王 軍， 姚熊亮， 郭 君

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

艦載設(shè)備抗沖擊能力是艦船的抗爆抗沖擊性能的重要組成部分[1]，對(duì)于小型設(shè)備可在沖擊機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，而對(duì)大中型艦載設(shè)備，由于尺寸和重量較大，無法在沖擊機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)考核。目前我國對(duì)大中型艦載設(shè)備的考核還是一片空白，只在中國船舶科學(xué)研究中心和葫蘆島海軍基地各有一艘小型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)，可對(duì)小于8t的艦載設(shè)備進(jìn)行抗沖擊考核。而美國根據(jù)MIL-S-901D設(shè)備抗沖擊考核規(guī)范，應(yīng)用浮動(dòng)沖擊平臺(tái)，對(duì)大中型艦載設(shè)備的抗沖擊性能形成了標(biāo)準(zhǔn)化的考核試驗(yàn)[2]。

浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式為矩形平底駁船，兩側(cè)及艏艉是抗沖擊圍壁。設(shè)備安裝于平臺(tái)浮動(dòng)沖擊內(nèi)部，頂部由防水幕布覆蓋。美國浮動(dòng)沖擊平臺(tái)按考核設(shè)備重量的范圍分為三類：標(biāo)準(zhǔn)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)、中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)和大型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)。其主要用于水面艦船的大中型艦載設(shè)備(如軸系、管系、柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等)的抗沖擊考核試驗(yàn)。我國對(duì)小型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)在水下爆炸作用下的沖擊環(huán)境進(jìn)行過試驗(yàn)研究[3-4]，而對(duì)中型及大型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的研究還處在理論計(jì)算及數(shù)值仿真階段[5]，主要是對(duì)美國的標(biāo)準(zhǔn)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)及大型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)進(jìn)行有限元計(jì)算[6]。

艦載設(shè)備大部分重量都不超過100 t，美國標(biāo)準(zhǔn)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)只能考核54 t以下的設(shè)備，而大型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)考核極限為181 t，對(duì)于很多不超過100 t的艦載設(shè)備無法應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)，而又沒必要使用尺寸較大的大型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)。美國近年來在MIL-S-901D規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)和大型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)，可對(duì)小于113 t的設(shè)備進(jìn)行考核。本文在現(xiàn)有資料基礎(chǔ)上，對(duì)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的響應(yīng)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)滿足設(shè)備考核使用要求的中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，可對(duì)我國用于大型艦載設(shè)備考核的浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的建設(shè)提供參考。

1 中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的三要素是輸入(激勵(lì))、系統(tǒng)(結(jié)構(gòu))和輸出(響應(yīng))。已知激勵(lì)和系統(tǒng)，問題歸結(jié)為響應(yīng)預(yù)測(cè)，也就是已經(jīng)知道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程和輸入的激勵(lì)載荷，求解結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性(包括固有頻率、振型和阻尼)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)(包括時(shí)域響應(yīng)與頻域響應(yīng))。同時(shí)，工程中經(jīng)常還會(huì)遇到需要解決兩類逆問題：已知系統(tǒng)與響應(yīng)，問題歸結(jié)為激勵(lì)識(shí)別；已知激勵(lì)與響應(yīng)，則問題成為系統(tǒng)識(shí)別[7]。

由于美國MIL-S-901D規(guī)范并沒有給出中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的具體結(jié)構(gòu)形式和浮動(dòng)沖擊平臺(tái)應(yīng)當(dāng)輸出的沖擊環(huán)境，只是給定如圖1所示的的四個(gè)工況[8]，按照工況進(jìn)行試驗(yàn)，若考核試驗(yàn)結(jié)束后設(shè)備仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，則設(shè)備抗沖擊考核合格。為了進(jìn)行浮動(dòng)沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，輸入激勵(lì)采用MIL-S-901D規(guī)定的試驗(yàn)工況，還必須確定輸出響應(yīng)，根據(jù)我國設(shè)備抗沖擊考核現(xiàn)狀，主要采用美國標(biāo)準(zhǔn)與德國BV043/85標(biāo)準(zhǔn)，在此輸出采用對(duì)設(shè)備抗沖擊較為嚴(yán)格的BV043/85標(biāo)準(zhǔn)。這樣浮動(dòng)沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就成為上述的系統(tǒng)識(shí)別問題，設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖1 中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)工況設(shè)置

圖2 浮動(dòng)沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

2 浮動(dòng)沖擊平臺(tái)水下爆炸響應(yīng)

