舰船水下非接触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
摘要： 以水下非接触爆炸环境为研究背景，在论述隔冲原理及粘弹性材料力学特性的基础上，分析了粘弹性复合材料隔冲结构的各种非线性因素。根据物理样机的实际工况，建立了粘弹性复合材料隔冲结构的有限元模型，通过仿真计算，得到了瞬态激励条件下隔冲结构的动力衰减曲线。在此基础上完成了摄像机的抗冲击结构设计，并进行了实验室验证，满足了爆炸试验对摄像机的抗冲击要求。
关键词：粘弹性复合材料 隔冲结构 瞬态响应 非线性有限元模型 中图分类号：TD4 文献标识码：A
Anti-impact Design of Surveillance Cameras under Ship Underwater
Non-contact Explosion Test Environment
The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Zhengzhou
450047，P. R. China Tao Zhang, Yinghong Sun
Abstract: With non-contact underwater explosion environment as research background, based on the shock-isolation principle and mechanical properties of viscoelastic materials, nonlinear factors of shock-isolation structure in viscoelastic composite materials are analyzed in this paper. According to the physical prototype of the actual operating mode, the finite element model of shock-isolation structures is established and the dynamical attenuation curve of the shock-isolation structure under transient excitation condition is obtained with simulation. On this basis, structure design of the camera is completed with lab validation, which can meet the anti-impact requirements for explosion test.
Keywords: Viscoelastic composite materials, Shock-isolation structure, Transient response,
Nonlinear finite element model
1．概述
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]。
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。目前应用于舰载电子设备的隔冲结构包括金属弹簧减振器、钢丝绳减振器、橡胶缓冲器、基于流体阻尼特性的油压和气压弹簧等，研究领域包括对上述隔冲结构及材料的物理样机试验和基于仿真软件的数值计算。
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。该款摄像机具有广阔的应用前景和很高的推广应用价值。
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[3-4]。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：
（??}?[I?i?]?K?{X}?{F}?M?{X 1）
式中，?为材料能量损失因子，即结构阻尼比；
?M?和[1?i?]?K?为系统的质量阵和
复刚度阵，{X}和{X}为节点的加速度矢和位移矢，{F}为载荷矢。对线性时不变系统，上式进行傅氏变换后的频响函数为：
（2）
aHlp(?)??[H(?)]?[??2[M]?[I?i?][K]]?1
由模态正交性，对（2）式应用模态叠加法，得到任一加速度频响函数矩阵中元素的级数表达式：
H(?)??alpr?1N??lr?pr?2Kr[(1??r2)?i?r]
3）
（
式中，
aHlp(?)为
p点激励l点复响应的加速度频响函数，?lr和?pr分别为第l测点和
?)K???p第测点的第r阶模态振型，r为第r阶模态刚度，r即r为第r阶模态频率比，r为
第r阶模态的结构阻尼比。
(上式，
?lr、?pr、Kr、?r和?r均为系统固有属性，称之为模态参数。通过选择适当
aHlp(?)?K?rr的和值，可有效降低系统的。尤其在共振频段，通过增大r的值，可有效降
低品质因子，但在
?r?2后，增加?r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
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。鉴于这种瞬态激励的波形具有时域复杂性和不可复制性，因此在实船爆炸试验外的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对舰载电子设备的瞬态激励。国军标就是用这种方法来模拟舰船遭受的水下爆炸冲击。图1为上述瞬态激励的波形。
图1 舰载电子设备的瞬态激励
应对这种瞬态激励，隔冲结构应具有以下两方面功能：① 结构上具备足够的刚度以适应高强度的瞬态冲击，来保证摄像机的安全；② 材料上能提供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，使摄像机在冲击峰值不致损坏，并快速稳定下来进入正常工作状态。
一般情况下，各种金属板条制或螺旋弹簧制隔冲结构，虽然刚度大，承载能力强，但其?仅为0.01～0.001，阻尼过小将严重影响隔冲效果，在脉冲激励下也不利于摄像机的快速稳定。高聚物类的粘弹性材料其?可达0.5～2，有的高达5，足够高的阻尼使其在冲击作用下迅速消耗能量，能够快速稳定，但其承载能力相对较弱，容易失稳。
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，这样的复合材料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[5-7]。
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。阻尼机理综合表现为：由粘弹性阻尼材料表现出稳定的应变滞后于应力的迟滞现象所产生的迟滞回线，可以看出在每一个振动周期内阻尼都要消耗一定的能量，且粘弹性材料的迟滞现象较一般材料更为显著，因此其每一个振动周期都能消耗更多的能量，从而更有利于抑制振动、降低噪声。 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：
n??aii(?(t))??bii(?(t))??t?ti?0i?0
n（4）
式中，?(t)和?(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：
?(t)??(t)G(0)???(?)0tdG(t??)d?d(t??)
（5）
式中，G(t)为应力松弛模量，它反映了?(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(t)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（5）式使用G(t)的原因。
目前商用有限元软件在处理G(t)时，均采用广义麦克斯韦模型和prony级数形式，这两种模型实质是等价的。使用prony级数表示G(t)的基本形式为：
G(t)?G???Giexp(i?1NG?t?i
)G（6）
上式，
G?为无穷长时间后的剪切模量，Gi为对应不同prony级数的剪切模量和体积模
exp(?tG?量，i为对应不同prony级数分量的松弛时间，?iG为应力松弛核函数，可以看到其
)明显的随时间衰减的特性。 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（5）式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：
??G*(?)?
G*(?)?G?(?)?iG??(?)?G?(?)[1?i?(?)]
(7) (8)
*???G式中，(?)为复应力模量，G(?)和G(?)分别表示材料的存储模量和损耗模量，
?(?)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
为占主导地位的应变能，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。
在复模量公式（8）中有：
?(?)?G??(?)?tan??G(?)
(9)
上式，?为应变落后于应力的相位角，粘弹性材料的能量损失因子?正比于相位角?，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?G正比于相位角?，?G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?的峰值越高，损耗能量越多；峰值温度（即粘弹性材料玻璃态转化温度这时（
??Tg）应与材料的实用工况温度一致，
Tg时刻）应力应变的滞后现象最为严重，能量损失因子最高。
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。硅橡胶的硫化剂是外观呈无色液体状的含氢硅氧烷（硫化剂）。乙烯基硅氧烷在过渡金属作用下，与含氢硅氧烷进行硅氢加成反应生成硅氢加成型硫化硅橡胶。
使用步骤为：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。将混合后形成的硫化硅橡胶灌入需要隔冲的摄像机、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℃）的操作时间约为1～2个小时，后续3～4个小时为凝胶时间，这段时间材料表现为具有优异的力学性能的粘弹性阻尼材料，也是材料隔振性能最佳的时间。
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。
4.1.1隔冲结构非线性问题描述
材料非线性是粘弹性复合材料隔冲结构整体力学性能表现出强非线性的最主要来源。该结构由承载摄像机的金属板件和耗散冲击能量的胶体材料复合而成。粘弹性材料的本构关系如上所述，其表现出强非线性应力应变关系的特点是由于当前应力值不但与当前的应变有关，而且与整个应变的时间历程有关。当胶体材料包裹金属板件和摄像机构成的隔冲结构时，其整体将呈现出正交各向异性材料的特点。这种应变速率敏感性和金属材料的结合形式共同决定了其材料的非线性行为。
本文在处理材料非线性方面采用prony级数描述粘弹性材料，弹性参数描述金属板件，