多種破壞因素下艦船電力系統三維戰損綜合評估

董 紅 程智斌

海軍工程大學船舶與動力學院，湖北武漢 430033

多種破壞因素下艦船電力系統三維戰損綜合評估

董 紅 程智斌

海軍工程大學船舶與動力學院，湖北武漢 430033

分析武器攻擊產生的4種主要破壞因素對設備的損傷機理，對船體和電力系統進行三維數字建模，采用Matlab編程進行蒙特卡羅模擬多種常規武器攻擊。考慮多種破壞因素，提出武器多次命中時電力系統各部分損傷概率和損傷等級的計算方法。利用層次分析法確定權重，綜合評估電力系統的損傷，提出電力系統的設計及防護建議。

破壞因素；電力系統；蒙特卡羅模擬；層次分析法

1 引言

現代艦船電氣化、自動化水平越來越高，電力系統也達到至關重要的地位。電力系統與艦艇戰斗力、防御力和生命力直接相關，它就像是經絡和血脈，遍布全船，結構復雜，對電力系統進行全面細致的評估比較困難，但十分必要。

國內外學者對艦船電力系統生命力進行了諸多研究，主要包括損傷機理、評估方法等研究［1-3］，其中模糊評估法［4-6］近年來很流行。模糊評估法算法較先進，對于艦船電力系統的綜合評估主要以一維和二維的方法來計算，并且一般只考慮武器的破壞半徑或進水破壞一個因素，而本文將在三維條件下，考慮4種主要的破壞因素，對電力系統的戰損率進行評估計算，結果更加詳細也更加貼近實際。

2 破壞因素分析

現代戰爭中，水面艦艇受到的常規武器攻擊主要有來自空中的導彈、炮彈和來自水中的魚雷、水雷，爆炸類型又分為接觸爆炸和非接觸爆炸。無論哪種武器攻擊和哪種爆炸類型，對艦船系統的破壞因素主要有4種：直接破壞、沖擊振動破壞、火災破壞和進水破壞。下面對這4種破壞因素分別進行分析。

2.1 直接破壞

爆炸破片損傷設備要同時具備2個條件：

1）至少有一個破片擊中設備；

2）破片有足夠能量穿過防護破壞設備元件。

一般來說破片損傷的設備，沖擊波也破壞了設備，此處只考慮沖擊波的破壞。沖擊波破壞作用用3個參數來度量：波陣面壓力（或超壓ΔPm）；正壓區作用時間t＋；比沖量，即正壓區壓力函數對時間的積分值。一般我們用超壓來判斷設備是否損壞。沖擊波超壓經驗計算公式［9］：

式中，ω為TNT裝藥量，kg；R為裝備距彈藥裝藥中心的距離，m；

經試驗統計，超壓對電子電氣類設備損傷閥值為 0.05～ 0.11 MPa；對艦船的損傷閥值為 0.07 ～0.085 MPa（嚴重破壞）和 0.028 ～0.043 MPa（輕微或中等破壞［10］）。

2.2 沖擊振動破壞

接觸爆炸和非接觸爆炸都會產生沖擊振動破壞，此處只考慮接觸爆炸和水中非接觸爆炸產生的沖擊振動破壞。沖擊振動破壞電力系統設備的方式：

1）振動或沖擊幅值過大，超過允許的范圍；

2）系統的固有頻率與強迫振動頻率相同或接近，系統產生共振現象，即使激勵幅值不大，但響應值會大大超過激勵幅值，極可能導致對產品的破壞；

3）振動試驗的幅值雖然未超出允許范圍，但由于循環次數過多，則會產生疲勞損傷。

為了便于進行分析計算，我們采用以下判據，對于某一確定武器，某處的沖擊環境僅與該處爆炸點的距離和方位有關［9］：

設爆炸點坐標為（x0，y0，z0），某點處的坐標為（x1，y1，z1）， 則該點處接觸爆炸沖擊加速度的模型為：

式中，K為與裝藥量等因素有關的常數。

該點處非接觸爆炸的沖擊加速度的模型為：

式中，K′為與結構、武器相關的常數。我們通過判斷設備能夠承受的響應加速度Ai與沖擊加速度的大小來判斷設備是否損壞。一般認為電子電氣設備能承受10 g的加速度。機械設備能夠承受15 g的加速度，超過這兩個范圍就認為受到損壞。

2.3 火災破壞

火災破壞是武器接觸爆炸所產生的后續威脅，由火災形成和蔓延的機制可知，艦艇火災與艦艇艙室可燃物的數量、可燃物的特性（燃點、閃點、燃燒速度）、艙室通風狀態因素、消防系統的配置與效率、艦員消防訓練的熟練程度、火災現場指揮是否得當，以及火源等因素有關。將這些因素進行指標的歸納與量化，并根據廣義指標體系非線性合成方法，形成一個新的指標，即艦艇艙室火災危險度Poi。該指標用來衡量艦艇艙室火災危險性的大小，指標值越大則艙室的火災危險性越大，指標的取值范圍為［0，1］。具體的火災危險度的計算模型為［10］：

