艦載環境振動搖擺特性測試分析

程家軍，李春枝，陳穎

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

艦船在海上環境下的振動搖擺特性是艦載環境技術研究的一項重要內容，是對艦載武器系統進行結構設計、開展艦載隔振緩沖和穩定平臺技術應用的重要基礎之一。在詳細分析艦船海上環境特性及影響因素的基礎上，根據項目需求并結合海上測量的技術特點構建測試系統，開展了艦船振動、搖擺環境參數的測量工作，獲取并深入分析了不同海況、不同海域、不同航行狀態、不同船身位置的艦船典型振動和搖擺特性數據。為艦船海上環境參數積累、研究制定艦載環境條件、掌握艦載武器系統在海上環境下的低頻制穩和高頻隔振等關鍵技術提供了重要的第一手資料。

1 艦載環境特性分析

在海上航行或漂浮的艦船可看作是全自由彈性體，其機械物理特性復雜多變，除在航行時會受到來自海浪、船艙主發動機、螺旋槳和柴油發電機等內、外部各種周期或非周期性的振動干擾外，在作戰環境下還承受各種艦載武器系統工作所引發的劇烈振動、沖擊激勵[1—2]。

艦載武器系統同樣會受到各種振動、沖擊、搖擺、離心加速度、顛振等各種形式機械力的作用，其中振動和沖擊對武器系統的電子、光學設備性能及結構的影響尤為明顯。其影響因素主要包括：設備在某一激振頻率作用下產生共振，或因沖擊產生的沖擊力超過設備承受的強度極限而導致設備失效甚至損壞；在振動和沖擊引起的結構應力遠低于設備結構強度的情況下，海上環境下的長期振動和反復沖擊也可能對艦載光電設備造成疲勞損傷[2]。此外，應用慣性技術隔離艦船的角運動干擾，使艦載武器系統實現穩定平臺功能，通過不斷測量被穩定對象姿態和位置的變化，精確保持動態姿態基準，并通過探測設備實現對機動目標的穩定跟瞄[3—4]，也是武器系統艦載化的關鍵技術之一。為此，掌握和研究艦船在海上環境下的振動、沖擊和搖擺特性，是對艦載武器系統進行抗振動沖擊結構設計、采用隔振緩沖和穩定平臺技術實現艦載安裝的必不可少的重要環節。

2 測試項目及技術要求

艦載環境特性測試主要是測量艦船特定區域在海上航行狀態下的振動響應參數和搖擺姿態參數。根據艦船海上航行的低頻環境特點和艦船發動機等機電設備的工作特性，在各測試區域內，選取具有加強筋結構的特征部位安裝加速度傳感器和傾角傳感器，對振動加速度信號和艦船搖角信號進行測量。

為保證各測點傳感器安裝方向和測量方向的統一，測量方向定義如下：沿艦船前進方向為x向（縱向），垂直海面并指向上方為z向（垂向），水平面內按右手法則確定方向為y向（橫向）。

3 艦船測試技術狀態

3.1 艦船技術指標

承擔該次海上測試任務的是某型護衛艦，滿載排水量為2 250 t；艦長為111.7 m，舷寬為12.1 m，吃水深度為4.8 m；最大航速為25 kn，續航力為4 000 n mile/18 kn；主機艙內安裝2臺12E390柴油機，持續功率為14 400馬力，雙軸傳動；配備4臺柴油發電機提供全艦其他動力、照明設備的工作。

3.2 艦船測試區域

根據艦載武器系統的技術特點，在艦船外部甲板適當部位選擇相應的測試區域，分別位于艦船二層甲板的前部（測試區1）和三層甲板后部（測試區2，直升機機庫頂部）。測試區1為半圓形區域，寬11.3 m，底邊至弧頂長9.5 m，區內安裝有2座37 mm炮；測試區2為長方形區域，長9.1 m，寬4.6 m，該區域中部安裝有一部火控雷達。

