舰用典型设备抗冲击能力定量分析

冯麟涵 汪 玉 张 磊 杜俭业

海军装备研究院，北京 100073

舰用典型设备抗冲击能力定量分析

冯麟涵 汪 玉 张 磊 杜俭业

海军装备研究院，北京 100073

舰用设备抗冲击性能是其技术性能的重要要素之一，正确分析舰用设备抗冲击能力也是开展系统级别抗冲击性能设计、管理、优化的前提。明确了舰用设备抗冲击能力的定义，给出了采用时域模拟法确定舰用设备抗冲击能力定量计算方法。选取某刚性安装的舰用增压锅炉为研究对象，对影响设备抗冲击能力的因素和抗冲击能力值进行了分析。旨在为今后舰船设备抗冲击性能分析提供方法和手段。

舰用设备；抗冲击能力；评估

1 引言

舰船设备的抗冲击能力是整个舰船抗冲击性能的重要组成要素，特别是一些关键设备，其抗冲击能力更是决定了舰船在战斗中的生存能力。目前国内对于舰船设备抗冲击设计，主要是采取冲击试验校核方法，而对其抗冲击能力没有定量的认识，概念也尚未统一。这种现状使得人们在进行舰船系统、整舰抗冲击安全性评估时，缺乏基本的输入数据［1］，需要工程设计人员和研究人员引入一定的假定，将相关标准的设备冲击考核值作为各设备自身的抗冲击能力值。这将直接影响到评估结果的准确性，在一定程度上也制约了我国舰船抗冲击性能设计的发展，因此亟需开展舰船设备的抗冲击能力定量分析工作。

文中定义了舰用设备抗冲击能力，给出了基于数值仿真定量评估设备抗冲击能力的方法，并基于时域分析法选取某典型设备为研究对象，对影响设备抗冲击能力的因素和抗冲击能力值进行了分析，为今后舰船设备抗冲击性能分析提供技术手段，为舰船系统抗冲击性能评估提供参考。

2 舰船设备抗冲击能力

2.1 设备抗冲击能力定义

由于装舰设备品种繁多，结构复杂，设备的质量、刚度、在舰上的安装方式、安装位置、安装方向的不同，以及爆炸环境和舰艇结构的千差万别，使得设备的毁伤有着很大的不确定性。不同设备的破坏机理各不相同，不能确定一个为所有设备都适用的破坏判据，故采用设备允许响应量值作为抗冲击能力值，将难以实现各设备抗冲击能力值的统一化和标准化。

通过前期的研究，设备极限冲击载荷定义为在冲击作用过程中和冲击作用过程后，舰用设备功能具有一定的可用性，其冲击响应（应力、变形、配合情况等）达到最大允许值所对应的虚拟理论载荷。可见，设备的冲击极限载荷直接反映了设备的抗冲击能力，因此本文采用设备所能承受的极限冲击载荷作为抗冲击能力的描述量。

设备抗冲击能力不仅与其自身的力学特性有关，还与理论载荷形式有关。目前普遍将设计冲击谱作为设备冲击环境的标准描述方式（图1）。本文分析设备抗冲击能力采用设计冲击谱（Ds、Vs、As）来描述。舰船设备的安装频率大多在几赫兹到几十赫兹之间，设备响应主要对中频段的等速度谱 Vs敏感［2－4］，故下面利用设备冲击响应达到最大允许值所对应的冲击谱速度Vd来定量描述设备抗冲击能力值。同时为保证设备受到的冲击作用与水下爆炸冲击作用特征一致，冲击谱左右频率参照德国军用标准 BV0430－85来确定［5］。

图1 冲击谱特征及其应用Fig.1 Application and characteristics of shock response spectrum

2.2 设备抗冲击能力值的确定

舰船设备一般结构复杂，具有较多的构件，且非线性元素较多，如减振器、构件间大量非线性接触关系等。相比于普通结构系统，冲击作用下舰船设备具有多损伤模式且非线性程度高的特点。

