多种破坏因素下舰船电力系统三维战损综合评估

董 红 程智斌

海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉 430033

多种破坏因素下舰船电力系统三维战损综合评估

董 红 程智斌

海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉 430033

分析武器攻击产生的4种主要破坏因素对设备的损伤机理，对船体和电力系统进行三维数字建模，采用Matlab编程进行蒙特卡罗模拟多种常规武器攻击。考虑多种破坏因素，提出武器多次命中时电力系统各部分损伤概率和损伤等级的计算方法。利用层次分析法确定权重，综合评估电力系统的损伤，提出电力系统的设计及防护建议。

破坏因素；电力系统；蒙特卡罗模拟；层次分析法

1 引言

现代舰船电气化、自动化水平越来越高，电力系统也达到至关重要的地位。电力系统与舰艇战斗力、防御力和生命力直接相关，它就像是经络和血脉，遍布全船，结构复杂，对电力系统进行全面细致的评估比较困难，但十分必要。

国内外学者对舰船电力系统生命力进行了诸多研究，主要包括损伤机理、评估方法等研究［1-3］，其中模糊评估法［4-6］近年来很流行。模糊评估法算法较先进，对于舰船电力系统的综合评估主要以一维和二维的方法来计算，并且一般只考虑武器的破坏半径或进水破坏一个因素，而本文将在三维条件下，考虑4种主要的破坏因素，对电力系统的战损率进行评估计算，结果更加详细也更加贴近实际。

2 破坏因素分析

现代战争中，水面舰艇受到的常规武器攻击主要有来自空中的导弹、炮弹和来自水中的鱼雷、水雷，爆炸类型又分为接触爆炸和非接触爆炸。无论哪种武器攻击和哪种爆炸类型，对舰船系统的破坏因素主要有4种：直接破坏、冲击振动破坏、火灾破坏和进水破坏。下面对这4种破坏因素分别进行分析。

2.1 直接破坏

爆炸破片损伤设备要同时具备2个条件：

1）至少有一个破片击中设备；

2）破片有足够能量穿过防护破坏设备元件。

一般来说破片损伤的设备，冲击波也破坏了设备，此处只考虑冲击波的破坏。冲击波破坏作用用3个参数来度量：波阵面压力（或超压ΔPm）；正压区作用时间t＋；比冲量，即正压区压力函数对时间的积分值。一般我们用超压来判断设备是否损坏。冲击波超压经验计算公式［9］：

式中，ω为TNT装药量，kg；R为装备距弹药装药中心的距离，m；

经试验统计，超压对电子电气类设备损伤阀值为 0.05～ 0.11 MPa；对舰船的损伤阀值为 0.07 ～0.085 MPa（严重破坏）和 0.028 ～0.043 MPa（轻微或中等破坏［10］）。

2.2 冲击振动破坏

接触爆炸和非接触爆炸都会产生冲击振动破坏，此处只考虑接触爆炸和水中非接触爆炸产生的冲击振动破坏。冲击振动破坏电力系统设备的方式：

1）振动或冲击幅值过大，超过允许的范围；

2）系统的固有频率与强迫振动频率相同或接近，系统产生共振现象，即使激励幅值不大，但响应值会大大超过激励幅值，极可能导致对产品的破坏；

3）振动试验的幅值虽然未超出允许范围，但由于循环次数过多，则会产生疲劳损伤。

为了便于进行分析计算，我们采用以下判据，对于某一确定武器，某处的冲击环境仅与该处爆炸点的距离和方位有关［9］：

设爆炸点坐标为（x0，y0，z0），某点处的坐标为（x1，y1，z1）， 则该点处接触爆炸冲击加速度的模型为：

式中，K为与装药量等因素有关的常数。

该点处非接触爆炸的冲击加速度的模型为：

式中，K′为与结构、武器相关的常数。我们通过判断设备能够承受的响应加速度Ai与冲击加速度的大小来判断设备是否损坏。一般认为电子电气设备能承受10 g的加速度。机械设备能够承受15 g的加速度，超过这两个范围就认为受到损坏。

2.3 火灾破坏

火灾破坏是武器接触爆炸所产生的后续威胁，由火灾形成和蔓延的机制可知，舰艇火灾与舰艇舱室可燃物的数量、可燃物的特性（燃点、闪点、燃烧速度）、舱室通风状态因素、消防系统的配置与效率、舰员消防训练的熟练程度、火灾现场指挥是否得当，以及火源等因素有关。将这些因素进行指标的归纳与量化，并根据广义指标体系非线性合成方法，形成一个新的指标，即舰艇舱室火灾危险度Poi。该指标用来衡量舰艇舱室火灾危险性的大小，指标值越大则舱室的火灾危险性越大，指标的取值范围为［0，1］。具体的火灾危险度的计算模型为［10］：

