船體基座抗沖擊研究現狀

1 引言

基座是設備和船體的連接結構，也是設備的安裝基礎。基座既承受設備自重產生的靜載荷和設備運行時產生的動載荷，同時又將船體所受的外載荷傳遞給設備，其承受的載荷非常復雜。目前,根據規范設計基座時,僅考慮基座所承受的靜載荷和相當當量的動載荷[1]。但隨著艦船對生命力的要求越來越高，其設備的抗沖擊性能越來越受到重視，基座在設計時不得不考慮非接觸爆炸時引起的沖擊載荷。

現代艦船在爆炸載荷作用下，會給全艦帶來巨大的破壞作用。動力、電氣、武備等系統設備均需要可靠的安裝基座。在沖擊環境下如果基座出現問題，小則影響系統設備的精度，大則系統設備無法正常工作，甚至導致全船喪失生命力。因此對基座的抗沖擊設計研究是很有必要的。

2 艦船抗沖擊研究現狀

艦船的抗沖擊研究一直以來受到各國海軍的重視。有關資料表明,艦船抗沖擊研究的歷史可以追溯到19世紀[2]。1860年，美國海軍進行了船體抗爆試驗。1874年8月，英國海軍在樸次茅斯進行沖擊試驗，這是有資料記載的最早的機械設備抗沖擊研究和第一次全面的水下爆炸試驗[3]。隨后日本、意大利、荷蘭、德國等國也分別進行了水下爆炸試驗[4]，并形成了相關的抗沖擊設計規范或標準。1946年，美軍制定相應的沖擊標準MIL-S-810HE、MIL-S-901，隨后逐漸發展為MIL-S-901B、MIL-S-901C以及至今還有效的MIL-S-901D[5]。美國軍用規范強調用沖擊試驗考核艦船設備抗沖擊能力和作為艦船設備的驗收標準[6]。1973年，德國海軍制定了BV043/73沖擊標準，隨后發展為BV043/85[7]。文獻[8]對各國的艦船沖擊標準進行了比較分析。

我國艦船抗沖擊研究起步較晚，大約自20世紀70年代開始對艦船進行抗沖擊研究[9]。90年代以后,加強了對艦船抗沖擊的研究工作，關注艦艇抗沖擊的技術發展[10-12]，主要研究了水下爆炸載荷的機理及響應分析[13-18]，以及對艦艇系統、設備分析技術及抗沖擊計算程序仿真方法的研究[19-22]。同時，對設備抗沖擊實例進行了分析[23,24]，對船舶推進軸系的抗沖擊進行了探究[25]。

國內對基座的抗沖擊研究較少。文獻[26]研究了艦船基座在水下非接觸爆炸條件下的沖擊載荷，并對某柴油機基座進行了沖擊計算。文章分別計算了柴油機基座在靜載荷和沖擊載荷作用下的應力及變形，其中沖擊計算采用了靜g法和時間歷程法這兩種方法。計算結果表明，水下非接觸爆炸造成的沖擊載荷對艦船基座應力、變形產生重大影響，在基座設計中不容忽視。

3 基座抗沖擊相關標準要求

國外的基座抗沖擊要求體現在相關的沖擊標準中。德國軍標BV043/73及BV043/85中對基座的沖擊安全性、許用應力及沖擊響應譜等作了規定。美國《艦船通用規范》中規定A級和B級設備的基座結構應和其所支撐的設備一起進行沖擊試驗，若實際不可行則基座應按動態設計分析方法進行分析。美國海上系統司令部關于水面艦艇沖擊設計標準中提到了基座沖擊設計的兩種方法(靜力分析方法與動力分析方法)[27]。Warren D.Reid有關美國海軍水面艦艇中心分部水下爆炸研究的工作報告中提出，甲板上處于甲板頻率和基座頻率之間的共振環境是非常有害的[28]，這說明在設計基座時需考慮到基座與甲板之間的頻率。

國內的相關標準中也有對基座抗沖擊的規定。在我國的艦船環境條件要求中，對基座的抗沖擊等級及基座動力學分析作出了相關規定。基座的抗沖擊等級與被支承設備相同，設備的抗沖擊等級按設備對艦船安全和連續作戰能力的重要性分為A級、B級和C級。在設計要求中規定A級和B級設備的基座，凡尚未與被安裝的設備(或所模擬的設備)一起進行沖擊試驗，均應按動態設計使之符合沖擊標準的規定，這一點與美國《艦船通用規范》中的規定是一致的。在沖擊試驗要求中規定沖擊試驗時，被支承的設備應按艦上安裝的方式固定在基座上，基座不應因沖擊而造成危害，其變形也不應影響A級設備的性能。基座的設計應首先按滿足正常工作要求進行，然后從沖擊角度檢驗。若檢驗中基座存在過大的局部應力，一般只要重新設計應力過大的區域，以滿足沖擊應力的要求。重新設計的構件的沖擊可大于許用應力的75%，但不大于100%。

