艦用典型設備抗沖擊能力定量分析

馮麟涵 汪 玉 張 磊 杜儉業

海軍裝備研究院，北京 100073

艦用典型設備抗沖擊能力定量分析

馮麟涵 汪 玉 張 磊 杜儉業

海軍裝備研究院，北京 100073

艦用設備抗沖擊性能是其技術性能的重要要素之一，正確分析艦用設備抗沖擊能力也是開展系統級別抗沖擊性能設計、管理、優化的前提。明確了艦用設備抗沖擊能力的定義，給出了采用時域模擬法確定艦用設備抗沖擊能力定量計算方法。選取某剛性安裝的艦用增壓鍋爐為研究對象，對影響設備抗沖擊能力的因素和抗沖擊能力值進行了分析。旨在為今后艦船設備抗沖擊性能分析提供方法和手段。

艦用設備；抗沖擊能力；評估

1 引言

艦船設備的抗沖擊能力是整個艦船抗沖擊性能的重要組成要素，特別是一些關鍵設備，其抗沖擊能力更是決定了艦船在戰斗中的生存能力。目前國內對于艦船設備抗沖擊設計，主要是采取沖擊試驗校核方法，而對其抗沖擊能力沒有定量的認識，概念也尚未統一。這種現狀使得人們在進行艦船系統、整艦抗沖擊安全性評估時，缺乏基本的輸入數據［1］，需要工程設計人員和研究人員引入一定的假定，將相關標準的設備沖擊考核值作為各設備自身的抗沖擊能力值。這將直接影響到評估結果的準確性，在一定程度上也制約了我國艦船抗沖擊性能設計的發展，因此亟需開展艦船設備的抗沖擊能力定量分析工作。

文中定義了艦用設備抗沖擊能力，給出了基于數值仿真定量評估設備抗沖擊能力的方法，并基于時域分析法選取某典型設備為研究對象，對影響設備抗沖擊能力的因素和抗沖擊能力值進行了分析，為今后艦船設備抗沖擊性能分析提供技術手段，為艦船系統抗沖擊性能評估提供參考。

2 艦船設備抗沖擊能力

2.1 設備抗沖擊能力定義

由于裝艦設備品種繁多，結構復雜，設備的質量、剛度、在艦上的安裝方式、安裝位置、安裝方向的不同，以及爆炸環境和艦艇結構的千差萬別，使得設備的毀傷有著很大的不確定性。不同設備的破壞機理各不相同，不能確定一個為所有設備都適用的破壞判據，故采用設備允許響應量值作為抗沖擊能力值，將難以實現各設備抗沖擊能力值的統一化和標準化。

通過前期的研究，設備極限沖擊載荷定義為在沖擊作用過程中和沖擊作用過程后，艦用設備功能具有一定的可用性，其沖擊響應（應力、變形、配合情況等）達到最大允許值所對應的虛擬理論載荷。可見，設備的沖擊極限載荷直接反映了設備的抗沖擊能力，因此本文采用設備所能承受的極限沖擊載荷作為抗沖擊能力的描述量。

設備抗沖擊能力不僅與其自身的力學特性有關，還與理論載荷形式有關。目前普遍將設計沖擊譜作為設備沖擊環境的標準描述方式（圖1）。本文分析設備抗沖擊能力采用設計沖擊譜（Ds、Vs、As）來描述。艦船設備的安裝頻率大多在幾赫茲到幾十赫茲之間，設備響應主要對中頻段的等速度譜 Vs敏感［2－4］，故下面利用設備沖擊響應達到最大允許值所對應的沖擊譜速度Vd來定量描述設備抗沖擊能力值。同時為保證設備受到的沖擊作用與水下爆炸沖擊作用特征一致，沖擊譜左右頻率參照德國軍用標準 BV0430－85來確定［5］。

