船体基座抗冲击研究现状

1 引言

基座是设备和船体的连接结构，也是设备的安装基础。基座既承受设备自重产生的静载荷和设备运行时产生的动载荷，同时又将船体所受的外载荷传递给设备，其承受的载荷非常复杂。目前,根据规范设计基座时,仅考虑基座所承受的静载荷和相当当量的动载荷[1]。但随着舰船对生命力的要求越来越高，其设备的抗冲击性能越来越受到重视，基座在设计时不得不考虑非接触爆炸时引起的冲击载荷。

现代舰船在爆炸载荷作用下，会给全舰带来巨大的破坏作用。动力、电气、武备等系统设备均需要可靠的安装基座。在冲击环境下如果基座出现问题，小则影响系统设备的精度，大则系统设备无法正常工作，甚至导致全船丧失生命力。因此对基座的抗冲击设计研究是很有必要的。

2 舰船抗冲击研究现状

舰船的抗冲击研究一直以来受到各国海军的重视。有关资料表明,舰船抗冲击研究的历史可以追溯到19世纪[2]。1860年，美国海军进行了船体抗爆试验。1874年8月，英国海军在朴次茅斯进行冲击试验，这是有资料记载的最早的机械设备抗冲击研究和第一次全面的水下爆炸试验[3]。随后日本、意大利、荷兰、德国等国也分别进行了水下爆炸试验[4]，并形成了相关的抗冲击设计规范或标准。1946年，美军制定相应的冲击标准MIL-S-810HE、MIL-S-901，随后逐渐发展为MIL-S-901B、MIL-S-901C以及至今还有效的MIL-S-901D[5]。美国军用规范强调用冲击试验考核舰船设备抗冲击能力和作为舰船设备的验收标准[6]。1973年，德国海军制定了BV043/73冲击标准，随后发展为BV043/85[7]。文献[8]对各国的舰船冲击标准进行了比较分析。

我国舰船抗冲击研究起步较晚，大约自20世纪70年代开始对舰船进行抗冲击研究[9]。90年代以后,加强了对舰船抗冲击的研究工作，关注舰艇抗冲击的技术发展[10-12]，主要研究了水下爆炸载荷的机理及响应分析[13-18]，以及对舰艇系统、设备分析技术及抗冲击计算程序仿真方法的研究[19-22]。同时，对设备抗冲击实例进行了分析[23,24]，对船舶推进轴系的抗冲击进行了探究[25]。

国内对基座的抗冲击研究较少。文献[26]研究了舰船基座在水下非接触爆炸条件下的冲击载荷，并对某柴油机基座进行了冲击计算。文章分别计算了柴油机基座在静载荷和冲击载荷作用下的应力及变形，其中冲击计算采用了静g法和时间历程法这两种方法。计算结果表明，水下非接触爆炸造成的冲击载荷对舰船基座应力、变形产生重大影响，在基座设计中不容忽视。

3 基座抗冲击相关标准要求

国外的基座抗冲击要求体现在相关的冲击标准中。德国军标BV043/73及BV043/85中对基座的冲击安全性、许用应力及冲击响应谱等作了规定。美国《舰船通用规范》中规定A级和B级设备的基座结构应和其所支撑的设备一起进行冲击试验，若实际不可行则基座应按动态设计分析方法进行分析。美国海上系统司令部关于水面舰艇冲击设计标准中提到了基座冲击设计的两种方法(静力分析方法与动力分析方法)[27]。Warren D.Reid有关美国海军水面舰艇中心分部水下爆炸研究的工作报告中提出，甲板上处于甲板频率和基座频率之间的共振环境是非常有害的[28]，这说明在设计基座时需考虑到基座与甲板之间的频率。