3.3 艦船測試區域測點布設及傳感器安裝

武器系統在艦船上的安裝部位必須具備足夠的結構強度，且需減少艦載設備運行產生的振動、沖擊及噪聲等影響。為此在兩個測試區中選擇具有加強筋結構的特征部位，分別布設4個測點進行加速度響應測量：測試區1左右兩側的37 mm炮安裝基座上各布設2個測點；測試區2中部火控雷達鋼架基座的4個邊角上各布設1個測點；此外，在各測試區中部布設1個測點，測量板殼結構的加速度響應并與其它測點進行對比。

每個測點安裝3只單軸向低頻加速度傳感器，構成x，y，z等3個測量方向。兩個測試區各用加速度傳感器15只，進行振動加速度響應信號測量。

在測試區1和測試區2的中心部位分別布設1個搖角測點，每個測點安裝2只單軸向傾角傳感器，以實現對艦船縱搖角度和橫搖角度的測量。

圖1中，A1—A5為艦船振動加速度響應測點，Y1和Y2為艦船搖擺角度測點。

4 測試系統

4.1 測試系統組成

根據艦船海上航行的低頻環境特性、測試項目及測試要求配置測試系統，包括高靈敏度低頻加速度傳感器、高精度傾角傳感器、寬頻響范圍信號適調系統和多通道數據采集分析系統等。

圖1 測試區測點Fig.1 Diagram of measuring points in the test area

表1 測試系統配套儀器Table 1 Instruments in the test system

4.2 主要測試儀器性能指標

測試系統配套儀器、傳感器和數據采集系統的各項技術指標滿足艦船環境測量技術要求。

5 海上航行測試

海上航行期間，在不同海域、不同海況、不同時段、不同航速和不同航行狀態下（航行、漂浮）對艦船振動特性、艦船搖擺特性等參數開展分批多組測量。每組測量均不少于30 min的連續數據采集，并對測量時行經的海況、航速及對應時刻進行了詳細記錄。

表2 測試系統主要技術指標Table 2 Major technical parameters of the test system

6 振動、搖擺特性分析

對海上航行中采集記錄的艦船振動響應數據和搖角數據進行歸納分類，從頻域和時域對測試區內各測點總均方根值響應、頻率響應分布和時域最大峰值等進行了分析，對不同海況、不同航速和航行狀態、艦船不同部位的響應情況進行對比、分析。

6.1 加速度總均方根值響應分析

6.1.1 高速航行狀態

高速航行狀態下，測試區1縱向和橫向的加速度響應量級相當，各加速度測點響應差異不大；垂向響應略高，最大為0.0136g，不同測點其響應有所差異。在航速較為穩定的情況下，各航段加速度響應規律類似，所有測點具有相似的振動響應特征和變化趨勢。

測試區2因位于艦船后部直升機機庫頂部，且靠近艦船主發動機機艙，其振動響應和擺動幅度相較測試區1均有所放大，各方向響應也略有不同，垂向響應最大，橫向次之，縱向響應最小，加速度總均方根值最大為0.035g。

不同時段內測試區1和測試區2各加速度測點在縱向、橫向和垂向的總均方根值的響應分布情況如圖2所示。

6.1.2 低速航行狀態

低速航行狀態各測試區內的加速度響應量級總體較低，總均方根值均小于0.01g。與高速航行類似，測試區2的振動響應略高于測試區1。低速航行狀態雖然航速、海況條件有所差異，但同一測試區不同時段其加速度響應量級相差不大，所有測點在不同時段的振動響應特征和變化趨勢相近。

6.1.3 漂泊狀態

因漂泊狀態下艦船主發動機停機，各測試區內的加速度響應在幾種航行狀態中量級最低，總均方根值均低于0.002g。該狀態下的主要振源考慮為艦載發電機等機電設備工作、艦載武器和雷達系統及人員訓練操演、艦船搖擺及海浪沖擊船體等因素。

圖2 高速航行狀態測試區加速度總均方根值分布Fig.2 Acceleration RMS distribution of the test area 1 and area 2 in the high-speed sailing status

6.1.4 加速度總均方根值響應范圍

測試區1加速度響應的總體分布情況如圖3所示，各測試區域在不同航行狀態下加速度總均方根值響應范圍：縱向為0.0005g～0.01g，橫向為0.0009g～0.016g，垂向為0.001g～0.035g。

圖3 測試區1加速度總均方根值總體分布Fig.3 Overall distribution of acceleration RMS in the test area 1

