了钢片厚度及偏距对承压与抗冲击性能影响[7]。潘杰等设计了三种新型潜艇舷侧结构，并基于有限元分析三种结构在爆炸载荷下的冲击响应，与传统的舷侧结构进行比较，得出新型舷侧结构具有提高潜艇抗冲击能力作用的结论[8]。据了解，目前美国海军主要采用模拟潜艇舱段的试验平台，通过小当量近距离的爆炸试验来模拟实艇的总体冲击能量，进而完成对潜艇电机等重型设备冲击试验考核[9]。但是这种试验平台所提供的冲击环境具有速度谱较低而位移谱较高的特点，与实际冲击环境恰恰相反。相比而言，我国对潜艇及内部设备的抗冲击性研究刚刚起步，仅停留在理论分析和数值模拟阶段，而潜艇海上抗冲击试验对完善其抗冲击设计，提高其作战能力等都具有重要意义，因此，国内应对新研潜艇及相关设备进行水下爆炸考核试验予以重视。

本文根据潜艇内大型设备冲击环境指标，借鉴实船抗冲击试验成果，设计并建造了一种新型潜艇试验舱段来考核大型设备的抗冲击性能。首先，通过归纳水下爆炸载荷种类，分析水面舰船和水下潜艇冲击环境差别之处；然后，针对大型设备冲击环指标，在ABAQUS中建立了试验舱段及简化设备的有限元模型，并进行水下爆炸数值模拟，对试验舱段提供的冲击环境进行预报；接着，根据数值模拟及相关理论计算的结果，选取合适的试验工况，开展了大型设备的水下爆炸考核试验；最后，利用有效的实测数据，对设备安装频率处的冲击谱进行了圆整，再通过冲击谱的插值拟合获取了无效实测数据工况下的冲击环境，为潜艇内大型设备抗冲击性能的进一步研究提供环境支撑。

1 冲击环境描述

1.1 水下爆炸载荷

水下爆炸试验作为舰载设备抗冲击考核的一种方式，具有较高的可靠性。在水下爆炸数值模拟或试验过程中，根据爆距与TNT当量药包的半径之比，可将水下爆炸划分为接触爆炸、近场爆炸和远场爆炸。在炸药爆炸过程中，伴随着大量的化学反应和物理现象，舰船及设备的冲击响应主要是由水中爆炸冲击波、气泡脉动、空化效应及射流共同作用的结果。其中，以声速传播的爆炸冲击波为主，所含能量约占水下爆炸总值的53%左右[10]，气泡脉动次之，空化效应及射流主要对近场水下爆炸影响较大，一般远场水下爆炸均不考虑[11]。

对舰载设备抗冲击性考核时，一般进行远场水下爆炸试验，当爆炸载荷传递到设备上时，受舰船类型、设备安装位置等因素的影响，其冲击响应情况也大有不同。相比较而言，潜艇系统及设备的冲击环境更为严峻。一方面，潜艇处于半潜状态，对于相同布深的炸药，与水面舰船相比，爆源与冲击载荷入射点距离较近，冲击波在所含能力较大时便对潜艇系统及设备产生冲击作用。另一方面，早期气泡脉动的压力幅值约为冲击波峰值的1/5，具有持续时间较长、能量逐渐衰减的特点[12-14]，其对舰船结构主要振动模态有持续扰动作用，此期间的气泡脉动过程对水深较为敏感，因水深而导致的不同浮力会影响气泡的坍塌、上浮等状态，并且随着气泡的上浮，其脉动周期逐渐增大，在其脉动周期较小、所含能量较多时，便对已经承受强烈冲击波的潜艇系统和设备产生后续的振动影响。此外，潜艇浸入流域的体积较大，使得围绕潜艇的流体附加质量明显增大，引起潜艇的振动模态频率与干模态频率相差较大，使得艇体结构在水中的刚度变小。流域的阻尼对水下爆炸下的潜艇冲击响应也有较大影响，与流域接触面积较大导致艇体系统吸收的冲击能量较多，进一步使得其内部设备的冲击环境更为恶劣。