艦船在水下爆炸的響應(yīng)主要分為剛體運(yùn)動(dòng)和彈塑性變形，剛度大的船體結(jié)構(gòu)剛體運(yùn)動(dòng)會(huì)比較明顯[9]。在對(duì)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，應(yīng)先對(duì)其在水下爆炸作用下的響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，分析浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的主要響應(yīng)為剛體運(yùn)動(dòng)還是彈塑性變形，從而對(duì)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的結(jié)構(gòu)剛度等有初步認(rèn)識(shí)。在此以美國中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)為計(jì)算模型，分析水下爆炸時(shí)的響應(yīng)，可為本文浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

在水下爆炸過程中，浮動(dòng)沖擊平臺(tái)會(huì)受到由沖擊波引起的各種不同載荷，如圖3所示。首先是沖擊波的作用，之后由于自由液面及海底的反射，會(huì)形成海底反射波和自由水面反射波，也就是水面截?cái)嘈?yīng)，同時(shí)還存在自由面的片空泡及氣泡脈動(dòng)，爆炸產(chǎn)生的水柱和噴水水墩也由爆炸處向四周推進(jìn)[10]。整個(gè)水下爆炸是一個(gè)非常復(fù)雜的過程[11]，現(xiàn)有計(jì)算方法很難統(tǒng)籌兼顧。為對(duì)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的響應(yīng)進(jìn)行較準(zhǔn)確的計(jì)算，考慮流體的可壓縮性、浮動(dòng)沖擊平臺(tái)在球面沖擊波作用下的響應(yīng)非線性及浮動(dòng)沖擊平臺(tái)與流體的流固耦合效應(yīng)，采用非線性雙漸進(jìn)法進(jìn)行分析。

圖3 水下爆炸現(xiàn)象概述

考慮可壓縮流體的勢(shì)函數(shù)微分方程式

(1)

式中：c為流體的壓縮波速度，r為空間矢量坐標(biāo)，t為時(shí)間坐標(biāo)，勢(shì)函數(shù)φ(r,t)表示為

φ(r,t)=φl(r,t)+φS(r,t)

(2)

其中φl(r,t)為入射波速度勢(shì)，φS(r,t)為散射波速度勢(shì)。采用線性假設(shè)，壓強(qiáng)p與速度勢(shì)φ有下列關(guān)系

(3)

得到二階雙漸進(jìn)法方程

(4)

式中：ps為流體中的散射壓力，Mf為流體質(zhì)量矩陣，Ωf為流體頻率矩陣，Af為流體單元的面積矩陣，uI為入射波速度，u剛和u彈分別為浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的剛體運(yùn)動(dòng)速度和單元彈性振動(dòng)速度。通過伯努利方程得到流體動(dòng)壓力

(5)

其中V為結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度，考慮了結(jié)構(gòu)的航速效應(yīng)和運(yùn)動(dòng)非線性。采用三角形單元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，即可按照文獻(xiàn)[12]提供的方法進(jìn)行求解。

由上述非線性雙漸進(jìn)方法可求得浮動(dòng)沖擊平臺(tái)剛體平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能及增加的勢(shì)能之和Ek

(6)

根據(jù)剛體動(dòng)能及增加勢(shì)能之和Ek占沖擊波入射能量的比重，可對(duì)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的剛體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。下面需對(duì)沖擊波作用于浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的能量進(jìn)行求解，沖擊波攜帶的能量為

E=4πR2Ef

(7)

式中Ef為能流密度。沖擊波的入射能量為

(8)

其中Se為結(jié)構(gòu)在垂直于沖擊波波陣面上的投影面積，可用數(shù)值模擬編程的方法進(jìn)行求解，如圖4所示。

圖4 投影面積數(shù)值模擬圖

按照?qǐng)D1所示MIL-S-901D規(guī)定的4個(gè)工況分別進(jìn)行計(jì)算，得到各工況下的沖擊波入射能Es和浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的剛體運(yùn)動(dòng)動(dòng)能Ek如表1所示。

各個(gè)工況，浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的剛體運(yùn)動(dòng)能量約占沖擊波入射能的70%左右，浮動(dòng)沖擊平臺(tái)響應(yīng)中剛體運(yùn)動(dòng)占主要部分。應(yīng)用本文方法計(jì)算得到的浮動(dòng)沖擊平臺(tái)剛體運(yùn)動(dòng)速度，和美國H.I.-TEST實(shí)驗(yàn)室與Kwon等[13]所進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)試驗(yàn)所得結(jié)果比較吻合，驗(yàn)證了本文理論計(jì)算方法的正確性。對(duì)工況4作用下浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的內(nèi)底板沖擊環(huán)境進(jìn)行分析，如圖5所示，黑色虛線表示內(nèi)底板節(jié)點(diǎn)總體響應(yīng)形成的沖擊環(huán)境，藍(lán)色實(shí)線為節(jié)點(diǎn)剛體響應(yīng)繪出的沖擊環(huán)境，可以看出浮動(dòng)沖擊平臺(tái)沖擊環(huán)境的形成主要來源于平臺(tái)剛體運(yùn)動(dòng)。因此，在浮動(dòng)沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的條件下，盡量增大浮動(dòng)沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)剛度。

