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(huán)境下的振動搖擺特性是艦載環(huán)境技術(shù)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是對艦載武器系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、開展艦載隔振緩沖和穩(wěn)定平臺技術(shù)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)之一。在詳細(xì)分析艦船海上環(huán)境特性及影響因素的基礎(chǔ)上，根據(jù)項(xiàng)目需求并結(jié)合海上測量的技術(shù)特點(diǎn)構(gòu)建測試系統(tǒng)，開展了艦船振動、搖擺環(huán)境參數(shù)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(tài)、不同船身位置的艦船典型振動和搖擺特性數(shù)據(jù)。為艦船海上環(huán)境參數(shù)積累、研究制定艦載環(huán)境條件、掌握艦載武器系統(tǒng)在海上環(huán)境下的低頻制穩(wěn)和高頻隔振等關(guān)鍵技術(shù)提供了重要的第一手資料。

1 艦載環(huán)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(jī)械物理特性復(fù)雜多變，除在航行時(shí)會受到來自海浪、船艙主發(fā)動機(jī)、螺旋槳和柴油發(fā)電機(jī)等內(nèi)、外部各種周期或非周期性的振動干擾外，在作戰(zhàn)環(huán)境下還承受各種艦載武器系統(tǒng)工作所引發(fā)的劇烈振動、沖擊激勵[1—2]。

艦載武器系統(tǒng)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(jī)械力的作用，其中振動和沖擊對武器系統(tǒng)的電子、光學(xué)設(shè)備性能及結(jié)構(gòu)的影響尤為明顯。其影響因素主要包括：設(shè)備在某一激振頻率作用下產(chǎn)生共振，或因沖擊產(chǎn)生的沖擊力超過設(shè)備承受的強(qiáng)度極限而導(dǎo)致設(shè)備失效甚至損壞；在振動和沖擊引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠(yuǎn)低于設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，海上環(huán)境下的長期振動和反復(fù)沖擊也可能對艦載光電設(shè)備造成疲勞損傷[2]。此外，應(yīng)用慣性技術(shù)隔離艦船的角運(yùn)動干擾，使艦載武器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平臺功能，通過不斷測量被穩(wěn)定對象姿態(tài)和位置的變化，精確保持動態(tài)姿態(tài)基準(zhǔn)，并通過探測設(shè)備實(shí)現(xiàn)對機(jī)動目標(biāo)的穩(wěn)定跟瞄[3—4]，也是武器系統(tǒng)艦載化的關(guān)鍵技術(shù)之一。為此，掌握和研究艦船在海上環(huán)境下的振動、沖擊和搖擺特性，是對艦載武器系統(tǒng)進(jìn)行抗振動沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、采用隔振緩沖和穩(wěn)定平臺技術(shù)實(shí)現(xiàn)艦載安裝的必不可少的重要環(huán)節(jié)。

2 測試項(xiàng)目及技術(shù)要求

艦載環(huán)境特性測試主要是測量艦船特定區(qū)域在海上航行狀態(tài)下的振動響應(yīng)參數(shù)和搖擺姿態(tài)參數(shù)。根據(jù)艦船海上航行的低頻環(huán)境特點(diǎn)和艦船發(fā)動機(jī)等機(jī)電設(shè)備的工作特性，在各測試區(qū)域內(nèi)，選取具有加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)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(jìn)行測量。

為保證各測點(diǎn)傳感器安裝方向和測量方向的統(tǒng)一，測量方向定義如下：沿艦船前進(jìn)方向?yàn)閤向（縱向），垂直海面并指向上方為z向（垂向），水平面內(nèi)按右手法則確定方向?yàn)閥向（橫向）。

3 艦船測試技術(shù)狀態(tài)

3.1 艦船技術(shù)指標(biāo)

承擔(dān)該次海上測試任務(wù)的是某型護(hù)衛(wèi)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(xù)航力為4 000 n mile/18 kn；主機(jī)艙內(nèi)安裝2臺12E390柴油機(jī)，持續(xù)功率為14 400馬力，雙軸傳動；配備4臺柴油發(fā)電機(jī)提供全艦其他動力、照明設(shè)備的工作。