1.2 冲击环境要求

开展舰船系统和设备抗冲击研究之前，其冲击环境的设计也是重点研究内容，针对此问题，各国海军均采用不同的方法进行设计。为对水面舰船及水下潜艇的冲击环境明确区别，国军标GJB 1060.1—1991[15]对弹性安装的设备做出如表1、2所示的设计规定。

表1 水面舰船冲击环境设计值Tab.1 Design value of surface ship impact environment

表1中：

表2 水下潜艇冲击环境设计值Tab.2 Design value of underwater submarine impact environment

表2中：

其中，m0均为考核的设备质量。

为更显著地对水面舰船和水下潜艇的冲击环境进行对比，假设设备质量为200 t，由上述计算公式可知：水面舰船垂向谱加速度为425.69 m/s2，谱速度为3.08 m/s；水下潜艇垂向谱加速度为1 019.20 m/s2，谱速度为4.34 m/s，对比分析可知，谱加速度增幅为139%，谱速度增幅为41%，显然水下潜艇系统的冲击环境更为恶劣。因船体外部冲击环境的不同导致其内部设备所受的冲击载荷也大有不同，国军标GJB 1060.1—1991对内部设备的冲击环境的谱值及横垂比也进行了详细规定。为对潜艇用某大型设备进行抗冲击性能考核试验，根据设备的质量，计算出冲击环境中的谱加速度记为Aσ，谱速度记为vσ，则可得设计的冲击环境如表3所示。

表3 设备冲击环境要求Tab.3 Environmental requirements for equipment impact

2 数值模拟

目前,我国的舰用设备冲击试验规范“GJB 150.18—1986[16]军用设备环境试验方法-冲击试验”只规定了重量小于13.4吨的设备冲击试验方法，而潜艇用大型设备不含隔振系统的重量远远超过此限制值，因此没有可借鉴的试验方法。结合大型设备冲击环境指标、设备质量及安装情况发现，国内现有的冲击机及不同型号的浮动冲击平台等试验装置也不能提供大型设备需求的冲击考核环境。为此，设计一种模拟潜艇舱段的新型试验舱段平台，以完成对大型设备的考核。在试验舱段的设计过程中，不仅要考虑所能提供的冲击环境，还要兼顾试验舱段的空间布置，满足被试设备安装条件，满足被试设备在试验过程中的油、水、气、电等需求，满足试验实施所需的拖带、布放、定位要求，满足试验测试所需的测量系统安装要求，满足在水下爆炸冲击下保持水密性、浮态、稳性等要求。

2.1 舱段及水域模型

根据潜艇用大型设备要求的抗冲击设计谱，考虑试验舱段尺度、重量、吃水、炸药当量、爆距、爆源位置等参数，进行了大量数值模拟，得出了各参数对冲击试验冲击谱的影响，从中优选出合适的参数取值，最终设计出一种以经典的环形舱壁作为艇体舱段耐压的主结构，两侧封头采用平面舱壁，舱段内设置平衡压载水舱，试验舱段底部设置龙骨，在大型非线性有限元软件ABAQUS中建立的具体模型如图1所示。

在模型的建立过程中，采用Initial Mass定义的质量点模拟外部压载及设备。此外，为真实模拟潜艇设备的安装状态，在冲击试验舱段上装配了相关陪试设备及辅助结构，包括基座、高频隔振器与气囊隔振器构成的双层隔振器、筏架、联轴器、假轴和轴承座等。在建模过程中，通过Connector的塑形Beam单元对气囊隔振器进行模拟，8个气囊隔振器在设备两侧下方对称分布；筏架用平板简化，20个高频隔振器对称分布在筏架和基座之间。在有限元模型中的连接情况如图2所示。