表1 不同工況計(jì)算結(jié)果

圖5 工況4沖擊譜對(duì)比

3 浮動(dòng)沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析，在進(jìn)行浮動(dòng)沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，只需保證浮動(dòng)沖擊平臺(tái)具有一定的剛度，即在MIL-S-901D規(guī)定的工況下，能有足夠的強(qiáng)度抵抗水下爆炸載荷作用下的沖擊，同時(shí)能夠提供BV043/85要求的設(shè)備沖擊環(huán)境即可。根據(jù)美國中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的主體尺寸，參考標(biāo)準(zhǔn)和大型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式，初步設(shè)計(jì)兩種浮動(dòng)沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式：普通結(jié)構(gòu)形式和箱形梁結(jié)構(gòu)形式。如圖6～圖7所示，兩種結(jié)構(gòu)形式各位置的板厚對(duì)應(yīng)相同，材料都采用艦用945鋼，普通結(jié)構(gòu)形式圍壁及舷墻通過T型材加強(qiáng)，而箱形梁結(jié)構(gòu)型式的圍壁用箱形梁加強(qiáng)。

按圖1所示的工況，采用沖擊因子最大的工況4進(jìn)行水下爆炸計(jì)算，來確定較好的浮動(dòng)沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式。通過水下爆炸數(shù)值仿真計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)位移云圖如圖8～圖9所示。經(jīng)計(jì)算后得出普通結(jié)構(gòu)形式的最大變形為70 cm，發(fā)生在背爆面輕型舷墻部分，而箱形梁結(jié)構(gòu)形式的最大變形為8 cm，發(fā)生在迎爆面輕型舷墻部分，優(yōu)于普通結(jié)構(gòu)形式。

圖6 普通結(jié)構(gòu)形式

圖8 普通結(jié)構(gòu)形式節(jié)點(diǎn)位移

圖10 低舷墻箱形梁結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的最大變形，可以看出箱形梁結(jié)構(gòu)形式強(qiáng)度較好，但輕型舷墻部分最大變形8 cm。平臺(tái)變形較大不利于重復(fù)使用，現(xiàn)對(duì)箱形梁結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于最大變形出現(xiàn)在舷墻頂端部分，因此降低其高度，如圖10所示，優(yōu)化后的低舷墻箱形梁結(jié)構(gòu)形式最大變形出現(xiàn)在迎爆面抗沖擊圍壁，變形為1.5 cm。此時(shí)抗沖擊圍壁成為薄弱部分，為使結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加強(qiáng)，四周采用夾層結(jié)構(gòu)，外板增加夾層結(jié)構(gòu)后，浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的質(zhì)量有較大增加，為減輕平臺(tái)自身的重量，同時(shí)為便于設(shè)備安裝和試驗(yàn)儀器布置，內(nèi)底板設(shè)置若干開孔，形成外板夾層箱形梁結(jié)構(gòu)形式，如圖11所示。

圖11 外板夾層箱形梁結(jié)構(gòu)形式

優(yōu)化后的外板夾層箱形梁結(jié)構(gòu)形式塑性變形區(qū)域及范圍明顯減小，最大變形小于1 cm，發(fā)生在迎爆面底部。

因此通過ABAQUS水下爆炸計(jì)算分析，低舷墻箱形梁結(jié)構(gòu)形式和外板夾層箱形梁結(jié)構(gòu)形式強(qiáng)度較好，整體變形較小，可滿足重復(fù)試驗(yàn)要求。但外板夾層箱形梁結(jié)構(gòu)由于增加了夾層結(jié)構(gòu)，自身重量會(huì)比低舷墻箱形梁結(jié)構(gòu)形式偏大，因此在中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可靈活選擇平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式，達(dá)到重量和強(qiáng)度的具體要求。

圖12 設(shè)備安裝于內(nèi)底板上

浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求后，需對(duì)內(nèi)底板上的沖擊環(huán)境進(jìn)行分析，確定是否滿足BV043/85規(guī)范要求。選擇某一艦載設(shè)備安裝于平臺(tái)內(nèi)底板上，在此以增壓鍋爐為例，采用上述分析中強(qiáng)度最好的外板夾層箱形梁結(jié)構(gòu)形式的浮動(dòng)沖擊平臺(tái)，如圖12所示，得到設(shè)備基座處的沖擊環(huán)境如圖13所示。

