舰船设备水下爆炸冲击模拟器机理与仿真

鄢圣杰

【摘  要】为了对舰船设备进行冲击试验，进行了双波冲击试验机实验，利用脉冲对其进行研究。研究了电击声波的产生原理。用Runge-Kutta数值计算方法分析数值得出结论。下面主要从冲击试验机原理与数学模型、速度发生器、仿真研究等几个方面进行了研究，希望能够为舰船设备水下爆炸冲击模拟器的研究提供可靠的数据。

【关键词】试验机;水下爆炸;速度发生器;波形调节器;冲击谱

引言

影响水下爆炸冲击环境的因素很多，气泡的脉动会进一步损坏船体和设备。评估船舶结构和设备的抗冲击性的最有效方法是对船体进行爆炸测试。因为高昂成本和船舶人员安全以及避免污染环境等原因，许多国家的海军通常评估船舶设备抗冲击性是方法是利用冲击试验机。它比现场撞击环境更为严峻，无法模拟低频撞击的影响，该撞击可能会通过船体结构传递到设备并引起共振。常规轻型试验机和中型试验机的最大试验负荷试验机分别为250kg和3360kg，大于此重量的设备应在爆炸冲击平台上进行爆炸测试，但应考虑物理爆炸池的大小，这些测试不能体现气泡脉动产生的冲击环境。本文利用新的设备冲击测试系统，模拟实验室中水下爆炸的冲击环境，此系统被称为高强度双波冲击测试仪，它可以执行脉冲高达5吨的设备进行冲击测试，冲击强度可以达到BV043 / 85规定的水平。

1.冲击试验机原理与数学模型

此试验机输出的波形是BV043/83。冲击锤和弹性波形器发生撞击引起了正脉冲，负脉冲则由脉冲发生器对冲击台的缓冲制动产生.冲击机的工作过程如下：速度发生器驱动冲击锤去撞击弹性波形器，冲击台液压缓冲器执行紧急制动并产生负加速度脉冲。正脉冲的脉冲宽度和峰值由弹性波装置的刚度K确定，并且确定冲击锤的冲击速度。脉冲发生器决定了负脉冲的脉冲宽度和峰值。为了避免在冲击测试过程中冲击载荷对周围环境的影响，整个测试仪都安装在弹簧质量隔振系统中。

F（f）是发生在冲击锤和基础质量块上的力，此力起因于速度发生器，阻尼系数为C（￡）的阻尼器表示脉冲发生器.模型的数学表达式如下

式中：为了得到双半正弦的加速度脉冲，F（t）需要在限定的距离内把冲击锤m2的速度达到u2，也就是说必须达到F（t）的要求。

2.速度发生器

液压作动器的动作，通过阀口为加速油腔提供大流量的流体，这样可避免技术不成熟的大流量阀的使用m93;卸压回路可以及时释放加速腔内的流体压力以避免冲击锤与冲击台的二次撞击.速度发生器各部件运动方程可以表述如下。

2.1流量方程.

总流量：Q1=兀D2dx1/4液体的可压缩性在配油腔和加速腔引起的流量分别为：

先导通道的流量

式中：x1为活塞-I的位移;Dd和Dp分别为活塞-I和活塞-Ⅱ直径;dp表示先导通道的直径;lp为先导通道的长度;Sd为活塞-I的冲程;pd为配油腔内的压力，pa为加速腔内压力;μ为油液的动力粘度，μ=0.1pa.s;βe为油液的体积弹性模量，βe=700 MPa.

式中：pg0为蓄能器初始气体压力;Vg0为蓄能器气体初始压力;pg为蓄能器气体的瞬时压力;pn0为回程腔气体的初始压力;pN为回程腔气体瞬时压力;sp为活塞-Ⅱ的冲程;气体绝热系数行=1.4。

2.3运动方程.