4 基座抗沖擊計算方法

目前基座抗沖擊計算方法可以歸納為3種：靜g法；時域分析法；譜分析法。

4.1 靜g法

1961年，Buships提出了設備沖擊設計的“沖擊因數法”(Shock Design Number)，也稱靜g法，它用設備的重量與沖擊因數的乘積表示設備的沖擊載荷。

靜g法是將動載荷等價為一定倍數的靜載荷，用靜態的方法進行強度校核。在具體應用中，將基座及設備的總重量乘以沖擊設計因數(取決于總重量和負載方向)，產生一個作用于基座和設備重心的垂向(或橫向、縱向)力，此力即為與動載荷等價的靜載荷。

看著孔明燈一般乘大風飛浮出去的棋盤，子虛烏有二老順勢躍下榆樹，飄落在樹下的雪地上，攜手離去。被驚擾大半夜的鴉鵲，也總算松了一口氣。

靜g法優點在于簡單易行，但僅能得到基座最大受力情況的應力和變形結果。該方法未考慮基座的高階響應與一階響應的差異，實際上只校核了一階響應的強度，這樣當一階響應是基座的主要破壞因素時，采用靜g法能反映真實情況，當高階破壞是基座的主要破壞因素時，此法不合適。

4.2 時域分析法

時域分析法是規定基座承受某一沖擊的時間信號，該信號由壓力、速度或加速度作為時間函數所定義。將其作為沖擊輸入，計算基座的沖擊響應。

時域分析法可以分別用于基座受到基礎激勵—時間歷程的沖擊輸入，或基座直接受到水下爆炸沖擊動壓力—時間歷程的沖擊輸入。其中，基礎激勵—時間歷程的沖擊輸入有2類：BV043/73中規定的半正弦波、三角波或梯形波；BV043/85中規定的雙峰半正弦波、雙三角波。沖擊動壓力—時間歷程的沖擊輸入即為整船水下爆炸沖擊直接計算法。對于船體基座而言，通常定義基礎加速度作為沖擊輸入。在缺乏相應的數據時，可取典型的沖擊持續時間為5～10 ms，并根據需要采用適當的阻尼系數。

時域分析法優點在于可以得到基座每一時刻每一節點的應力及變形值，適用于基座抗沖擊詳細階段的計算，缺點在于工作量較大。

4.3 譜分析法

譜分析法是將設計沖擊譜作為基座的沖擊輸入，并對基座數學模型進行模態分析，對模態分析結果進行合成，從而求得基座的沖擊響應。譜值包括相對位移、相對速度和絕對加速度值。

1932年，Biot在他的博士論文中首次提出了地震譜的概念。1942年，美國海軍研究的機械裝置可以直接記錄瞬態運動的沖擊譜。1948年，地震譜的概念被引入到設備沖擊領域。在結構動力響應的理論研究和艦船水下爆炸試驗的基礎上，美國海軍研究所的Belsheim和O′Hara在1961年提出了基于沖擊譜的動態設計分析方法(DDAM)。隨著美國海軍實施的一系列水下爆炸試驗，在對結果進行分析的基礎上發展了該設計沖擊譜，DDAM使用該設計沖擊譜。設計沖擊譜曲線對加速度和速度進行限定，并隨艦艇類型、設備安裝位置以及設備各階模態的模態質量的不同而不同。DDAM可以分析高階的破壞模式，可以得到每一時刻每一節點的應力及變形值，但它有一定的局限性，只能分析設備結構的線彈性破壞。

同時，由于BuShips提出的設備沖擊設計的靜g法用于沖擊設計時有較大的誤差，為了克服這一方法的缺點，提出了“初始速度譜法”(Starting Velocity Spectrum)[29]，即在動態分析時采用相同的速度譜。但這一方法也有不足，就是頻率越高，沖擊輸入也越高，同時加速度沒有限值。因此，就提出了帶有加速度限值的設計沖擊譜。1973年，德國海軍軍標BV043/73中規定，在低中頻段為等速度譜和在高頻段為等加速度譜。進而，設計譜速度被設定為隨設備的重量而變化。這一概念被進一步完善之后就得到隨設備重量變化的具有限值的設計加速度，即在BV043/85中規定的三折線譜：在低頻下沖擊譜認為是等位移譜，中頻下沖擊譜認為是等速度譜，高頻下沖擊譜認為是等加速度譜。

