舰船抗冲击试验应变数据分析

舰船抗冲击试验应变数据分析

刘金标

中国船舶集团公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003

摘要：以舰船抗冲击试验非接触爆炸应变测量为应用背景，研究了应变数据的分析方法，通过对缩比模型实炸试验应变数据进行时域及频域分析，发现了模型在垂向及纵向的固有振动频率，并且应变的时程及其频域曲线存在着必然联系，从而为结构的固有模态及毁伤模式分析提供参考。

关键词：舰船抗冲击；应变；数据分析

1 引言

在舰船抗冲击非接触爆炸试验中，对应变数据的准确测量和分析具有重要意义。通过对应变数据的测量和分析，可以得到构件变形过程中的应变场和应力场，反映非接触爆炸中船体结构局部弹塑性变形及其抗毁伤能力，协助推算结构破裂临界爆炸载荷压力峰值，得到模型在水下爆炸载荷作用下结构的响应过程与破坏模式，分析目标最大塑性应变位置，用于现代舰船防护结构设计等。舰船抗冲击试验中，在准确测得关键测点应变数据后，对数据进行充分分析，发掘其中包含的信息，从而达到试验测量的目的并获得更丰富的科研价值，是数据处理分析工作中的关键步骤。

本文结合缩比模型实炸试验中测量的结果对典型应变数据进行了分析，主要采用时程曲线分析与快速傅立叶变换（Fast Fourier Translate，FFT）两种手段相结合的方式，所得结果可对结构的固有模态及毁伤模式分析提供参考。

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2 试验工况设置

舰船缩比模型相对实船采用1:20比例，主尺度分别为：船长4.5米，型宽0.6米，型深0.45米，吃水0.25米。舰船缩比模型共设7道横舱壁，2层平台，有中纵舱壁，平台2与船底外底板组成双层底，双层底内还有2道纵舱壁加强。甲板、平台板厚4mm，其余结构板厚3mm，结构总质量约429.4kg。

试验共进行6个工况，具体试验工况设置如表1所示，试验海区水深为9米左右。试验通过电测系统采集设备进行爆炸载荷参数录取。模型共设置6个测点进行应变、加速度测量，每个测点分别测量垂直、纵向、45度三个方向，应变、加速度分别有18个通道，测点设置如图1所示。另外，试验还设置了自由场压力测点进行自由场压力的测量。

表1 试验工况设置

图1 模型及测点布设示意图

3 试验结果与分析

对应变测量的分析选取了几个具有较典型特征的测点来进行，必要时还结合了工况的自由场压力曲线及测点的加速度测量数据。

3.1 垂向共振测点

（a）

（b）

（c）

图2 工况1，应变第8通道（SET1，S8）应变数据（a）应变时程曲线；（b）局部放大；（c）傅立叶变换

图3 工况1自由场压力时程曲线

图2为工况1，应变第8通道（记为SET1，S8）的应变数据，它位于模型船长的中部，测量模型垂向应变。图3为该工况的自由场压力曲线，可以看出该工况爆源深度为9米，离海底较近，仅有一次冲击波载荷，未发现反射波或气泡脉动。从图2（a）中可以发现应变时程曲线衰减缓慢。对图2（a）进行局部放大得到图2（b）；可以发现，虽然对于结构仅有一次冲击波载荷输入，但应变幅值并未在载荷作用结束后单调衰减为0，而是通过振荡出现了幅值的反复增大及减小。

产生这种应变时程曲线的原因可以通过分析其傅立叶变换进行分析。从图2（c）可以看出，SET1，S8测点的频域响应在184赫兹及其倍频368赫兹出现了明显的峰值，这说明结构在184赫兹对冲击波载荷产生了明显的响应，结构在此频率下被激振，从而幅值呈现非单调的振荡衰减，184赫兹是模型的垂向振荡固有频率。

3.2 横向共振测点

         （a）

       (b)

(c)

图4工况2，应变第7通道（SET2，S7）应变数据及相应的加速度信号(a)应变时程曲线； （b）第二次气泡脉动局部放大； （c）傅立叶变换

图4（a）为工况2，应变第7通道（SET2，S7）应变及加速度时程曲线，箭头指示为结构受到的爆炸载荷（包括一次冲击波及两次气泡脉动）。该通道测量的为模型纵向应变。在该工况的自由场压力曲线发现了一次冲击波载荷及两次气泡脉动。可以发现该应变时程曲线同样衰减缓慢，在下一次载荷到来之前应变幅值都没有衰减为0。对图4（a）的第二次气泡脉动进行局部放大得到图4（b），可以发现该曲线具有较图2（b）更明显且典型的振荡现象，在冲击波作用于结构时，激起了应变幅值的振荡，当气泡脉动到来时，结构应变经历了3-4个振荡周期才达到极大值。而当载荷作用结束后，应变振荡的幅值经历了增大-减小-增大-减小往复过程，最终阻尼衰减为零。可以判断，这个工况下结构也被冲击波激振。

对图4（b）这段应变时程进行傅立叶变换得到图4（c），发现其中出现了260赫兹的频率峰，由于该测点测量为船纵向应变，说明结构在纵向存在

260赫兹的激振频率。

3.3未共振测点

图5（a）为工况5，应变第8通道（SET5，S8）应变时程曲线，该通道测量的为垂向应变。在该工况的自由场压力曲线发现了一次冲击波载荷及两次气泡脉动。与图2（a）及图4（a）不同，该应变时程曲线幅值下降迅速，在新的载荷来临前，应变幅值基本回归为0。将其冲击波段进行局部时域放大得到图5（b），发现其区别于图2（b）及图4（b），除应变误差较快外，其应变振荡幅值还呈现单调下降。

对图5（b）进行傅立叶变换得到图5（c），发现该频域曲线未出现明显的181赫兹或362赫兹的频率峰值，这说明在该工况下冲击波未能激起模型的振动，因而其应变时域曲线幅值呈单调振荡衰减，且衰减迅速。

（a）                                           （b）  

（c）

图5工况5，应变第8通道（SET5，S8）应变数据(a)应变时程曲线；（b）冲击波局部放大以及（c）傅立叶变换

3.4 塑性应变测点

(a)

(b)

图6 工况6，应变第8通道（SET6，S8）应变数据

（a）应变时程曲线（b）模型在此工况后图片

图6（a）为工况6，应变第8通道（SET6，S8）应变时程曲线，该通道测量的为垂向应变。可以发现，应变曲线在冲击波后发生基准值变化，即应变值在振荡后未恢复为0，说明模型在此工况下产生了塑性变形。同时，还可发现模型的塑性应变发生在冲击波载荷之后，气泡脉动对模型塑性应变的贡献不大。在此工况后模型照片如图6（b）所示。

4 结论

本文通过对缩比模型的应变测量时程曲线及其快速傅立叶变换的分析，主要得到以下结论：

（1）应变的时程及其频域曲线存在着必然联系，若时程曲线呈现衰减较慢，且振荡幅值非单调衰减，其傅立叶变换中可以发现结构的固有振荡频率峰值；若时程曲线衰减较快，且振荡幅值单调衰减，则其傅立叶变换中不能发现结构的固有振荡频率峰值。

（2）结构在不同方向具有不同的固有振荡频率，可以通过对应变时程曲线的傅立叶变换来分析。当结构由于冲击载荷的输入发生激振时，结构响应作用时间增长，使得毁伤更加严重。

（3）当共振频率大于100赫兹（本试验中为181赫兹及260赫兹），则基本为冲击波引起的振荡，引起模型毁伤的主要因素为冲击波。

本文分析所得结论可为结构的固有模态及毁伤模式分析提供参考。