式中，k1為可燃物著火因子；k2為可燃物負荷密度因子；k3為可燃物燃燒速度因子；k4為艙室通風狀態因子；k5為消防因子。

2.4 進水破壞

當武器直接命中艦船接觸爆炸或近距離非接觸爆炸時，會在艦體上形成破口，當炸點或破口延伸至水線以下時就會引起進水，破口過大無法堵漏時，被認為艙室內設備尤其是電氣設備完全損壞失效。

普通炸藥武器接觸爆炸或近距離爆炸時，其對艦船的破壞作用，可按下面的經驗公式計算出破壞半徑Rb：

式中，ωT為 TNT裝藥當量，kg；K為艦船結構系數，一般可取其為 0.37 ～0.44。

普通炸藥武器水中接觸爆炸，對艦船的破壞半徑 R 為［11］：式中，P0為爆炸點靜水絕對壓力，kg／cm2；H 為爆炸點處水深，m。

3 三維條件下概率計算方法步驟

在三維空間里進行損傷概率計算，區別與一維、二維的損傷概率，需要考慮到船體的三維尺寸、形狀，以及艙室和設備的位置和大小，更貼近實際情況，但計算也更加復雜［13］。三維概率計算的關鍵在于如何確定空間炸點的分布問題，在這里我們采用蒙特卡羅模擬方法。

3.1 三維數字建模

獲取艦船三維坐標數據，主要包括：船體表面數據、艙室分布數據（長、寬、高）、設備三維數據。由于船體是不規則幾何體，我們采用有限元的思路，將船體表面分割成互相連接的小單元［8］。電氣設備我們可以用一定大小的長方體表示，電纜用線表示。

3.2 武器威脅模擬

水中武器威脅模擬，我們考慮魚雷的接觸爆炸、水雷的非接觸爆炸。

魚雷炸點的模擬我們可以采取與水面武器接觸爆炸同樣的辦法，不同之處在于炸點分布在水線以下部分船體表面。

由于水雷主要是非接觸爆炸，炸點模擬我們采用艦船周圍一定范圍的水域進行模擬。為了方便模擬計算將水域近似為方形，大小與船體尺寸以及武器有效攻擊范圍有關，在方形區域內可以很方便地取得三維隨機數進行蒙特卡羅模擬。

3.3 概率計算

模擬各種武器的炸點，根據上述四種破壞因素的判據來判斷各個設備是否損壞，并進行統計。

1）進行N次單次命中攻擊試驗系統中第i個設備的損傷次數：

2）系統損傷概率計算。

進行系統損傷概率計算時，需要區分元件之間串聯還是并聯，以發電系統中的一個電站為例進行分析計算，如圖1所示。

元件d1與d2并聯組成柴油發電機組G，G和元件c3串聯。元件d1、d2、c3損壞電站分別損失的功率占整個電站功率的百分比為：g1，g2，g3，簡稱為“功率比”。顯然，g1+g2=g3。在一次攻擊試驗中，3個部件損壞的情況為 u1，u2，u3，ui=0 或 1（i=1，2，3）。并聯元件d1、d2功率損失算法：

電站（混聯元件）的功率損失算法：

分系統n功率損失計算公式：

式中，Kn表示分系統n（見第4節，本文將電力系統分成3個分系統進行計算）設備的數量；N是試驗次數；uijk表示第j試驗中設備i在第k種破壞因素下的破損情況；gi表示功率比。

系統損傷等級在這里通過功率損失大小來規定， 設置 4級損傷等級Q＝｛A，B，C，D｝；A 級損傷的功率損失75%～100%；B級損傷的功率損失50%～75%；C級損傷的功率損失25%～50%；D級損傷的功率損失0～25%。

3.4 計算機編程實現

基于Matlab軟件的計算機模擬流程圖，如圖2所示。

4 實例計算分析

某艦船電力系統結構圖如圖3所示，該電力系統有前后兩個電站，均能對全艦100%供電。兩電站主配電板可以互為共用，主電纜分布在兩舷水線以上靠近甲板處，對于重要用電設備采用雙線供電。圖中元件W表示電纜。