譜分析法較時域分析法方便，但僅能得到基座最大受力情況的應力和變形結果，可適用于基座抗沖擊詳細階段的計算。

5 基座抗沖擊研究的關鍵問題

對基座進行抗沖擊計算分析，一般是采用數值仿真的方法。通過收集和消化吸收國外抗爆抗沖擊標準、規范和相關資料，開展實船爆炸綜合試驗研究，進行相當數量模型沖擊試驗，以便積累數據，考核計算方法。目前基座抗沖擊分析研究中需要考慮的關鍵問題如下：

1) 如何構造合理的有限元模型描述沖擊響應中的實際基座與船體結構

基座是設備連接船體的關鍵結構，單獨研究基座需要將船體和設備作用到基座上的各種復雜的力以及邊界條件分別給出，而且基座受力及邊界條件隨工況的不同而不同。為了更真實地反映基座在艦船上的真實受力情況，需要將基座納入設備、基座與船體結構一體化當中來研究基座抗沖擊設計。因此，必須確定合理的技術途徑來妥善處理外部沖擊環境、艦體結構、基座結構和艦載設備之間的關系。文獻[30]曾對某設備基座加船體結構和不加船體結構的受力情況分別進行了分析，結論是在設計基座時僅僅考察基座本身的強度或剛度問題往往并不能反映真實的情況。

2) 強度考核指標

在正常情況下，由沖擊載荷產生的應力不應超過靜態屈服極限，只有在基座的有限塑性變形不損害設備功能時，理論上的應力才可以超越靜態屈服極限。許用應力與基座沖擊等級、安裝位置、有無定位要求、許用變形及輸入類型(彈性或彈塑性)等相關。目前，一般是根據國內外的相關文獻資料及材料的動屈服極限等來確定基座的抗沖擊許用應力及強度準則。基座的強度準則還需進一步研究確定。

3) 基座抗沖擊試驗

無論是水面艦艇還是潛艇，其關鍵設備和基座均應進行沖擊試驗。艦船水下爆炸試驗STT是驗證在戰爭沖擊環境下，艦艇及其系統抗沖擊能力的最佳途徑，其具有很高的精確度和可靠性，但由于水下爆炸試驗成本昂貴，使得進行沖擊試驗的次數較少，應有針對性地對基座進行沖擊試驗。

4) 基座結構形式對抗沖擊性能的影響及基座結構優化

船體基座可以根據基座選材、設備安裝方向、基座位置、設備安裝方式、基座形狀來分類。這些不同類型的基座對抗沖擊性能的影響需要進行深入的研究。結構優化設計可以根據設計變量的類型分為不同的層次。目前，有尺寸優化、形狀優化和拓撲優化3個層次[31]。在船體基座結構中，需要根據基座強度要求、剛度要求、抗沖擊要求等，對基座進行優化設計。

5) 基座抗沖擊設計規范標準

目前在基座抗沖擊設計中，尚無設計準則也沒有形成設計規范，需建立1套適用的基座抗沖擊設計規范。

6) 設計新型的抗沖擊型基座

以往的基座設計一般重點考慮強度剛度及振動要求，對抗沖擊要求往往不重視，故需要對基座的結構形式進行研究，以找出能滿足抗沖擊性能的結構形式。

6 結 語

船體基座抗沖擊研究是艦船抗沖擊研究的一項重要內容，通過對基座抗沖擊理論研究、計算方法研究和數值仿真研究等，形成基座抗沖擊設計方法及標準，最終達到提高基座抗沖擊性能并指導基座抗沖擊設計的目的。本文僅對基座抗沖擊的研究現狀進行了闡述，提出了基座抗沖擊研究需考慮的關鍵問題，給出了今后基座抗沖擊研究的方向。

[1] 中國船級社.鋼質海船入級與建造規范,第2分冊[S].北京:人民交通出版社,2001.

[2] FOREHAND W T. UNDEX testing: when, why & how it began[C]. Proceedings of the 70th Shock and Vibration Symposium,1999.

[3] Oberon Trials-Naval Annual[S]. United Kingdom, Portsmouth, 1885.

[4] 汪玉,華宏星.艦船現代沖擊理論及應用[M].北京:科學出版社,2005.