3.2 艦船測試區(qū)域

根據(jù)艦載武器系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，在艦船外部甲板適當(dāng)部位選擇相應(yīng)的測試區(qū)域，分別位于艦船二層甲板的前部（測試區(qū)1）和三層甲板后部（測試區(qū)2，直升機(jī)機(jī)庫頂部）。測試區(qū)1為半圓形區(qū)域，寬11.3 m，底邊至弧頂長9.5 m，區(qū)內(nèi)安裝有2座37 mm炮；測試區(qū)2為長方形區(qū)域，長9.1 m，寬4.6 m，該區(qū)域中部安裝有一部火控雷達(dá)。

3.3 艦船測試區(qū)域測點(diǎn)布設(shè)及傳感器安裝

武器系統(tǒng)在艦船上的安裝部位必須具備足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且需減少艦載設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的振動、沖擊及噪聲等影響。為此在兩個測試區(qū)中選擇具有加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的特征部位，分別布設(shè)4個測點(diǎn)進(jìn)行加速度響應(yīng)測量：測試區(qū)1左右兩側(cè)的37 mm炮安裝基座上各布設(shè)2個測點(diǎn)；測試區(qū)2中部火控雷達(dá)鋼架基座的4個邊角上各布設(shè)1個測點(diǎn)；此外，在各測試區(qū)中部布設(shè)1個測點(diǎn)，測量板殼結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)并與其它測點(diǎn)進(jìn)行對比。

每個測點(diǎn)安裝3只單軸向低頻加速度傳感器，構(gòu)成x，y，z等3個測量方向。兩個測試區(qū)各用加速度傳感器15只，進(jìn)行振動加速度響應(yīng)信號測量。

在測試區(qū)1和測試區(qū)2的中心部位分別布設(shè)1個搖角測點(diǎn)，每個測點(diǎn)安裝2只單軸向傾角傳感器，以實(shí)現(xiàn)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(yīng)測點(diǎn)，Y1和Y2為艦船搖擺角度測點(diǎn)。

4 測試系統(tǒng)

4.1 測試系統(tǒng)組成

根據(jù)艦船海上航行的低頻環(huán)境特性、測試項(xiàng)目及測試要求配置測試系統(tǒng)，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(diào)系統(tǒng)和多通道數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)等。

圖1 測試區(qū)測點(diǎn)Fig.1 Diagram of measuring points in the test area

表1 測試系統(tǒng)配套儀器Table 1 Instruments in the test system

4.2 主要測試儀器性能指標(biāo)

測試系統(tǒng)配套儀器、傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足艦船環(huán)境測量技術(shù)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(shí)段、不同航速和不同航行狀態(tài)下（航行、漂?。ε灤駝犹匦浴⑴灤瑩u擺特性等參數(shù)開展分批多組測量。每組測量均不少于30 min的連續(xù)數(shù)據(jù)采集，并對測量時(shí)行經(jīng)的海況、航速及對應(yīng)時(shí)刻進(jìn)行了詳細(xì)記錄。

表2 測試系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)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(yīng)數(shù)據(jù)和搖角數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分類，從頻域和時(shí)域?qū)y試區(qū)內(nèi)各測點(diǎn)總均方根值響應(yīng)、頻率響應(yīng)分布和時(shí)域最大峰值等進(jìn)行了分析，對不同海況、不同航速和航行狀態(tài)、艦船不同部位的響應(yīng)情況進(jìn)行對比、分析。

6.1 加速度總均方根值響應(yīng)分析

6.1.1 高速航行狀態(tài)

高速航行狀態(tài)下，測試區(qū)1縱向和橫向的加速度響應(yīng)量級相當(dāng)，各加速度測點(diǎn)響應(yīng)差異不大；垂向響應(yīng)略高，最大為0.0136g，不同測點(diǎn)其響應(yīng)有所差異。在航速較為穩(wěn)定的情況下，各航段加速度響應(yīng)規(guī)律類似，所有測點(diǎn)具有相似的振動響應(yīng)特征和變化趨勢。

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

不同時(shí)段內(nèi)測試區(qū)1和測試區(qū)2各加速度測點(diǎn)在縱向、橫向和垂向的總均方根值的響應(yīng)分布情況如圖2所示。

6.1.2 低速航行狀態(tài)