6.2 加速度時域響應分析

加速度時域峰值反映了測量時段內曾經歷經的最大加速度瞬時極值，其峰值響應具有一定的偶然性[5]。在整個航行過程中，無論是高速航行、低速航行還是漂泊狀態，各加速度測點主要以低頻響應為主，時域響應總體水平較低，只是在開啟艦船主發動機、作戰操演訓練中開啟雷達、轉動火炮及艦上人員在測試區內活動時產生的瞬時沖擊響應略大，其他時段均較為平穩。

某時段測試區1測點A1在3個測量方向的加速度響應波形如圖4所示。從時域波形看出，加速度響應信號以低頻成分為主，同時在低頻波形上疊加有高頻響應信號。

圖4 高速航行狀態時域加速度響應Fig.4 The time domain acceleration response in high-speed sailing status

艦船高速航行狀態、低速航行狀態和漂泊狀態下各測點在縱向、橫向和垂向的時域加速度最大峰值響應統計見表3，最大峰值為0.64g。

表3 加速度最大峰值Table 3 The maximum acceleration peak value g

6.3 加速度頻率響應分析

對各種海況、各種航行狀態下的測試數據進行頻譜分析，可以發現，縱向、橫向和垂向都具有極低的頻響特性，而在200 Hz頻率范圍內局部頻段的高頻諧振也非常突出，個別諧振頻率峰值較高。振源考慮為艦船主發動機運行、主軸和螺旋槳運轉、柴油發電機等艦上設備工作時產生的振動為主要因素。

6.3.1 各測點之間頻響對比

某時段高速航行狀態下測試區1各測點的功率譜密度曲線如圖5所示，縱向、橫向各測點間的頻響特性基本完全一致。在垂向中，安裝在火炮基座上的A1—A4點頻率響應相同，而測點A5因安裝位置無加強筋結構，因此在局部頻段與其它各測點存在細微差異，但其主要特征頻率則完全相同。在各種航速和航行狀態下，同一測試區內加速度測點之間頻響特性非常相近。

以上述圖3—5為例，同一測試區內各測點除具有典型低頻特性外，在較寬頻帶內縱向、橫向和垂向均出現明顯的諧振峰，并以30和75 Hz響應最為明顯，峰值最高。

6.3.2 不同航行狀態頻響對比

圖5 高速航行狀態A1—A5各測量方向頻率響應Fig.5 Frequency responses of A1—A5in different measurement directions in high-speed sailing status

當艦船航速相同時，不同海況下浪涌的大小和海浪沖擊船體的頻率會有所不同，艦船擺動頻率和幅度也會相應變化，會對極低頻段的頻響產生影響，但對高頻諧振無貢獻。

當航速改變時，主發動機轉速發生變化，由此引起艦船諧振頻率改變。此次航行中，低速巡航的航速從1 kn至11 kn，變化范圍較大，由此激發的諧振頻率成分較為復雜，影響的頻率范圍也較寬，總體上低速航行時諧振頻率峰值較高速航行略有下降。

漂泊狀態下艦船主發動機停止工作，此時主要振源僅來自艦載發電機等機電設備工作產生的振動干擾，因此在三種航行狀態中，漂泊狀態時的高頻諧振峰值最小。

現以高速航行狀態、低速巡航狀態及漂泊狀態下同一測點A1在垂向的頻率響應為例進行對比，低頻段三種狀態的頻響幅值差異明顯，高頻諧振頻率成分及響應峰值在三種狀態也發生變化，以漂泊狀態變化最為明顯，如圖6所示。

6.4 搖角數據分析

艦船的搖擺包含縱搖和橫搖，角度方向定義為：+x向為縱搖正角度，-x向為縱搖負角度；+y向為橫搖正角度，-y向為橫搖負角度。

6.4.1 不同時段最大搖擺角度統計

表4給出了各種航行狀態下不同時間段內艦船搖擺最大角度。搖擺角度與當時的海況（主要是浪涌大小）、航速、艦船狀態（航行或漂泊）及航向（是否迎浪航行）均有較大關系。從表中數據看出，橫搖角最大22.7°，縱搖角最大6.19°。