图1 舱段有限元模型Fig.1 Finite element model of the bay section

图2 隔振器模型示意图Fig.2 Sketch of isolator model

诸多水下爆炸数值模拟仿真结果表明，水域模型要建立的足够大，以使得圆柱壳低频的梁弯曲模态附连水质量施加充分，与此同时，要兼顾模型的计算效率。此次，选取水域半径为试验舱段半径的3倍，水域采用四面体线性声学单元AC3D4模拟，具体模型如图3所示。结合研究条件，选取声固耦合算法模拟水下爆炸载荷作用下试验舱段的动态响应。

图3 舱段的水域模型Fig.3 Flow model of cabin section

2.2 工况设置

为保证试验舱段设计的合理、有效，对试验舱段进行水下爆炸试验的数值模拟。数值模拟前，冲击载荷的拟定主要根据Geers and Hunter提出半经验冲击波—气泡模型[17]得出冲击波峰值的理论解。该方法统一处理爆炸载荷，无论冲击波或是气泡，都假定周围水介质是可压缩的；公式中的参数来源于试验，载荷预报可靠度高。在整个过程中，爆源相对舱段位置示意如图4所示，潜艇舱段的吃水深度占整体舱段的3/4，总排水量达260.069 t。为达到大型设备冲击环境要求，通过调整爆源的正横距，选择冲击因子依次减小的24种工况对试验舱段提供的冲击环境进行预报，以便选取最佳的试验工况，选取40个通道测点获取舱段壳体周围水压、舱段结构、设备基座、双层隔振、设备本体等部位的各向冲击加速度及应变等信号。

图4 位置示意图Fig.4 Sketch of location

2.3 数值模拟结果分析

为进一步分析试验舱段所能提供的冲击环境，计算出设备基座上测点速度均值，将24种数值模拟工况下的垂向谱速度vv和横向谱速度vh与设备的冲击环境指标中谱速度vσ进行比较，如图5、6所示。从图中可看出，数值模拟中工况1～工况3谱速度值与冲击环境指标较为接近，误差在20%以内。且无论垂向或是横向，谱速度值均随着爆源正横距的逐渐增大，呈现衰减趋势。

图5 垂向谱速度Fig.5 Velocity spectrum of vertical

图6 横向谱速度Fig.6 Velocity spectrum of transverse

3 水下爆炸试验

在舰船抗冲击评估初期，各国海军大都采用冲击因子来反映水下爆炸试验的严酷程度。这是因为冲击因子反映了爆炸载荷的能量密度，冲击因子越大，说明冲击能量越大，爆炸的严酷度越高。一般情况下，冲击因子分为两种：一种是涉及外壳结构或受压结构的损伤位势的壳层冲击因子(KSF)；另一种是用于舰船作为一个整体的损伤位势的龙骨冲击因子(HSF)。结合国内外抗冲击试验情况，潜艇试验一般采用壳板冲击因子进行描述，且最大冲击因子应不大于1，其具体计算公式如下

(1)

式中，W为考虑海底反射系数的装药当量，R是爆源与船体最近距离。

在此次试验过程中，根据数值模拟对舱段提供冲击环境的预报及相关的理论计算分析，选取表4中的三种工况进行水下爆炸试验。

表4 试验工况Tab.4 Test conditions

对于海上爆炸试验，试验舱段与爆源在水下的相对位置决定了舱段所受冲击载荷的强度。在水下的爆源受海流影响会发生摆动和偏移，海上风浪流等环境因素也会影响舱段的浮动情况，这都会严重影响试验舱段与爆源的相对位置，从而影响冲击因子的大小。比如爆距为10 m，如果爆距偏差1 m，冲击因子偏差约10%。为此，结合前期开展海上实船水下爆炸试验布放与定位技术，针对潜艇舱段半潜状态、试验海区风浪流数据，在试验过程中，制定横流四点锚固定位的方案。图7为潜艇舱段某次水下爆炸试验实况。

图7 爆炸试验实况Fig.7 The explosive experiment

试验按预定工况完成后，将实测垂向、横向冲击环境与上述预报的冲击环境对比，如表5、表6所示。垂向冲击谱速度偏差在18%～33%，冲击谱加速度偏差在11%～28%。横向冲击谱速度偏差在18%～25%，冲击谱加速度偏差在9%～33%，以上误差均在35%以内，满足冲击试验的可接受范围。