国内的相关标准中也有对基座抗冲击的规定。在我国的舰船环境条件要求中，对基座的抗冲击等级及基座动力学分析作出了相关规定。基座的抗冲击等级与被支承设备相同，设备的抗冲击等级按设备对舰船安全和连续作战能力的重要性分为A级、B级和C级。在设计要求中规定A级和B级设备的基座，凡尚未与被安装的设备(或所模拟的设备)一起进行冲击试验，均应按动态设计使之符合冲击标准的规定，这一点与美国《舰船通用规范》中的规定是一致的。在冲击试验要求中规定冲击试验时，被支承的设备应按舰上安装的方式固定在基座上，基座不应因冲击而造成危害，其变形也不应影响A级设备的性能。基座的设计应首先按满足正常工作要求进行，然后从冲击角度检验。若检验中基座存在过大的局部应力，一般只要重新设计应力过大的区域，以满足冲击应力的要求。重新设计的构件的冲击可大于许用应力的75%，但不大于100%。

4 基座抗冲击计算方法

目前基座抗冲击计算方法可以归纳为3种：静g法；时域分析法；谱分析法。

4.1 静g法

1961年，Buships提出了设备冲击设计的“冲击因数法”(Shock Design Number)，也称静g法，它用设备的重量与冲击因数的乘积表示设备的冲击载荷。

静g法是将动载荷等价为一定倍数的静载荷，用静态的方法进行强度校核。在具体应用中，将基座及设备的总重量乘以冲击设计因数(取决于总重量和负载方向)，产生一个作用于基座和设备重心的垂向(或横向、纵向)力，此力即为与动载荷等价的静载荷。

看着孔明灯一般乘大风飞浮出去的棋盘，子虚乌有二老顺势跃下榆树，飘落在树下的雪地上，携手离去。被惊扰大半夜的鸦鹊，也总算松了一口气。

静g法优点在于简单易行，但仅能得到基座最大受力情况的应力和变形结果。该方法未考虑基座的高阶响应与一阶响应的差异，实际上只校核了一阶响应的强度，这样当一阶响应是基座的主要破坏因素时，采用静g法能反映真实情况，当高阶破坏是基座的主要破坏因素时，此法不合适。

4.2 时域分析法

时域分析法是规定基座承受某一冲击的时间信号，该信号由压力、速度或加速度作为时间函数所定义。将其作为冲击输入，计算基座的冲击响应。

时域分析法可以分别用于基座受到基础激励—时间历程的冲击输入，或基座直接受到水下爆炸冲击动压力—时间历程的冲击输入。其中，基础激励—时间历程的冲击输入有2类：BV043/73中规定的半正弦波、三角波或梯形波；BV043/85中规定的双峰半正弦波、双三角波。冲击动压力—时间历程的冲击输入即为整船水下爆炸冲击直接计算法。对于船体基座而言，通常定义基础加速度作为冲击输入。在缺乏相应的数据时，可取典型的冲击持续时间为5～10 ms，并根据需要采用适当的阻尼系数。

时域分析法优点在于可以得到基座每一时刻每一节点的应力及变形值，适用于基座抗冲击详细阶段的计算，缺点在于工作量较大。

4.3 谱分析法

谱分析法是将设计冲击谱作为基座的冲击输入，并对基座数学模型进行模态分析，对模态分析结果进行合成，从而求得基座的冲击响应。谱值包括相对位移、相对速度和绝对加速度值。

1932年，Biot在他的博士论文中首次提出了地震谱的概念。1942年，美国海军研究的机械装置可以直接记录瞬态运动的冲击谱。1948年，地震谱的概念被引入到设备冲击领域。在结构动力响应的理论研究和舰船水下爆炸试验的基础上，美国海军研究所的Belsheim和O′Hara在1961年提出了基于冲击谱的动态设计分析方法(DDAM)。随着美国海军实施的一系列水下爆炸试验，在对结果进行分析的基础上发展了该设计冲击谱，DDAM使用该设计冲击谱。设计冲击谱曲线对加速度和速度进行限定，并随舰艇类型、设备安装位置以及设备各阶模态的模态质量的不同而不同。DDAM可以分析高阶的破坏模式，可以得到每一时刻每一节点的应力及变形值，但它有一定的局限性，只能分析设备结构的线弹性破坏。

