張遵鷗，沈巍巍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所， 浙江 嘉興 314033)

艦船電子設(shè)備抗強(qiáng)沖擊設(shè)計(jì)探討*

張遵鷗，沈巍巍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所， 浙江 嘉興 314033)

文中論述了艦船電子設(shè)備抗強(qiáng)沖擊能力要求,根據(jù)抗沖擊考核要求，提出了用于艦船電子設(shè)備抗強(qiáng)沖擊仿真分析的加載條件，并對(duì)現(xiàn)有抗強(qiáng)沖擊設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析比較。應(yīng)用ANSYS Workbench有限元軟件對(duì)某艦船電子設(shè)備機(jī)柜進(jìn)行了仿真并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，沖擊載荷輸入采用了將頻域沖擊譜曲線轉(zhuǎn)換為時(shí)域加速度時(shí)間歷程曲線的轉(zhuǎn)換方法。時(shí)域模擬法可考慮各種非線性因素對(duì)設(shè)備的影響，雖然現(xiàn)階段還存在一些問(wèn)題，但可為抗強(qiáng)沖擊設(shè)計(jì)研究提供參考。

電子設(shè)備；抗強(qiáng)沖擊設(shè)計(jì)；仿真；沖擊載荷

引 言

艦船在作戰(zhàn)中會(huì)遭受到非接觸爆炸等引起的高強(qiáng)度沖擊(以下簡(jiǎn)稱(chēng)強(qiáng)沖擊), 艦船系統(tǒng)及設(shè)備的抗強(qiáng)沖擊性能關(guān)系到艦船的戰(zhàn)斗力、生命力，已成為艦船十分重要的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)。隨著先進(jìn)武器裝備的攻擊殺傷力的大幅度提高，從實(shí)戰(zhàn)的要求出發(fā)，艦載設(shè)備的抗沖擊能力越來(lái)越受到關(guān)注。

在嚴(yán)酷的沖擊環(huán)境下，隨著沖擊載荷的增大，部分電子設(shè)備的位移及加速度響應(yīng)會(huì)損壞設(shè)備或降低其可靠性。作為艦船生命力的重要組成部分，艦艇電子設(shè)備的抗沖擊能力一旦受損，艦艇的戰(zhàn)斗力就會(huì)被減弱。因此對(duì)艦船電子設(shè)備抗強(qiáng)沖擊能力的研究是提高艦艇生命力的一個(gè)重要課題，對(duì)提高艦艇的連續(xù)作戰(zhàn)能力有很大的幫助，具有現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

我國(guó)在艦船電子設(shè)備抗沖擊研究方面投入的物力、人力、財(cái)力都相當(dāng)有限，專(zhuān)業(yè)研究隊(duì)伍人數(shù)和力量比較單薄，缺乏全面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，與西方強(qiáng)國(guó)相比，無(wú)論是理論研究還是試驗(yàn)研究都有較大差距。當(dāng)前普遍采用有限元軟件進(jìn)行仿真分析，結(jié)合沖擊試驗(yàn)進(jìn)行校核，這為艦船電子設(shè)備抗沖擊的研究提供了一種有效的方法。

1 艦船電子設(shè)備抗沖擊能力要求

艦船電子設(shè)備抗沖擊能力要求一般由國(guó)軍標(biāo)或艦總體要求確定。我國(guó)國(guó)軍標(biāo)GJB l060.1中規(guī)定了一種適合于頻域計(jì)算的沖擊加速度和速度公式以及與質(zhì)量和頻率有關(guān)的詳細(xì)設(shè)計(jì)、校核方法[1]。

艦船電子設(shè)備抗沖擊考核試驗(yàn)按GJB 150.18試驗(yàn)第10條要求[2]進(jìn)行。輕量級(jí)設(shè)備(小于200 kg)在垂向、背向、側(cè)向3個(gè)互相垂直的軸向方向各進(jìn)行3次，共計(jì)9次沖擊；中量級(jí)設(shè)備(0.12～2.7 t)分3組，每組2次，共6次沖擊。