圖1 沖擊譜特征及其應用Fig.1 Application and characteristics of shock response spectrum

2.2 設備抗沖擊能力值的確定

艦船設備一般結構復雜，具有較多的構件，且非線性元素較多，如減振器、構件間大量非線性接觸關系等。相比于普通結構系統，沖擊作用下艦船設備具有多損傷模式且非線性程度高的特點。

設備在沖擊作用下的失效形式是突發失效，故失效機制采用首次超越失效機制。根據定義，設備抗沖擊能力所對應的響應狀態，即為沖擊響應（應力、變形、配合情況等）達到最大允許值。借鑒可靠性思想，根據應力—強度干涉模型［6］，令設備各失效模式的極限狀態方程為：

考慮到設備本身構件出現冗余情況較少，故將設備在沖擊作用下的各失效模式視為串聯關系，則設備失效域Df與每個模式失效域Df（k）的關系如下：

根據設備研究所給定相應設備所允許的沖擊響應閾值 Xk*（k＝1，2，…，m），逐漸改變沖擊環境量值，那么引起設備破壞所對應的最小的沖擊環境Vsmin即為設備抗沖擊能力值Vd。

3 典型設備抗沖擊能力分析

下面以某艦船增壓鍋爐為研究對象，分析抗沖擊能力值Vd，為今后艦船設備抗沖擊能力分析提供參考。本文采用時域模擬法分析設備沖擊響應，建立設備精確有限元模型。通過逐漸增強沖擊環境，計算設備響應，例如設備受到沖擊作用后的加速度、速度和位移響應，應力以及應變等參數。所對應設備損毀的最小沖擊輸入，即為該設備抗沖擊能力值（Ds、Vs、As），從而與抗沖擊標準中的試驗考核工況相對應。

3.1 有限元模型

沖擊問題為瞬時強非線性問題，建立合理的有限元模型，來描述沖擊作用下艦船設備的實際結構，是艦載設備沖擊動力學數值實驗研究的關鍵環節。

采用ABAQUS軟件分析增壓鍋爐的沖擊響應，設備結構分析采用三維有限元模型，共有29 739個節點，單元31 316個，其中殼單元31 000個，質量單元321個，有限元模型如圖2，坐標軸方向定義為：X—左右舷方向 （橫向），Y—艏艉方向（縱向），Z—垂向。

圖2 增壓鍋爐計算有限元模型Fig.2 Finite elementmodel of supercharged boiler

增壓鍋爐內殼采用235-B鋼，彈性模量為2.14E5 MPa，靜態屈服極限為 235 MPa，外殼材料采用907A鋼，彈性模量為2.06E5 MPa，靜態屈服極限為390 MPa。本模型中材料選用雙線性彈塑性本構模型，材料應變率效應由Cowper-Symonds模型描述，則材料動態屈服強度為：

其中，σ0為靜態屈服強度，Eh為應變硬化模量，εp和ε˙分別為有效塑性應變及等效塑性應變率，D、n為材料參數。 對于低碳鋼，D=40.4 s-1，n=5，Eh=250 GPa［7］。

3.2 加載方式及失效判據

考慮到水下爆炸作用下艦船沖擊響應以垂向為主，本文對增壓鍋爐的垂向抗沖擊能力進行分析。根據工程經驗，按照由小到大的順序設置一系列沖擊譜速度 Vsi（i=1，2，…，n），相應的譜加速度Asi=2πfRVsi， 譜位移則為 Dsi=Vsi／2πfL（i=1，2，…，n），針對增壓鍋爐，依據德國軍用標準BV0430-85， fL=10.3 Hz， fL=50.4 Hz， 將沖擊譜轉換為正負三角波的時間歷程加速度進行加載。由于增壓鍋爐剛性安裝，因此載荷直接加載于底座。定義各沖擊工況之間的關系如下：

其中，λ稱為動態比例系數，隨著n增大。當對設備抗沖擊能力值Vd沒有定量估計時，可設Δλ=0.3～0.5，根據少量的沖擊數值實驗，快速定量估計設備抗沖擊能力值Vd的可能范圍；在大致確定抗沖擊能力值后，可取 Δλ =0.05～0.1，精確搜索設備抗沖擊能力值Vd。