表5 垂向数据对比Tab.5 Contrast of horizontal data

表6 横向对比Tab.6 Contrast of vertical data

4 实测信号处理与分析

4.1 冲击谱圆整

为便于分析实测数据是否满足设备的设计冲击谱，按照ISO 18431[18]将试验测点加速度数据转化为冲击谱，所转换的冲击谱是复杂曲线并非真实可用，需要根据HJB 554[19]和北约共同标准STANG 549对实测设备的安装频率附近冲击谱进行圆整成三折线谱，圆整过程主要有三个要求：① 实测冲击响应谱在设备最低固有频率或安装频率左右各一倍频程内，应高于冲击试验考核标准工况的90%；② 实测冲击响应谱不低于所在频率对应的冲击试验考核标准工况的70%；③ 个别频段实测冲击响应谱值低于上述两种情况所规定的下限谱线时，位于下限谱线上方的测量谱线与下限谱线所被包围的面积大于下限谱线下方的测量谱线与下限谱线所包围的面积。以工况2设备基座上测点的横向冲击谱(图8)为例，对冲击谱圆整规则进行具体说明。设备安装频率处的左右一倍频程的频域内，圆整谱值应低于实测谱值，满足第一、第二个圆整原则。在54～110 Hz频域内实测谱值有凹陷，但在110～300 Hz有凸起，两者面积接近，满足第三个圆整原则，另外，实测冲击谱低频段的上翘主要是加速度信号零飘引起，由于其不在设备安装频率范围内，对设备的响应贡献不大。根据以上圆整要求对实测数据所做出的冲击谱进行圆整。

图8 冲击谱圆整方法示意图Fig.8 Sketch of impact spectrum rounding

4.2 冲击谱插值拟合

在试验过程中，工况3中只有假轴轴承座基础可用，大部分测点数据出现异常，导致实测结果不可用。为此，利用冲击谱插值拟合的方法进行分析。根据实船试验，冲击谱与冲击因子之间是线性关系。美国海军泰勒水池的Keil和澳大利亚海军水面战中心的Reid在总结舰船水下爆炸响应时都曾指出冲击因子与舰船冲击响应之间存在线性关系，我国实船抗冲击试验也得出了类似的规律[20-21]。因此可以根据冲击因子插值和冲击位置插值得出设备基座处的冲击环境。

在3次水下爆炸试验过程中，假轴基础测点的冲击加速度数据获取完整，进行圆整后将其与冲击因子关联，进行线性插值拟合，拟合结果如图9所示，横向谱速度随冲击因子呈斜率为5.086 84的线性增加，垂向斜率为4.848 93的线性增加，冲击谱拟合值与圆整值误差在10%以内。根据以上拟合的斜率，按照工况1、工况2实测设备基础冲击谱速度值，拟合外插得工况3设备基础谱速度，横向和垂向均为1.3vσ，且与数值模拟结果相比误差为9%，说明插值谱速度值可以代表实际的冲击强度。

图9 冲击因子插值冲击谱Fig.9 Shock factor value impact spectrum

5 结 论

本文设计并建造了一种考核潜艇用大型设备的试验舱段平台，为检验其是否能提供大型设备所需冲击环境，在ABAQUS中进行大量的水下爆炸数值模拟，对试验舱段提供的冲击环境进行预报，并以此为参考依据开展了3次设备的水下爆炸试验，分析了实测信号，并对设备安装频率处的冲击谱进行了圆整及插值拟合，通过分析得到如下结论：

(1)试验舱段提供冲击环境的谱速度值随冲击因子的增大呈近线性增大

(2)采用插值拟合谱值得出异常测点谱数据与3个实测得到谱速度值相差小于10%，与数值模拟相差小于9%，说明插值谱速度可以代表实际的冲击强度。

(3)试验舱段的建立满足潜艇用大型设备考核的冲击环境指标中的谱值及横垂比要求。