式中，k1为可燃物着火因子；k2为可燃物负荷密度因子；k3为可燃物燃烧速度因子；k4为舱室通风状态因子；k5为消防因子。

2.4 进水破坏

当武器直接命中舰船接触爆炸或近距离非接触爆炸时，会在舰体上形成破口，当炸点或破口延伸至水线以下时就会引起进水，破口过大无法堵漏时，被认为舱室内设备尤其是电气设备完全损坏失效。

普通炸药武器接触爆炸或近距离爆炸时，其对舰船的破坏作用，可按下面的经验公式计算出破坏半径Rb：

式中，ωT为 TNT装药当量，kg；K为舰船结构系数，一般可取其为 0.37 ～0.44。

普通炸药武器水中接触爆炸，对舰船的破坏半径 R 为［11］：式中，P0为爆炸点静水绝对压力，kg／cm2；H 为爆炸点处水深，m。

3 三维条件下概率计算方法步骤

在三维空间里进行损伤概率计算，区别与一维、二维的损伤概率，需要考虑到船体的三维尺寸、形状，以及舱室和设备的位置和大小，更贴近实际情况，但计算也更加复杂［13］。三维概率计算的关键在于如何确定空间炸点的分布问题，在这里我们采用蒙特卡罗模拟方法。

3.1 三维数字建模

获取舰船三维坐标数据，主要包括：船体表面数据、舱室分布数据（长、宽、高）、设备三维数据。由于船体是不规则几何体，我们采用有限元的思路，将船体表面分割成互相连接的小单元［8］。电气设备我们可以用一定大小的长方体表示，电缆用线表示。

3.2 武器威胁模拟

水中武器威胁模拟，我们考虑鱼雷的接触爆炸、水雷的非接触爆炸。

鱼雷炸点的模拟我们可以采取与水面武器接触爆炸同样的办法，不同之处在于炸点分布在水线以下部分船体表面。

由于水雷主要是非接触爆炸，炸点模拟我们采用舰船周围一定范围的水域进行模拟。为了方便模拟计算将水域近似为方形，大小与船体尺寸以及武器有效攻击范围有关，在方形区域内可以很方便地取得三维随机数进行蒙特卡罗模拟。

3.3 概率计算

模拟各种武器的炸点，根据上述四种破坏因素的判据来判断各个设备是否损坏，并进行统计。

1）进行N次单次命中攻击试验系统中第i个设备的损伤次数：

2）系统损伤概率计算。

进行系统损伤概率计算时，需要区分元件之间串联还是并联，以发电系统中的一个电站为例进行分析计算，如图1所示。

元件d1与d2并联组成柴油发电机组G，G和元件c3串联。元件d1、d2、c3损坏电站分别损失的功率占整个电站功率的百分比为：g1，g2，g3，简称为“功率比”。显然，g1+g2=g3。在一次攻击试验中，3个部件损坏的情况为 u1，u2，u3，ui=0 或 1（i=1，2，3）。并联元件d1、d2功率损失算法：

电站（混联元件）的功率损失算法：

分系统n功率损失计算公式：

式中，Kn表示分系统n（见第4节，本文将电力系统分成3个分系统进行计算）设备的数量；N是试验次数；uijk表示第j试验中设备i在第k种破坏因素下的破损情况；gi表示功率比。

系统损伤等级在这里通过功率损失大小来规定， 设置 4级损伤等级Q＝｛A，B，C，D｝；A 级损伤的功率损失75%～100%；B级损伤的功率损失50%～75%；C级损伤的功率损失25%～50%；D级损伤的功率损失0～25%。

3.4 计算机编程实现

基于Matlab软件的计算机模拟流程图，如图2所示。

4 实例计算分析

某舰船电力系统结构图如图3所示，该电力系统有前后两个电站，均能对全舰100%供电。两电站主配电板可以互为共用，主电缆分布在两舷水线以上靠近甲板处，对于重要用电设备采用双线供电。图中元件W表示电缆。

电力系统结构较复杂，本文将电力系统分成三个部分分别进行评估，避免相互之间的干扰，最后结合层次分析法进行综合评估。电力系统分为。发电系统、供电网络、用电载荷。

发电系统包括发电机、主配电板、连接电缆；供电网络包括主配电板到分配电板的连接电缆和分配电板；用电负荷包括分配电板到用电设备的连接电缆和用电设备。

4.1 层次分析法及加权平均计算

确定目标：电力系统损伤概率评价，记为A；评价因素：发电系统、供电网络、用电负荷，分别记为 u1，u2，u3∈U。 定义判断矩阵 P（又称 A－U 判断矩阵）：

式中，uij表示因素ui对uj的相对重要性数值，uij取1表示因素ui与uj同等重要；uij取3表示因素ui比uj稍微重要；uij取5表示因素ui比uj明显重要；uij取7表示因素 ui比 uj更加重要；uij取 9表示因素 ui比 uj极端重要；uij取 2、4、6、8 分别表示相邻判断［13］。 设