在我國(guó)設(shè)備沖擊環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)GJB l50.18中沒(méi)有可用于計(jì)算和測(cè)量的量值。各主要海軍國(guó)家設(shè)備抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)之比較[3]表明，美國(guó)和我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)輕型沖擊機(jī)和中型沖擊機(jī)砧臺(tái)的沖擊譜一樣(如圖1所示): 標(biāo)準(zhǔn)輕型沖擊機(jī)3個(gè)方向上的沖擊載荷都差不多，只有一根沖擊譜線，最大譜位移為4 cm，最大譜速度為4.6 m/s，最大譜加速度為2000g; 中重量設(shè)備(120kg

圖1 標(biāo)準(zhǔn)輕型沖擊機(jī)和中型沖擊機(jī)砧臺(tái)沖擊譜

從圖1中的數(shù)據(jù)看抗沖擊能力要求，國(guó)軍標(biāo)GJB l060.1和GJB l50.18抗沖擊設(shè)計(jì)考核要求是不一致的，從量值看，GJB l50.18抗沖擊考核要求大于國(guó)軍標(biāo)GJB l060.1抗沖擊考核要求。故采用GJB l50.18抗沖擊考核要求量值作為艦船電子設(shè)備抗沖擊能力設(shè)計(jì)要求更合適。隨著測(cè)試設(shè)備的完善，也可采用實(shí)測(cè)的時(shí)間歷程曲線作為設(shè)計(jì)要求。

2 抗沖擊設(shè)計(jì)計(jì)算方法

電子設(shè)備沖擊是因受到瞬態(tài)激勵(lì)，其力、位移、速度或加速度發(fā)生突變的現(xiàn)象。沖擊作用產(chǎn)生的是瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)，激振頻譜為非周期性連續(xù)函數(shù)，具有作用時(shí)動(dòng)能傳遞時(shí)間很短的特點(diǎn)。從理論角度分析，沖擊響應(yīng)就是系統(tǒng)受到短暫的脈沖、瞬態(tài)的非周期激勵(lì)下的響應(yīng)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與沖擊持續(xù)時(shí)間和設(shè)備的固有頻率有關(guān)。如果在頻域內(nèi)表示沖擊輸入信號(hào)，則低頻段主要是基礎(chǔ)的位移激勵(lì)，中頻段主要是速度激勵(lì)，高頻段主要是加速度激勵(lì)。

艦船設(shè)備的沖擊理論研究、數(shù)學(xué)模型、計(jì)算方法及仿真研究在不斷發(fā)展完善，對(duì)設(shè)備的抗沖擊分析經(jīng)歷了靜態(tài)等效法、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析法和時(shí)域模擬法3個(gè)階段[4]。

2.1 靜態(tài)等效法

靜態(tài)等效法又稱(chēng)沖擊設(shè)計(jì)因子方法，它是將動(dòng)載荷等價(jià)為一定量的靜載荷，用靜態(tài)的方法進(jìn)行強(qiáng)度校核。此方法只考慮了受沖擊結(jié)構(gòu)的質(zhì)量效應(yīng)，而沒(méi)有考慮設(shè)備的高頻響應(yīng)與一階低頻響應(yīng)的差異，實(shí)際上只校核了一階低頻響應(yīng)的強(qiáng)度。當(dāng)一階響應(yīng)為設(shè)備的主要破壞因素時(shí)，尚可采用等效靜載法，但當(dāng)高頻破壞為設(shè)備的主要破壞因素時(shí)，就不宜采用等效靜載法。

2.2 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析法

動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析法(Dynamic Design Analysis Method，DDAM)基于動(dòng)力分析理論，建立在模態(tài)分析理論的基礎(chǔ)上，克服了等效靜載法的不足，用于分析艦船設(shè)備結(jié)構(gòu)的最大線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)。我國(guó)國(guó)軍標(biāo)GJB l060.1采用該方法，設(shè)備的輸入載荷是沖擊譜。DDAM方法可以分析高階的破壞模式，但仍有很大的局限性：只能分析線彈性安裝設(shè)備或設(shè)備線彈性破壞，不能考慮沖擊載荷在設(shè)備中的瞬態(tài)波動(dòng)效應(yīng)以及鄰近設(shè)備和船體對(duì)沖擊輸入的影響。故對(duì)解決船體、大型構(gòu)件及底座的抗沖擊分析問(wèn)題較合適，對(duì)存在很多非線性因素的艦船電子設(shè)備抗沖擊分析不是特別合適。