[5] Military Specification MIL-S-901D.Shock tests H.I. (High Impact) shipboard machinery[S],1989.

[6] WELCH W P.Mechanical shock on naval vessels as related to equipment design[J]. Journal ASNE, 1946(1): 58.

[7] German BWB Specification BV043 [S], 1985.

[8] 馬綸宇,王成剛,沈榮瀛.船舶機械設備沖擊標準淺談[J].噪聲與振動控制,1997(6):41-45.

[9] 陳繼康,等.某艇水下爆炸試驗資料匯編[G].北京:第六機械工業部船舶系統工程部, 1982.

[10] 葉明,范井峰.艦艇抗沖擊綜合研究初探[J].船舶,2004(6):10-12.

[11] 孟慶國,杜儉業.國外艦艇抗沖擊技術發展概況及啟示[M]∥汪玉.艦艇及設備沖擊響應分析技術.北京：海潮出版社，2005:3-7.

[12] 王官祥,張繼明,汪玉.艦船裝備論證階段的抗沖擊要求[M]∥汪玉.艦艇及設備沖擊響應分析技術.北京：海潮出版社，2005:8-13.

[13] 劉建湖.艦船非接觸水下爆炸動力學的理論和應用[D].中國船舶科學研究中心博士論文,2002.

[14] 諶勇,汪玉,華宏星,沈榮瀛.艦船水下爆炸數值計算方法綜述[M]∥汪玉.艦艇及設備沖擊響應分析技術.北京：海潮出版社，2005:14-23.

[15] 諶勇,汪玉,華宏星,沈榮瀛.剛塑性圓板受水下爆炸載荷時的動力響應分析[M]∥汪玉.艦艇及設備沖擊響應分析技術.北京：海潮出版社，2005:43-50.

[16] 張振華,朱錫,馮剛,孫雪榮.艦艇在遠場水下爆炸載荷作用下動態響應的數值計算方法研究[J].中國造船,2003,44(4):36-42.

[17] 張振華,朱錫,白雪飛.水下爆炸沖擊波的數值模擬研究[M]∥汪玉.艦艇及設備沖擊響應分析技術.北京：海潮出版社，2005:26-32.

[18] 姚熊亮,郭君,許維軍.潛艇在深水壓力作用下爆炸沖擊響應與損傷的數值試驗研究[M]∥汪玉.艦艇及設備沖擊響應分析技術.北京：海潮出版社，2005:123-131.

[19] 王官祥,趙玫.用ANSYS進行抗沖擊仿真[M]∥汪玉.艦艇及設備沖擊響應分析技術.北京：海潮出版社，2005:179-181.

[20] 王官祥,汪玉.模態分析在沖擊動力學分析中的應用[M]∥汪玉.艦艇及設備沖擊響應分析技術.北京：海潮出版社，2005:171-174.

[21] 吳廣明,沈榮瀛,華宏星.大型艦船模型三維有限元振動及沖擊計算[M]∥汪玉.艦艇及設備沖擊響應分析技術.北京：海潮出版社，2005:102-107.

[22] 賀華,馮奇.雙層隔振系統動力學建模和響應計算[M]∥汪玉.艦艇及設備沖擊響應分析技術.北京：海潮出版社，2005:153-157.

[23] 梅永娟,吳榮寶,金咸定.尾軸架沖擊響應計算分析[J].上海造船,2006(3):187-197.

[24] 王國治.浮筏隔振裝置抗基礎沖擊的研究[M]∥汪玉.艦艇及設備沖擊響應分析技術.北京：海潮出版社，2005:175-178.

[25] 孫洪軍,沈榮瀛.艦艇推進軸系抗沖擊技術研究[D].上海交通大學碩士論文,2004.

[26] 吳廣明,鄭新元.某柴油機基座結構抗沖擊計算[J].中國艦船研究,2006，1(4):41-43.

[27] Naval Sea Command. Shock design criteria for surface ships[S]. NAVSEA 0908-LP-000-3010, 1995.

[28] REID W D. The response of surface ships to underwater explosions[R]. DSTO-GD-0109, 1996.

[29] SCAVUZZO R J , PUSEY H C . Naval shock analysis and design[G]. Shock and Vibration Information Analysis Center (SAVIAC), 2000.

[30] 李青,朱新進.船舶重要設備基座設計探索[G].上海市造船工程學會學術年會論文集,2007(1):62-66.

[31] 曾廣武,程遠勝,郝剛.船舶結構優化設計方法的研究進展[J].計算結構力學及應用,1994,11(1):99-106.