设备在冲击作用下的失效形式是突发失效，故失效机制采用首次超越失效机制。根据定义，设备抗冲击能力所对应的响应状态，即为冲击响应（应力、变形、配合情况等）达到最大允许值。借鉴可靠性思想，根据应力—强度干涉模型［6］，令设备各失效模式的极限状态方程为：

考虑到设备本身构件出现冗余情况较少，故将设备在冲击作用下的各失效模式视为串联关系，则设备失效域Df与每个模式失效域Df（k）的关系如下：

根据设备研究所给定相应设备所允许的冲击响应阈值 Xk*（k＝1，2，…，m），逐渐改变冲击环境量值，那么引起设备破坏所对应的最小的冲击环境Vsmin即为设备抗冲击能力值Vd。

3 典型设备抗冲击能力分析

下面以某舰船增压锅炉为研究对象，分析抗冲击能力值Vd，为今后舰船设备抗冲击能力分析提供参考。本文采用时域模拟法分析设备冲击响应，建立设备精确有限元模型。通过逐渐增强冲击环境，计算设备响应，例如设备受到冲击作用后的加速度、速度和位移响应，应力以及应变等参数。所对应设备损毁的最小冲击输入，即为该设备抗冲击能力值（Ds、Vs、As），从而与抗冲击标准中的试验考核工况相对应。

3.1 有限元模型

冲击问题为瞬时强非线性问题，建立合理的有限元模型，来描述冲击作用下舰船设备的实际结构，是舰载设备冲击动力学数值实验研究的关键环节。

采用ABAQUS软件分析增压锅炉的冲击响应，设备结构分析采用三维有限元模型，共有29 739个节点，单元31 316个，其中壳单元31 000个，质量单元321个，有限元模型如图2，坐标轴方向定义为：X—左右舷方向 （横向），Y—艏艉方向（纵向），Z—垂向。

图2 增压锅炉计算有限元模型Fig.2 Finite elementmodel of supercharged boiler

增压锅炉内壳采用235-B钢，弹性模量为2.14E5 MPa，静态屈服极限为 235 MPa，外壳材料采用907A钢，弹性模量为2.06E5 MPa，静态屈服极限为390 MPa。本模型中材料选用双线性弹塑性本构模型，材料应变率效应由Cowper-Symonds模型描述，则材料动态屈服强度为：

其中，σ0为静态屈服强度，Eh为应变硬化模量，εp和ε˙分别为有效塑性应变及等效塑性应变率，D、n为材料参数。 对于低碳钢，D=40.4 s-1，n=5，Eh=250 GPa［7］。

3.2 加载方式及失效判据

考虑到水下爆炸作用下舰船冲击响应以垂向为主，本文对增压锅炉的垂向抗冲击能力进行分析。根据工程经验，按照由小到大的顺序设置一系列冲击谱速度 Vsi（i=1，2，…，n），相应的谱加速度Asi=2πfRVsi， 谱位移则为 Dsi=Vsi／2πfL（i=1，2，…，n），针对增压锅炉，依据德国军用标准BV0430-85， fL=10.3 Hz， fL=50.4 Hz， 将冲击谱转换为正负三角波的时间历程加速度进行加载。由于增压锅炉刚性安装，因此载荷直接加载于底座。定义各冲击工况之间的关系如下：

其中，λ称为动态比例系数，随着n增大。当对设备抗冲击能力值Vd没有定量估计时，可设Δλ=0.3～0.5，根据少量的冲击数值实验，快速定量估计设备抗冲击能力值Vd的可能范围；在大致确定抗冲击能力值后，可取 Δλ =0.05～0.1，精确搜索设备抗冲击能力值Vd。

根据各设备标准［8］中的设备失效判据，以及增压锅炉的特点，确定其在冲击作用下的失效模式为应力失效，即其失效域Df为：

根据增压锅炉的结构特点以及相应规范，判断其冲击破坏采用应力失效模式。在冲击载荷作用下，如果增压锅炉结构中任何部位的应力响应超过其材料静态屈服极限σs，则认为设备已经破坏，此时增压锅炉所能承担的最大冲击载荷Vsmax为设备的抗冲击能力值。