圖6 A1在三種航行狀態下垂向頻率響應Fig.6 Vertical frequency responses of A1in three different sailing statuses

6.4.2 搖擺角度頻響分析

對各種航行狀態下艦船搖擺角度實測數據進行頻譜分析發現，無論是縱搖或橫搖，在不同時段均具有非常相近的頻響特性。縱搖響應峰值的頻率主要集中在0.14～0.25 Hz，橫搖響應峰值的頻率主要集中在0.09～0.19 Hz，其他頻段的響應無論縱搖還是橫搖均以較大斜率明顯衰減。對比各航段不同時段的橫搖角和縱搖角的PSD曲線，艦船的橫搖頻率總體上低于縱搖頻率，但橫搖角的響應峰值明顯大于縱搖角，這與搖角的時域分析結果一致。縱搖角和橫搖角的時間歷程和頻率響應曲線示例如圖7所示。

6.5 艦載環境總體特征

在該次海測所歷經的海上環境下，所測艦船的振動加速度響應總體水平較低，艦船后部三層甲板測試區域的加速度響應明顯要高于二層甲板前區。

表4 不同航行狀態艦船搖擺角度Table 4 Ship swing angle in different sailing status

圖7 縱搖和橫搖的時間歷程和頻率響應曲線示例Fig.7 Time history and frequency response curves of pitch and roll of the sample

1）加速度總均方根值范圍。測試區1：縱向為 0.0005g～0.006g，橫向為 0.0009g～0.006g，垂向為 0.0013g～0.014g；測試區 2：縱向為 0.0005g～0.01g，橫向為 0.0011g～0.016g，垂向為 0.001g～0.035g。

2）加速度最大峰值：縱向為0.2g，橫向為0.18g，垂向為0.64g。

3）頻率響應分布：縱向、橫向和垂向加速度響應均具有典型的低頻特性，而在5～200 Hz頻率范圍內的局部頻段出現明顯的高頻諧振，某些諧振峰較為突出。低頻響應主要由浪涌推動、海浪沖擊和船體搖擺造成，高頻諧振考慮為因艦船主發動機、艦載柴油發電機等機電設備運行、螺旋槳運轉及艦載武器系統工作等因素所致。

因該次海上航行中海況較為惡劣，艦船搖擺明顯，橫搖和縱搖的角度均較大，且橫搖角明顯大于縱搖角。橫搖角度范圍：負向最大為-17.7°，正向最大為22.7°；縱搖角度范圍：負向最大為-4.96°，正向最大為6.19°。縱搖頻響為0.14～0.25 Hz，橫搖頻響：0.09～0.19 Hz，其他頻段均明顯衰減。

7 結語

通過開展艦船海上振動搖擺環境參數測量工作，研究了特定艦船的技術參數，具體分析了艦載環境及其影響因素，結合測試項目和海上測量的技術特點，針對性地組建測試系統實施測量，獲取了大量艦船振動和搖擺響應數據。通過對實測數據的分析研究，對特定艦船在一定條件下的典型振動特性和搖擺特性有了初步認識。雖然受艦船型號、巡航航速、海情海況等諸多因素限制，該次海上測試所獲取的測量數據樣本種類及數量還不全面、有待完善，相應分析結果尚不具備普適性，但仍可為研究制定艦載環境條件、提升對艦載環境特殊性及其影響規律的認識提供數據支撐，為艦載武器系統在艦載環境下的適應性和可靠性研究等工作的深入開展打下技術基礎。

[1]GJB 4.1—83.艦船電子設備環境試驗總則[S].GJB 4.1—83.Environmental Testing General Ship Electronic Equipment[S].

[2]李更年，湯雪志.艦船儀器結構的抗沖擊振動性設計[J].艦船防化，2008（4）：40—43.LI Geng-nian，TANG Xue-zhi.Design of Shock Resistance of Ship Instrument Structure[J].Warship Chemical Defense，2008（4）：40—43.

[3] 張智永.移動載體穩定跟蹤平臺測控技術研究[D].長沙：國防科技大學，2002.ZHANG Zhi-yong.Study on Measurement and Control Technology of Tracking Mobile Carrier Stable Platform[D].Changsha：NationalUniversity ofDefenseTechnology School，2002.

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