低速航行狀態(tài)各測試區(qū)內(nèi)的加速度響應(yīng)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(qū)2的振動響應(yīng)略高于測試區(qū)1。低速航行狀態(tài)雖然航速、海況條件有所差異，但同一測試區(qū)不同時(shí)段其加速度響應(yīng)量級相差不大，所有測點(diǎn)在不同時(shí)段的振動響應(yīng)特征和變化趨勢相近。

6.1.3 漂泊狀態(tài)

因漂泊狀態(tài)下艦船主發(fā)動機(jī)停機(jī)，各測試區(qū)內(nèi)的加速度響應(yīng)在幾種航行狀態(tài)中量級最低，總均方根值均低于0.002g。該狀態(tài)下的主要振源考慮為艦載發(fā)電機(jī)等機(jī)電設(shè)備工作、艦載武器和雷達(dá)系統(tǒng)及人員訓(xùn)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(tài)測試區(qū)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(yīng)范圍

測試區(qū)1加速度響應(yīng)的總體分布情況如圖3所示，各測試區(qū)域在不同航行狀態(tài)下加速度總均方根值響應(yīng)范圍：縱向?yàn)?.0005g～0.01g，橫向?yàn)?.0009g～0.016g，垂向?yàn)?.001g～0.035g。

圖3 測試區(qū)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(shí)域響應(yīng)分析

加速度時(shí)域峰值反映了測量時(shí)段內(nèi)曾經(jīng)歷經(jīng)的最大加速度瞬時(shí)極值，其峰值響應(yīng)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(tài)，各加速度測點(diǎn)主要以低頻響應(yīng)為主，時(shí)域響應(yīng)總體水平較低，只是在開啟艦船主發(fā)動機(jī)、作戰(zhàn)操演訓(xùn)練中開啟雷達(dá)、轉(zhuǎn)動火炮及艦上人員在測試區(qū)內(nèi)活動時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊響應(yīng)略大，其他時(shí)段均較為平穩(wěn)。

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

圖4 高速航行狀態(tài)時(shí)域加速度響應(yīng)Fig.4 The time domain acceleration response in high-speed sailing status

艦船高速航行狀態(tài)、低速航行狀態(tài)和漂泊狀態(tài)下各測點(diǎn)在縱向、橫向和垂向的時(shí)域加速度最大峰值響應(yīng)統(tǒng)計(jì)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(yīng)分析

對各種海況、各種航行狀態(tài)下的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，可以發(fā)現(xiàn)，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(nèi)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(fā)動機(jī)運(yùn)行、主軸和螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)、柴油發(fā)電機(jī)等艦上設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的振動為主要因素。

6.3.1 各測點(diǎn)之間頻響對比

某時(shí)段高速航行狀態(tài)下測試區(qū)1各測點(diǎn)的功率譜密度曲線如圖5所示，縱向、橫向各測點(diǎn)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(diǎn)頻率響應(yīng)相同，而測點(diǎn)A5因安裝位置無加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，因此在局部頻段與其它各測點(diǎn)存在細(xì)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(tài)下，同一測試區(qū)內(nèi)加速度測點(diǎn)之間頻響特性非常相近。

以上述圖3—5為例，同一測試區(qū)內(nèi)各測點(diǎn)除具有典型低頻特性外，在較寬頻帶內(nèi)縱向、橫向和垂向均出現(xiàn)明顯的諧振峰，并以30和75 Hz響應(yīng)最為明顯，峰值最高。

6.3.2 不同航行狀態(tài)頻響對比

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

當(dāng)艦船航速相同時(shí)，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(yīng)變化，會對極低頻段的頻響產(chǎn)生影響，但對高頻諧振無貢獻(xiàn)。

當(dāng)航速改變時(shí)，主發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)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(fā)的諧振頻率成分較為復(fù)雜，影響的頻率范圍也較寬，總體上低速航行時(shí)諧振頻率峰值較高速航行略有下降。

漂泊狀態(tài)下艦船主發(fā)動機(jī)停止工作，此時(shí)主要振源僅來自艦載發(fā)電機(jī)等機(jī)電設(shè)備工作產(chǎn)生的振動干擾，因此在三種航行狀態(tài)中，漂泊狀態(tài)時(shí)的高頻諧振峰值最小。