如果分析其它设备时需要考虑更多类型的失效模式，即在式（2）中将其包含进去，而分析过程与本文一致。

3.3 极限能力分析

设备的抗冲击薄弱环节是指该设备在冲击载荷作用下，最可能出现破坏的区域或部件。在垂向冲击载荷作用下，增压锅炉的薄弱环节为外壳与底座相交处，外壳与上下集箱、上锅筒相交处，以及内壳与上下集箱、上锅筒相交处，内壳尖角部位，其位置如图3所示。垂向冲击作用下增压锅炉的响应云图如图4所示。

首先给定谱速度初始值Vs0，设置λ的步长较大，通过3～5个工况大致确定增压锅炉抗冲击能力Vd范围后，取Δλ=0.05，设定一系列工况搜寻设备抗冲击能力值Vd。随着λ的增大，设备冲击响应逐渐增大，当薄弱环节冲击应力响应一旦达到了静态屈服极限，就认为此时达到了设备抗冲击极限状态。

（b）内壳冲击薄弱环节示意图图3 增压锅炉抗冲击薄弱环节Fig.3 V ulnerable spots of supercharged boiler subjected to shock loading

图4 冲击作用下增压锅炉应力响应云图Fig.4 Stress distribution of supercharged boiler subjected to shock loading

以首次超越机制来判定对增压锅炉冲击破坏，图5给出了不同λ时，增压锅炉各处薄弱环节的最大，M ises应力响应随着λ的变化趋势。对比各个薄弱环节，发现最先出现破坏的是增压锅炉内壳尖角部位。根据增压锅炉的冲击失效判据，当该处的应力值大于235 MPa就表明失效，即λ=3.2时增压锅炉破坏，此时对应的冲击作用即为增压锅炉的抗冲击能力值 Vd*＝Vs0（1+λ）=4.2Vs0。当λ＜1.7时，该部位M ises应力响应随着冲击载荷Vs基本呈现线性变化趋势；当λ＞1.7后应力响应呈现非线性关系，证明了在分析设备抗冲击能力值时需要动态改变λ的必要性。其余抗冲击薄弱环节（外壳与底座相交处、外壳与下集箱相交处、内壳与下集箱相交处）虽然应力也较大，但尚未出现破坏。当λ在0～3.2之间时，这些部位的M ises应力响应与冲击载荷作用基本呈线性关系；而λ＞3.2以后，应力响应呈现非线性关系，主要由设备某些部位失效引起。

图5 增压锅炉抗冲击薄弱环节M ises应力响应随冲击载荷变化Fig.5 Relationships of M ises stress of vulnerable spots subjected to shock loading

通过上述分析，发现设备在冲击作用下，各处冲击薄弱环节响应相对其他部位明显严重，增压锅炉抗冲击薄弱环节中内壳尖角部位最先出现破坏，其抗冲击能力值 Vd＝ 3.2Vs0。

随着冲击环境Vs的逐渐增大，设备各处的应力冲击响应基本与冲击环境呈现线性变化规律；当冲击作用接近其抗冲击能力值时，薄弱环节的应力响应随冲击响应则出现非线性变化规律。可见，薄弱环节决定了设备抗冲击能力，进行抗冲击设计时应该首先关注这些薄弱环节，通过改善局部结构或优化材料从而有效提高设备抗冲击能力。当设备具有其他失效模式时，上述方法同样可以应用。

4 结束语

通过文中分析发现，舰用设备受到冲击作用下，冲击薄弱环节响应相对其他部位明显严重；随着冲击环境Vs的逐渐增大，设备各处的应力冲击响应基本与冲击环境呈现线性变化规律；当冲击作用接近其抗冲击能力值时，薄弱环节的应力响应随冲击响应则出现非线性变化规律。薄弱环节决定了设备抗冲击能力，进行抗冲击设计时应该首先关注这些薄弱环节，并通过改善局部结构或优化材料等途径提高设备抗冲击能力。

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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

中国博士后科学基金（20100481494）

冯麟涵（1982－），女，博士。研究方向：舰船设备抗冲击性能研究。E-mail：lenefeng＠gmail.com

汪 玉（1964－），男，研究员。研究方向：舰艇抗冲击技术。

冯麟涵。