Gao H of free-field pressure sensor laying mechanism design in anti-shock test of warship［J］.Chinese Journal of Ship Research，2019，14（3）：75-82.

0 引 言

舰艇及设备抗冲击性能［1-2］作为舰艇自身抗损能力的重要体现，越来越受到各国的重视，特别是通过实船抗爆抗冲击试验［3］对舰艇及设备性能进行考核，已成为各国海军武器装备定型的一个重要环节。美国等西方国家已经完成了多型实船海上爆炸试验，建立了全面的系统试验方法及评估标准［4-5］等。在实船抗爆抗冲击试验中，对船体及船上设备的位移、速度、加速度、应变等参数进行测量，是其性能考核的一个重要方面［6-7］；同时，测量船体在水中所处位置的自由场压力，可以直观反映水中爆炸作用于船体的能量大小，可为评估船体及设备的毁伤程度奠定基础［8-9］，因此，该测量也是爆炸测量中必不可少的环节。

在实船水中抗爆抗冲击试验中，在对自由场压力进行测量时［10］，要求传感器悬布于水中一定深度，被试验舰艇处于静止或运动状态，同时还要保护传感器线缆。目前，我国针对自由场压力传感器的布放与回收的研究较少，且主要局限于舰艇静态抗冲击试验。本文拟重点针对舰艇在运动状态时的抗冲击试验，同时兼顾舰艇静态抗冲击试验，基于计算多体动力学理论，结合计算流体力学及有限元法，提出一种结构简单、性能可靠且实用的自由场压力传感器布放机构设计方法，该布放机构能提高传感器布放效率与测量精度，降低操作人员在舷侧布放传感器时出现跌落的风险，可为实船在抗爆抗冲击试验中自由场压力的测量奠定一定基础。

1 设计依据及方法

在舰艇抗爆抗冲击试验测量中，测量舰船周围自由场压力可为毁伤评估提供依据。同时，船体舷侧多个测点都需要进行自由场压力的测量，可通过时差法确定爆源与船体的相对位置。试验时，主要测量船体迎爆面和背爆面的若干个点，这些测点应在两舷均匀分布。在布放自由场压力传感器时，要求传感器敏感面的法线方向垂直于冲击波运动方向，传感器应保持固定，且需要保护与之连接的电缆。本文在设计布放机构时，主要是依据传感器的布放要求来确定其性能，整个设计过程是基于虚拟样机技术，特点是以工程设计和科学问题为背景建立计算模型，并进行计算机仿真分析，以使复杂的设计过程简单化和层次化。其主要过程为三维几何实体建模、有限元分析和多体动力学分析等。在样机结构设计的基础上，重点对布放杆件的水动力学进行计算。

2 布放机构的多体动力学建模

计算多体系统动力学［11］主要是指用计算机数值手段来研究机械系统的静力学分析、运动学分析、动力学分析以及控制系统分析的理论和方法。

2.1 几何实体建模

建立布放机构的几何模型是通过参数化的三维建模软件来实现的，即将模型的所有尺寸定义为参数形式，当修改参数的数值时，在系统模型拓扑关系保持不变的情况下，几何大小和相对比例将随着参数的修改而变化。布放机构主要由安装基座、布放杆件、杆件推放与回收架、杆件固定架等部件组成，其中，安装基座主要用于支撑整个布放机构，布放杆件用于固定和保护传感器及连接电缆，杆件推放与回收架用于布放杆件的布设与回收，杆件固定架用于固定及保护布放杆件，配重用于平衡布放杆件。主要零部件及装配体的几何模型图如图1所示。

图1 布放机构主要零部件及装配体的几何模型图Fig.1 Laying mechanism geometric model of main parts and assembly

2.2 多体动力学建模及分析

多体动力学建模选取全局坐标作为装配的基准参考，在装配过程中，需注意装配顺序，以便于模型的修改和优化。根据研究对象，在建立多刚体模型时将所研究的对象分别单独作为刚体，其余的整体作为一个刚体来研究。将整个布放机构简化为由安装基座、杆件推放与回收架、杆件固定架、布放杆件等刚体组成。布放机构的多体系统动力学模型如图2所示。

在该模型中，主要涉及到固定副、旋转副、滑移副、运动驱动等边界条件，布放杆件与图1（c）之间通过旋转卡扣固定，图1（c）与图1（b）之间通过旋转副连接，图1（b）与图1（a）之间通过滑移副连接。传感器布放过程为：传感器及线缆穿过布放杆件并将传感器固定在布放杆件的一端，布放杆件通过旋转卡扣固定在杆件固定架上；将杆件推放与回收架推出舷外，旋转杆件固定架至适当位置并固定在杆件推放与回收架上；旋转杆件推放与回收架使传感器入水，并将旋转杆件推放与回收架固定在安装基座上。传感器回收过程的步骤与布放过程相反。通过多体动力学分析，发现整个布放机构设计合理，在船舷边上便于操作，不存在干涉等问题。在此基础上，影响整个布放机构性能的主要因素是布放杆件入水后的阻力与布放杆件的强度问题。