2.3 時(shí)域模擬法

時(shí)域模擬法的重要特征是考慮各種非線性因素，對(duì)設(shè)備在時(shí)間域上進(jìn)行瞬態(tài)分析。它可將實(shí)測(cè)的時(shí)間歷程曲線或標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)輸入時(shí)間歷程曲線作為設(shè)備的輸入載荷，對(duì)設(shè)備進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，可分析設(shè)備的非線性響應(yīng)。相比之下, 該方法可提供更詳細(xì)的結(jié)果、更精確的外部載荷，對(duì)分析設(shè)備的結(jié)構(gòu)屬性更靈活。例如設(shè)備的抗沖隔離系統(tǒng)往往采用減振器和限位器，柔性連接管線等構(gòu)件存在復(fù)雜的接觸關(guān)系，它們?cè)跊_擊載荷作用下均表現(xiàn)為非線性特性，只有采用時(shí)域模擬法對(duì)其進(jìn)行抗沖擊計(jì)算分析才能得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。隨著試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備的應(yīng)用，將實(shí)測(cè)的時(shí)間歷程曲線作為設(shè)備的輸入載荷，在時(shí)域上對(duì)設(shè)備進(jìn)行瞬態(tài)分析的工作方法的應(yīng)用將會(huì)增加。目前雖然DDAM法仍被大多數(shù)國(guó)家作為艦船設(shè)備的主要設(shè)計(jì)方法，但時(shí)域模擬法正成為發(fā)展趨勢(shì)。

因現(xiàn)階段缺少相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，時(shí)域模擬法的正確性還有待試驗(yàn)驗(yàn)證。如何使計(jì)算模型更接近真實(shí)物理模型，提高仿真計(jì)算的精度是難點(diǎn)和重點(diǎn)。本文采用時(shí)域模擬法，具體從實(shí)施方法上進(jìn)行探討。

3 機(jī)柜抗沖擊設(shè)計(jì)仿真分析

機(jī)柜是艦船電子設(shè)備常用的結(jié)構(gòu)件，對(duì)它進(jìn)行分析計(jì)算具有普遍意義。本文采用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行機(jī)柜抗沖擊仿真分析，仿真分析需要建立分析模型、劃分網(wǎng)格、設(shè)定載荷、進(jìn)行計(jì)算和結(jié)果分析等。

由于現(xiàn)階段減振器缺少相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，不能對(duì)上述非線性構(gòu)件及其沖擊效應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，故采用隔離系統(tǒng)(由機(jī)柜體和隔振器組成)的典型設(shè)計(jì)沖擊譜曲線，對(duì)機(jī)柜體進(jìn)行仿真分析。

3.1 建立模型

應(yīng)用ANSYS Workbench有限元軟件建立機(jī)柜的有限元物理模型，如圖2所示，模型的建立采用三維模型導(dǎo)入法。材料及其強(qiáng)度見(jiàn)表1。

圖2 仿真模型

材料名稱(chēng)材料強(qiáng)度σ/MPa備注防銹鋁板5A05255結(jié)構(gòu)件鍛鋁2A50350機(jī)柜接頭

3.2 沖擊載荷的計(jì)算

沖擊載荷輸入可采用實(shí)測(cè)時(shí)間歷程曲線或由等位移、等速度和等加速度3個(gè)曲線組成的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)沖擊譜曲線。本次機(jī)柜仿真沖擊譜值采用某系統(tǒng)要求的隔離系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)沖擊譜曲線,見(jiàn)表2。

表2 隔離系統(tǒng)沖擊譜值

首先需要將頻域沖擊譜曲線轉(zhuǎn)換為時(shí)域時(shí)間歷程曲線。本文參照德國(guó)軍標(biāo)BV 043/85中的組合三角波法，利用簡(jiǎn)化方法將標(biāo)準(zhǔn)沖擊響應(yīng)譜轉(zhuǎn)換為等效時(shí)域加速度曲線[5]，如圖3所示。