圖13 鍋爐基座處沖擊環(huán)境

30 t設(shè)備按規(guī)范要求的沖擊環(huán)境為：譜位移4.3 cm，譜速度3.4 m/s，譜加速度122 g。比較計(jì)算得到的沖擊環(huán)境與規(guī)范的要求值，可以看出譜位移和譜速度與BV規(guī)范較為一致，譜加速度較大，是規(guī)范要求的2.3倍。譜加速度對(duì)應(yīng)沖擊輸入響應(yīng)的高頻段，根據(jù)不同設(shè)備針對(duì)不同沖擊環(huán)境輸入分析，可以得到譜加速度的變化對(duì)設(shè)備響應(yīng)的影響較小，設(shè)備的響應(yīng)主要和低頻段的譜位移及中頻段的譜速度相關(guān)[14]。因此譜加速度變化對(duì)響應(yīng)影響不大的設(shè)備，設(shè)計(jì)的浮動(dòng)沖擊平臺(tái)可提供規(guī)范要求的沖擊環(huán)境。

由于浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的內(nèi)底板與外底板通過實(shí)肋板和縱桁相連接，而外底板直接受水下爆炸沖擊波的作用，必然導(dǎo)致平臺(tái)內(nèi)底板響應(yīng)含有較多的高頻成分。為滿足對(duì)安裝頻率和高頻響應(yīng)有嚴(yán)格要求的設(shè)備，需采取措施降低浮動(dòng)沖擊平臺(tái)提供給設(shè)備的譜加速度。在此借鑒艦船在水下爆炸過程中的垂向?yàn)V波效應(yīng)[15]，多層甲板結(jié)構(gòu)可對(duì)高頻成分進(jìn)行過濾，表現(xiàn)為譜加速度迅速衰減，而譜位移和譜速度衰減相對(duì)較少。根據(jù)此現(xiàn)象，設(shè)計(jì)和艦船甲板相類似的甲板模擬器輔助裝置，如圖14所示，安裝于浮動(dòng)沖擊平臺(tái)內(nèi)底板之上。甲板模擬器底部的縱向連續(xù)構(gòu)件與浮動(dòng)沖擊平臺(tái)兩端連接，底部與浮動(dòng)沖擊平臺(tái)內(nèi)底板保持適當(dāng)間隙，來模擬實(shí)際艦船的甲板結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)思路如圖15所示。

圖14 內(nèi)底板之上安裝甲板模擬器

圖15 甲板模擬器示意圖

安裝甲板模擬器后，可以提供彈性安裝設(shè)備的安裝頻率，同時(shí)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)所提供的沖擊環(huán)境中譜位移和譜速度基本不變，而譜加速度由圖9所示的283 g降為185 g，出現(xiàn)大幅下降，基本達(dá)到設(shè)備考核要求。根據(jù)設(shè)備對(duì)安裝頻率及高頻段譜加速度的要求情況，可安裝多重甲板模擬器，來進(jìn)一步調(diào)節(jié)安裝頻率和降低譜加速度。

4 結(jié) 論

根據(jù)美軍標(biāo)MIL-S-901D及德軍標(biāo)BV043/85，通過系統(tǒng)識(shí)別的方法進(jìn)行了中型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要得出如下結(jié)論：

(1) 由非線性雙漸近法對(duì)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)在水下爆炸下的響應(yīng)進(jìn)行求解，計(jì)算結(jié)果與已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合，驗(yàn)證了理論方法的正確性。同時(shí)得出浮動(dòng)沖擊平臺(tái)的響應(yīng)主要為剛體運(yùn)動(dòng)，其沖擊環(huán)境的形成主要來源于平臺(tái)剛體運(yùn)動(dòng)，在進(jìn)行平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需在保證強(qiáng)度要求的前提下，滿足設(shè)備抗沖擊考核的沖擊環(huán)境要求。

(2) 提出的普通結(jié)構(gòu)、箱形梁結(jié)構(gòu)、低舷墻箱形梁結(jié)構(gòu)及外板夾層箱形梁結(jié)構(gòu)形式的浮動(dòng)沖擊平臺(tái)中，低舷墻箱形梁結(jié)構(gòu)及外板夾層箱形梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最好，可滿足重復(fù)試驗(yàn)使用需要。

(3) 平臺(tái)內(nèi)底板的沖擊環(huán)境中，譜位移與譜速度與BV規(guī)范要求較為吻合，對(duì)安裝頻率及譜加速度要較高要求的設(shè)備，可安裝具有濾波效應(yīng)的甲板模擬器來調(diào)節(jié)安裝頻率，同時(shí)降低高頻段對(duì)應(yīng)的譜加速度。

參 考 文 獻(xiàn)

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