根據各設備標準［8］中的設備失效判據，以及增壓鍋爐的特點，確定其在沖擊作用下的失效模式為應力失效，即其失效域Df為：

根據增壓鍋爐的結構特點以及相應規范，判斷其沖擊破壞采用應力失效模式。在沖擊載荷作用下，如果增壓鍋爐結構中任何部位的應力響應超過其材料靜態屈服極限σs，則認為設備已經破壞，此時增壓鍋爐所能承擔的最大沖擊載荷Vsmax為設備的抗沖擊能力值。

如果分析其它設備時需要考慮更多類型的失效模式，即在式（2）中將其包含進去，而分析過程與本文一致。

3.3 極限能力分析

設備的抗沖擊薄弱環節是指該設備在沖擊載荷作用下，最可能出現破壞的區域或部件。在垂向沖擊載荷作用下，增壓鍋爐的薄弱環節為外殼與底座相交處，外殼與上下集箱、上鍋筒相交處，以及內殼與上下集箱、上鍋筒相交處，內殼尖角部位，其位置如圖3所示。垂向沖擊作用下增壓鍋爐的響應云圖如圖4所示。

首先給定譜速度初始值Vs0，設置λ的步長較大，通過3～5個工況大致確定增壓鍋爐抗沖擊能力Vd范圍后，取Δλ=0.05，設定一系列工況搜尋設備抗沖擊能力值Vd。隨著λ的增大，設備沖擊響應逐漸增大，當薄弱環節沖擊應力響應一旦達到了靜態屈服極限，就認為此時達到了設備抗沖擊極限狀態。

（b）內殼沖擊薄弱環節示意圖圖3 增壓鍋爐抗沖擊薄弱環節Fig.3 V ulnerable spots of supercharged boiler subjected to shock loading

圖4 沖擊作用下增壓鍋爐應力響應云圖Fig.4 Stress distribution of supercharged boiler subjected to shock loading

以首次超越機制來判定對增壓鍋爐沖擊破壞，圖5給出了不同λ時，增壓鍋爐各處薄弱環節的最大，M ises應力響應隨著λ的變化趨勢。對比各個薄弱環節，發現最先出現破壞的是增壓鍋爐內殼尖角部位。根據增壓鍋爐的沖擊失效判據，當該處的應力值大于235 MPa就表明失效，即λ=3.2時增壓鍋爐破壞，此時對應的沖擊作用即為增壓鍋爐的抗沖擊能力值 Vd*＝Vs0（1+λ）=4.2Vs0。當λ＜1.7時，該部位M ises應力響應隨著沖擊載荷Vs基本呈現線性變化趨勢；當λ＞1.7后應力響應呈現非線性關系，證明了在分析設備抗沖擊能力值時需要動態改變λ的必要性。其余抗沖擊薄弱環節（外殼與底座相交處、外殼與下集箱相交處、內殼與下集箱相交處）雖然應力也較大，但尚未出現破壞。當λ在0～3.2之間時，這些部位的M ises應力響應與沖擊載荷作用基本呈線性關系；而λ＞3.2以后，應力響應呈現非線性關系，主要由設備某些部位失效引起。

圖5 增壓鍋爐抗沖擊薄弱環節M ises應力響應隨沖擊載荷變化Fig.5 Relationships of M ises stress of vulnerable spots subjected to shock loading

通過上述分析，發現設備在沖擊作用下，各處沖擊薄弱環節響應相對其他部位明顯嚴重，增壓鍋爐抗沖擊薄弱環節中內殼尖角部位最先出現破壞，其抗沖擊能力值 Vd＝ 3.2Vs0。