同时，由于BuShips提出的设备冲击设计的静g法用于冲击设计时有较大的误差，为了克服这一方法的缺点，提出了“初始速度谱法”(Starting Velocity Spectrum)[29]，即在动态分析时采用相同的速度谱。但这一方法也有不足，就是频率越高，冲击输入也越高，同时加速度没有限值。因此，就提出了带有加速度限值的设计冲击谱。1973年，德国海军军标BV043/73中规定，在低中频段为等速度谱和在高频段为等加速度谱。进而，设计谱速度被设定为随设备的重量而变化。这一概念被进一步完善之后就得到随设备重量变化的具有限值的设计加速度，即在BV043/85中规定的三折线谱：在低频下冲击谱认为是等位移谱，中频下冲击谱认为是等速度谱，高频下冲击谱认为是等加速度谱。

谱分析法较时域分析法方便，但仅能得到基座最大受力情况的应力和变形结果，可适用于基座抗冲击详细阶段的计算。

5 基座抗冲击研究的关键问题

对基座进行抗冲击计算分析，一般是采用数值仿真的方法。通过收集和消化吸收国外抗爆抗冲击标准、规范和相关资料，开展实船爆炸综合试验研究，进行相当数量模型冲击试验，以便积累数据，考核计算方法。目前基座抗冲击分析研究中需要考虑的关键问题如下：

1) 如何构造合理的有限元模型描述冲击响应中的实际基座与船体结构

基座是设备连接船体的关键结构，单独研究基座需要将船体和设备作用到基座上的各种复杂的力以及边界条件分别给出，而且基座受力及边界条件随工况的不同而不同。为了更真实地反映基座在舰船上的真实受力情况，需要将基座纳入设备、基座与船体结构一体化当中来研究基座抗冲击设计。因此，必须确定合理的技术途径来妥善处理外部冲击环境、舰体结构、基座结构和舰载设备之间的关系。文献[30]曾对某设备基座加船体结构和不加船体结构的受力情况分别进行了分析，结论是在设计基座时仅仅考察基座本身的强度或刚度问题往往并不能反映真实的情况。

2) 强度考核指标

在正常情况下，由冲击载荷产生的应力不应超过静态屈服极限，只有在基座的有限塑性变形不损害设备功能时，理论上的应力才可以超越静态屈服极限。许用应力与基座冲击等级、安装位置、有无定位要求、许用变形及输入类型(弹性或弹塑性)等相关。目前，一般是根据国内外的相关文献资料及材料的动屈服极限等来确定基座的抗冲击许用应力及强度准则。基座的强度准则还需进一步研究确定。

3) 基座抗冲击试验

无论是水面舰艇还是潜艇，其关键设备和基座均应进行冲击试验。舰船水下爆炸试验STT是验证在战争冲击环境下，舰艇及其系统抗冲击能力的最佳途径，其具有很高的精确度和可靠性，但由于水下爆炸试验成本昂贵，使得进行冲击试验的次数较少，应有针对性地对基座进行冲击试验。

4) 基座结构形式对抗冲击性能的影响及基座结构优化

船体基座可以根据基座选材、设备安装方向、基座位置、设备安装方式、基座形状来分类。这些不同类型的基座对抗冲击性能的影响需要进行深入的研究。结构优化设计可以根据设计变量的类型分为不同的层次。目前，有尺寸优化、形状优化和拓扑优化3个层次[31]。在船体基座结构中，需要根据基座强度要求、刚度要求、抗冲击要求等，对基座进行优化设计。

5) 基座抗冲击设计规范标准

目前在基座抗冲击设计中，尚无设计准则也没有形成设计规范，需建立1套适用的基座抗冲击设计规范。

6) 设计新型的抗冲击型基座

以往的基座设计一般重点考虑强度刚度及振动要求，对抗冲击要求往往不重视，故需要对基座的结构形式进行研究，以找出能满足抗冲击性能的结构形式。

6 结 语

船体基座抗冲击研究是舰船抗冲击研究的一项重要内容，通过对基座抗冲击理论研究、计算方法研究和数值仿真研究等，形成基座抗冲击设计方法及标准，最终达到提高基座抗冲击性能并指导基座抗冲击设计的目的。本文仅对基座抗冲击的研究现状进行了阐述，提出了基座抗冲击研究需考虑的关键问题，给出了今后基座抗冲击研究的方向。

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