電力系統結構較復雜，本文將電力系統分成三個部分分別進行評估，避免相互之間的干擾，最后結合層次分析法進行綜合評估。電力系統分為。發電系統、供電網絡、用電載荷。

發電系統包括發電機、主配電板、連接電纜；供電網絡包括主配電板到分配電板的連接電纜和分配電板；用電負荷包括分配電板到用電設備的連接電纜和用電設備。

4.1 層次分析法及加權平均計算

確定目標：電力系統損傷概率評價，記為A；評價因素：發電系統、供電網絡、用電負荷，分別記為 u1，u2，u3∈U。 定義判斷矩陣 P（又稱 A－U 判斷矩陣）：

式中，uij表示因素ui對uj的相對重要性數值，uij取1表示因素ui與uj同等重要；uij取3表示因素ui比uj稍微重要；uij取5表示因素ui比uj明顯重要；uij取7表示因素 ui比 uj更加重要；uij取 9表示因素 ui比 uj極端重要；uij取 2、4、6、8 分別表示相鄰判斷［13］。 設

根據判斷矩陣P求各評價因素重要性排序，即權數分配。利用和積法求得權系數：W＝（0.615，0.319，0.066）T。 加權平均計算電力系統損傷概率：

4.2 蒙特卡羅模擬計算

假設該艦艇在某海域執行任務受到威脅的武器主要有：250 k g TNT級導彈、400 k g TNT級魚雷和500 k g TNT級水（錨）雷。設定以下幾個假設。

1）每次命中之后認為艦船的浮態保持不變，忽略因破損造成的進水傾斜等浮態變化；

2）前一次攻擊損壞的設備在后一次攻擊中仍在破損范圍之內的不重復記入損壞；

3）任意設備一旦損壞，就認為該設備的功率完全喪失；

4）每次攻擊都認為是非接觸爆炸或在船體表面的接觸爆炸，不考慮武器在船體內部爆炸的情況。

對3種武器進行1～10次命中編程模擬試驗各10 000次，部分計算結果如圖4～圖15。圖中縱坐標為概率，橫坐標為命中次數［14］。

5 結果分析及結論

由于篇幅限制，本文未列出全部計算結果，只完整地列出了導彈攻擊時的計算結果。采用本方法我們可以很清楚直觀地看到系統各個部分的受損情況，以及受損的原因，便于對電力系統進行評估分析。

1）隨著武器命中次數的增加，系統發生A級損傷的概率越來越高，而其它各級損傷的概率是先增加后減小。在實際戰爭中，大型艦船被命中次數一般在1～3次之間，應當盡可能提高艦船在這個區間的生命力，讓高等級損傷盡量少地出現，從結果看該艦電力系統生命力較高。

2）從結果圖中可以看到沖擊振動作用對系統的破壞很顯著，尤其是受水下武器攻擊時，它作用范圍廣。在低命中次數時，水下武器攻擊更容易造成系統A級損傷，安裝性能優良的減振器，提高設備的抗振性能，十分必要，能夠大大降低電力系統的損毀概率。

3）主配電網絡布置在兩舷水線以上，生命力較高，它受到的威脅主要是水面武器導彈，主要損傷模式是直接破壞和火災破壞。在布置電纜時可以在保持兩舷電纜距離的同時將電纜移往中間，可以減少武器直接破壞的概率提高生命力。

4） 比較圖 13、圖 14、圖15，電力系統在受魚雷、水雷攻擊時的損傷概率，比受導彈攻擊要小很多，主要原因是魚雷、水雷對供電網絡的損傷較小，但是實際上電力系統的生命力并沒有圖14、圖15中那么強大。因為其它設備再完好，發電系統損壞了，電力系統的功率損失也是100%。加權平均計算在此存在一定的局限性。

本文給出了三維條件下4種破壞因素作用的電力系統損傷概率的計算評估方法，進行了實例計算。本方法計算結果詳盡細致，可以得出系統各部分的損傷概率以及破壞等級分布，便于對電力系統進行全面的評估，能夠為電力系統的設計及防護提出合理意見。結合不同武器權重，還能接進行多種武器攻擊下的系統戰損評估。

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Three-Dimensional Assessm ent of Warship Electrical System Subjected to Multiple Dam age Factors

Dong Hong Cheng Zhi－bin
College of Naval Architecture and Power，Naval University of E ngineering，Wuhan 430033，China

The re are fourmajor factors affecting the shipboard equipmentwhich subjected to battle damages under shock load of weapon attack.This paper establish ed a three－dimensionalmodel of ship hull and electric al system.Using the Matlab software，a Monte－Carlo simulation of ship under multiple weapon attackswas carried out.Method for calculating the damage probability and damage level of various portion of electric al system was proposed taking into account themultiple damage factors.The damages to the warship electric al system were evaluated as the assessmentweights were confirmed by Hierarchical Analysis Process.Suggestions were also provided for designing and protection of the electric al system.

damag e factor； electric al system； Monte Carlo simulation； Analytical Hierarchy Process

U665.12

A

1673－3185（2010）04－66－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.04.015

2009－07-16

董 紅（1983－），男，碩士研究生。研究方向：船舶動力及熱力系統的科學管理。E-mail：wwh119＠163.com

程智斌（1960－），男，副教授。研究方向：艦船生命力及戰場搶修