隨著沖擊環境Vs的逐漸增大，設備各處的應力沖擊響應基本與沖擊環境呈現線性變化規律；當沖擊作用接近其抗沖擊能力值時，薄弱環節的應力響應隨沖擊響應則出現非線性變化規律。可見，薄弱環節決定了設備抗沖擊能力，進行抗沖擊設計時應該首先關注這些薄弱環節，通過改善局部結構或優化材料從而有效提高設備抗沖擊能力。當設備具有其他失效模式時，上述方法同樣可以應用。

4 結束語

通過文中分析發現，艦用設備受到沖擊作用下，沖擊薄弱環節響應相對其他部位明顯嚴重；隨著沖擊環境Vs的逐漸增大，設備各處的應力沖擊響應基本與沖擊環境呈現線性變化規律；當沖擊作用接近其抗沖擊能力值時，薄弱環節的應力響應隨沖擊響應則出現非線性變化規律。薄弱環節決定了設備抗沖擊能力，進行抗沖擊設計時應該首先關注這些薄弱環節，并通過改善局部結構或優化材料等途徑提高設備抗沖擊能力。

［1］ GREENHORN J.The assessment of surface ship vulnerability to underwater attack［J］.Transaction of the Royal Institution of Naval Architects，1988：233－243.

［2］ GABERSON H A，CHAMLMERS R H.Reasons for presenting shock spectra with velocity as the ordinate ［C］//Proceedings of the 66th Shock and Vibration Symposium，1996，2：181－191.

［3］ 劉世明，曹寧，羅賓，等.艦船設備沖擊隔離特性研究［J］.中國艦船研究，2010，5（3）：38－42.

LIU SM，CAO N，LUO B，et al.Numerical simulation on shock isolation characteristics of ship equipment ［J］.Chinese Journal of Ship Research，2010，5（3）：38－42.

［4］ 馮麟涵，姚熊亮，汪玉，等.基于本征函數的艦船沖擊環境工程化預報方法［J］.中國造船，2010，51（3）：65－76.

FENG L H，YAO X L，WANG Y，et al.Engineering prediction method of ship impulsive environment based on empirical eigenfu n ction ［J］.Shipbuilding of China，2010，51（3）：65－76.

［5］BV0430－85德國國防軍艦建造規范——沖擊安全性［S］.科布倫茨：聯邦德國國防裝備技術和采購局，1989.

［6］ 李良巧，顧唯明.機械可靠性設計與分析［M］.北京：國防工業出版社，1998.

［7］ 宿德春，馮麟涵，張阿漫，等.艦船在大藥量武器空爆下毀傷特性數值試驗研究 ［J］.傳感器與微系統，2009，28（6）：59－62，65.

SU D C，FENG L H，ZHANG A M，et al.Numerical research on dynamic response of vessel structure subjected to air explosion of weapon with massive charge［J］.TransducerandMicrosystem Technology，2009，28（6）：59－62，65.

Quantitative Analysis on Shock Resistance Ability of Shipboard Equipment

Feng Lin－han Wang Yu Zhang Lei Du Jian－ye
Naval Academy of Armament， Beijing 100073， China

Anti-shock performance is one of the essential technical capabilities of shipboard equipment，which requir s to be precisely predicted and is the prerequisite to carrying out the design，management and optimization of shock resistance in the system level.The definition of equipment shock resistance ability was clarified in this study， and the quantitative analysismethod based on time－domain simulation was presented.Taking rigid mounting supercharged boiler as an example， the contributing factor s of shock resistance for the equipmentwere analyzed，and obtained themagnitude of shock resistance ability.The proposedmethod can be used to analyze the shock resistance of shipboard equipment.

shipboard equipment； shock resistance ability； assessment

U664.1

A

1673－3185（2011）06－23－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.06.005

2010-05-13

中國博士后科學基金（20100481494）

馮麟涵（1982－），女，博士。研究方向：艦船設備抗沖擊性能研究。E-mail：lenefeng＠gmail.com

汪 玉（1964－），男，研究員。研究方向：艦艇抗沖擊技術。

馮麟涵。