根据判断矩阵P求各评价因素重要性排序，即权数分配。利用和积法求得权系数：W＝（0.615，0.319，0.066）T。 加权平均计算电力系统损伤概率：

4.2 蒙特卡罗模拟计算

假设该舰艇在某海域执行任务受到威胁的武器主要有：250 k g TNT级导弹、400 k g TNT级鱼雷和500 k g TNT级水（锚）雷。设定以下几个假设。

1）每次命中之后认为舰船的浮态保持不变，忽略因破损造成的进水倾斜等浮态变化；

2）前一次攻击损坏的设备在后一次攻击中仍在破损范围之内的不重复记入损坏；

3）任意设备一旦损坏，就认为该设备的功率完全丧失；

4）每次攻击都认为是非接触爆炸或在船体表面的接触爆炸，不考虑武器在船体内部爆炸的情况。

对3种武器进行1～10次命中编程模拟试验各10 000次，部分计算结果如图4～图15。图中纵坐标为概率，横坐标为命中次数［14］。

5 结果分析及结论

由于篇幅限制，本文未列出全部计算结果，只完整地列出了导弹攻击时的计算结果。采用本方法我们可以很清楚直观地看到系统各个部分的受损情况，以及受损的原因，便于对电力系统进行评估分析。

1）随着武器命中次数的增加，系统发生A级损伤的概率越来越高，而其它各级损伤的概率是先增加后减小。在实际战争中，大型舰船被命中次数一般在1～3次之间，应当尽可能提高舰船在这个区间的生命力，让高等级损伤尽量少地出现，从结果看该舰电力系统生命力较高。

2）从结果图中可以看到冲击振动作用对系统的破坏很显著，尤其是受水下武器攻击时，它作用范围广。在低命中次数时，水下武器攻击更容易造成系统A级损伤，安装性能优良的减振器，提高设备的抗振性能，十分必要，能够大大降低电力系统的损毁概率。

3）主配电网络布置在两舷水线以上，生命力较高，它受到的威胁主要是水面武器导弹，主要损伤模式是直接破坏和火灾破坏。在布置电缆时可以在保持两舷电缆距离的同时将电缆移往中间，可以减少武器直接破坏的概率提高生命力。

4） 比较图 13、图 14、图15，电力系统在受鱼雷、水雷攻击时的损伤概率，比受导弹攻击要小很多，主要原因是鱼雷、水雷对供电网络的损伤较小，但是实际上电力系统的生命力并没有图14、图15中那么强大。因为其它设备再完好，发电系统损坏了，电力系统的功率损失也是100%。加权平均计算在此存在一定的局限性。

本文给出了三维条件下4种破坏因素作用的电力系统损伤概率的计算评估方法，进行了实例计算。本方法计算结果详尽细致，可以得出系统各部分的损伤概率以及破坏等级分布，便于对电力系统进行全面的评估，能够为电力系统的设计及防护提出合理意见。结合不同武器权重，还能接进行多种武器攻击下的系统战损评估。

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Three-Dimensional Assessm ent of Warship Electrical System Subjected to Multiple Dam age Factors

Dong Hong Cheng Zhi－bin
College of Naval Architecture and Power，Naval University of E ngineering，Wuhan 430033，China

The re are fourmajor factors affecting the shipboard equipmentwhich subjected to battle damages under shock load of weapon attack.This paper establish ed a three－dimensionalmodel of ship hull and electric al system.Using the Matlab software，a Monte－Carlo simulation of ship under multiple weapon attackswas carried out.Method for calculating the damage probability and damage level of various portion of electric al system was proposed taking into account themultiple damage factors.The damages to the warship electric al system were evaluated as the assessmentweights were confirmed by Hierarchical Analysis Process.Suggestions were also provided for designing and protection of the electric al system.

damag e factor； electric al system； Monte Carlo simulation； Analytical Hierarchy Process

U665.12

A

1673－3185（2010）04－66－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.04.015

2009－07-16

董 红（1983－），男，硕士研究生。研究方向：船舶动力及热力系统的科学管理。E-mail：wwh119＠163.com

程智斌（1960－），男，副教授。研究方向：舰船生命力及战场抢修