圖3 三角形變化歷程

垂向沖擊參數(shù)由以下關(guān)系式得到：

a2=0.6×a0=60g

t4=t3+0.6(t5-t3)=0.022 s

垂向、橫向三角形變化歷程參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 垂向、橫向三角形變化歷程參數(shù)

3.3 計(jì)算和結(jié)果分析

分析結(jié)果符合性判據(jù)為機(jī)柜接頭處危險(xiǎn)區(qū)域的沖擊應(yīng)力小于材料靜屈服強(qiáng)度。分析結(jié)果為垂向沖擊：機(jī)柜接頭最大應(yīng)力為145MPa，結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力為48MPa，如圖4所示；橫向沖擊：機(jī)柜接頭最大應(yīng)力為78MPa，結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力為25MPa，如圖5所示。

圖4 垂向沖擊應(yīng)力

圖5 橫向沖擊應(yīng)力

分析表明：其機(jī)柜接頭最大應(yīng)力145 MPa小于接頭材料靜屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力48 MPa小于結(jié)構(gòu)件材料靜屈服強(qiáng)度，本機(jī)柜抗沖擊設(shè)計(jì)能力能夠滿足系統(tǒng)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)艦船設(shè)備抗沖擊設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入探討，對(duì)某艦載機(jī)柜抗沖擊設(shè)計(jì)進(jìn)行了軟件仿真，論述了沖擊輸入的轉(zhuǎn)換方法，進(jìn)行了抗沖擊計(jì)算分析。利用有限元軟件仿真可得到機(jī)柜內(nèi)部較為詳細(xì)的應(yīng)力場(chǎng)分布情況，進(jìn)而對(duì)內(nèi)部布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并在軟件環(huán)境中調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布局以期得到更合理的應(yīng)力場(chǎng)分布，并應(yīng)用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于減振器缺少相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，故本文沒(méi)有對(duì)它進(jìn)行仿真，其正確性有待試驗(yàn)驗(yàn)證。

[1] 海軍裝備論證研究中心標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究室. GJB 1060.1—1991 艦船環(huán)境條件要求 機(jī)械環(huán)境[S]. 北京：國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)出版發(fā)行部, 1991.

[2] 海軍裝備論證研究中心標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究室. GJB 150.18—1986 軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 沖擊試驗(yàn)[S]. 北京：國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)出版發(fā)行部, 1986.

[3] 劉建湖，潘建強(qiáng)，何斌. 各主要海軍國(guó)家設(shè)備抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)之比較[J]. 應(yīng)用科技, 2010, 37 (9): 17-25.

[4] 汪玉，華宏星. 艦船現(xiàn)代沖擊理論及應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005.

[5] 姜濤，王偉力，黃雪峰，等. 艦艇抗沖擊設(shè)計(jì)中正負(fù)三角波沖擊譜分析與應(yīng)用[J]. 海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2010, 25(2): 145-148.

張遵鷗(1963-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

沈巍巍(1984-)，男，工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Discussion on High Anti-shock Design of Naval Electronic Equipment

ZHANG Zun-ou，SHEN Wei-wei

(The36thResearchInstituteofCETC,Jiaxing314033,China)

The high anti-shock dynamic characteristic requirement of the naval electronic equipment is discussed in this paper. The load boundary simulation conditions are put forward according to the anti-shock criteria for the naval electronic equipment. The existing high anti-shock design methods are compared and analyzed. Simulation for the naval electronic equipment is carried out by ANSYS Workbench software, where the impulse loads are exerted by transforming the shock input spectrum into time-domain acceleration loads. Then the transfer method and simulation results are analyzed respectively. Despite the existing problems, the time-domain simulation method, which can take effect of nonlinear factors on equipment into consideration, can be used as important reference for further development of the high anti-shock design.

electronic equipment; high anti-shock design; simulation; axial crush load

2014-09-23

TP391.77

A

1008-5300(2015)01-0007-03