活塞-I和活塞-Ⅱ的运动方程分别为：

3.脉冲调节器

冲击波形调节器的原理主要通过控制阻尼孔的通流面积来调节冲击台的制动脉冲.其运动过程可分为2个阶段：第1阶段对应密封完全失效之前，活塞一Ⅳ和阀芯的运动只由油液的压力推动引发，而油液受到活塞-Ⅲ的挤压作用;第2阶段对应密封完全失效之后，阀芯的运动由活塞-Ⅳ的推力和液动力维持，活塞-Ⅳ的推力则由蓄能器产生。

第1阶段活塞-Ⅳ与阀芯的运动方程由如下方程描述。

（1）溢流阀阀芯的运动方程

式中：xr是溢流閥阀芯位移;ηr为阻尼系数;f0是预紧力;kr为弹簧刚度;pr，为油腔压力;Ar为溢流阀阀芯截面积。

（2）油腔4（见图3）中油液的连续性方程

式中：y和z分别为活参Ⅲ和活塞-Ⅳ的位移;qr为通过溢流阀的流量;A3为油腔4的截面积;V3为油腔初始体积.

（3）活塞-Ⅳ和阀芯在第l阶段的运动方程

式中：Av为阀芯的有效截面积;Ad为阻尼孔的等效面积;pd为阀芯右端阻尼腔的压力;fs为作用于活塞-Ⅳ上的预压力;ks为活塞-Ⅳ端面密封元件的刚度;f34作用于m3和m4的摩擦力。

在第2阶段m3和m4的运动规律由以下方程描述。

根据式（5），阀芯运动速度可由阻尼力调节，从后面的仿真结果中将看到，在相同的蓄能器压力下，改变阻尼孔的通流面积可以调节制动波形。

（3）液压缓冲器的阻尼系数

比较方程（1）和（5）可以得到液压缓冲器的阻尼系数

将此式与式（4）代入方程（1）求解，可以求出所有的未知变量。

4.仿真研究

本文采用龙格一库塔数值法对冲击机数学模型进行仿真计算，主要仿真参数列于表1中.

图1显示了加速腔的压力曲线，说明当冲击锤以不同的速度撞击声波装置时，腔中的压力急剧上升，并且压力增加分别为7MPa，5MPa和4MPa。 ，由于卸载回路卸载了空腔中的压力，因此压力在六十毫秒内迅速降至oMPa。

图2显示，在活塞I缓冲极限和卸载回路的一起工作下，冲击后冲击锤的位移一直小于冲击台。表明碰撞锤与冲击台之间没有二次碰撞。冲击锤撞击声波装置后，冲击台得到破坏脉搏波装置端面密封的速度，同时液压缓冲器会产生阻尼力，从而使冲击台制动。 n个加速度脉冲如图3所示，

可以通过调整脉冲宽度和制动加速度的峰值来调整波形。图4显示，制动速度最终迅速降低到零，和通过运动产生阻尼力来制动自己的运动的过程不一样。外界决定了制动速度，因此仿真结果指出，冲击脉冲调节器可以调节冲击脉冲的幅度和脉冲宽度。

本文针对高强度双波冲击试验机的工作机理建立了动力学模型，并对其动力学性能进行了仿真。最终证明：本文提出的冲击试验仪可以模拟规范要求的冲击谱，与现有的弹簧变形能或重力势能作动力源相比，采用液压系统作动力源易于提高冲击测试仪的测试负荷和冲击等级。液压缓冲器极限和高速响应卸载电路在速度发生器活塞-I的冲程端的组合运动可以有效地防止冲击锤和冲击台的二次冲击。c.脉冲调节器通过改变阻尼孔径，冲击台制动加速度脉宽和峰值。

5.总结

总而言之，想要改善船舶和设备的抗冲击性，达到目前抗冲击性要求的水平，同时提高常规冲击试验机的最大测试能力，提出了一套全液压驱动的新型重载舰船设备抗冲击试验系统模型，以解决系统高能量存储及瞬间释放和避免二次撞击的关键问题构建了系统非线性动力学模型，同时可根据不断提高的抗冲击标准以及测试能力要求进行相应的扩展。

参考文献

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