現(xiàn)以高速航行狀態(tài)、低速巡航狀態(tài)及漂泊狀態(tài)下同一測點(diǎn)A1在垂向的頻率響應(yīng)為例進(jìn)行對比，低頻段三種狀態(tài)的頻響幅值差異明顯，高頻諧振頻率成分及響應(yīng)峰值在三種狀態(tài)也發(fā)生變化，以漂泊狀態(tài)變化最為明顯，如圖6所示。

6.4 搖角數(shù)據(jù)分析

艦船的搖擺包含縱搖和橫搖，角度方向定義為：+x向?yàn)榭v搖正角度，-x向?yàn)榭v搖負(fù)角度；+y向?yàn)闄M搖正角度，-y向?yàn)闄M搖負(fù)角度。

6.4.1 不同時(shí)段最大搖擺角度統(tǒng)計(jì)

表4給出了各種航行狀態(tài)下不同時(shí)間段內(nèi)艦船搖擺最大角度。搖擺角度與當(dāng)時(shí)的海況（主要是浪涌大?。?、航速、艦船狀態(tài)（航行或漂泊）及航向（是否迎浪航行）均有較大關(guān)系。從表中數(shù)據(jù)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(tài)下垂向頻率響應(yīng)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(tài)下艦船搖擺角度實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析發(fā)現(xiàn)，無論是縱搖或橫搖，在不同時(shí)段均具有非常相近的頻響特性?？v搖響應(yīng)峰值的頻率主要集中在0.14～0.25 Hz，橫搖響應(yīng)峰值的頻率主要集中在0.09～0.19 Hz，其他頻段的響應(yīng)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(shí)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(yīng)峰值明顯大于縱搖角，這與搖角的時(shí)域分析結(jié)果一致?？v搖角和橫搖角的時(shí)間歷程和頻率響應(yīng)曲線示例如圖7所示。

6.5 艦載環(huán)境總體特征

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

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

圖7 縱搖和橫搖的時(shí)間歷程和頻率響應(yīng)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(qū)1：縱向?yàn)?0.0005g～0.006g，橫向?yàn)?0.0009g～0.006g，垂向?yàn)?0.0013g～0.014g；測試區(qū) 2：縱向?yàn)?0.0005g～0.01g，橫向?yàn)?0.0011g～0.016g，垂向?yàn)?0.001g～0.035g。

2）加速度最大峰值：縱向?yàn)?.2g，橫向?yàn)?.18g，垂向?yàn)?.64g。

3）頻率響應(yīng)分布：縱向、橫向和垂向加速度響應(yīng)均具有典型的低頻特性，而在5～200 Hz頻率范圍內(nèi)的局部頻段出現(xiàn)明顯的高頻諧振，某些諧振峰較為突出。低頻響應(yīng)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(fā)動機(jī)、艦載柴油發(fā)電機(jī)等機(jī)電設(shè)備運(yùn)行、螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)及艦載武器系統(tǒng)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(fù)向最大為-17.7°，正向最大為22.7°；縱搖角度范圍：負(fù)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(jié)語

通過開展艦船海上振動搖擺環(huán)境參數(shù)測量工作，研究了特定艦船的技術(shù)參數(shù)，具體分析了艦載環(huán)境及其影響因素，結(jié)合測試項(xiàng)目和海上測量的技術(shù)特點(diǎn)，針對性地組建測試系統(tǒng)實(shí)施測量，獲取了大量艦船振動和搖擺響應(yīng)數(shù)據(jù)。通過對實(shí)測數(shù)據(jù)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(rèn)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(shù)據(jù)樣本種類及數(shù)量還不全面、有待完善，相應(yīng)分析結(jié)果尚不具備普適性，但仍可為研究制定艦載環(huán)境條件、提升對艦載環(huán)境特殊性及其影響規(guī)律的認(rèn)識提供數(shù)據(jù)支撐，為艦載武器系統(tǒng)在艦載環(huán)境下的適應(yīng)性和可靠性研究等工作的深入開展打下技術(shù)基礎(chǔ)。

[1]GJB 4.1—83.艦船電子設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)總則[S].GJB 4.1—83.Environmental Testing General Ship Electronic Equipment[S].

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