舰船电子设备抗强冲击设计探讨*

张遵鸥，沈巍巍

(中国电子科技集团公司第三十六研究所， 浙江 嘉兴 314033)

舰船电子设备抗强冲击设计探讨*

张遵鸥，沈巍巍

(中国电子科技集团公司第三十六研究所， 浙江 嘉兴 314033)

文中论述了舰船电子设备抗强冲击能力要求,根据抗冲击考核要求，提出了用于舰船电子设备抗强冲击仿真分析的加载条件，并对现有抗强冲击设计方法进行了分析比较。应用ANSYS Workbench有限元软件对某舰船电子设备机柜进行了仿真并对仿真结果进行了分析，冲击载荷输入采用了将频域冲击谱曲线转换为时域加速度时间历程曲线的转换方法。时域模拟法可考虑各种非线性因素对设备的影响，虽然现阶段还存在一些问题，但可为抗强冲击设计研究提供参考。

电子设备；抗强冲击设计；仿真；冲击载荷

引 言

舰船在作战中会遭受到非接触爆炸等引起的高强度冲击(以下简称强冲击), 舰船系统及设备的抗强冲击性能关系到舰船的战斗力、生命力，已成为舰船十分重要的战术技术指标。随着先进武器装备的攻击杀伤力的大幅度提高，从实战的要求出发，舰载设备的抗冲击能力越来越受到关注。

在严酷的冲击环境下，随着冲击载荷的增大，部分电子设备的位移及加速度响应会损坏设备或降低其可靠性。作为舰船生命力的重要组成部分，舰艇电子设备的抗冲击能力一旦受损，舰艇的战斗力就会被减弱。因此对舰船电子设备抗强冲击能力的研究是提高舰艇生命力的一个重要课题，对提高舰艇的连续作战能力有很大的帮助，具有现实意义和应用价值。

我国在舰船电子设备抗冲击研究方面投入的物力、人力、财力都相当有限，专业研究队伍人数和力量比较单薄，缺乏全面的试验数据库，与西方强国相比，无论是理论研究还是试验研究都有较大差距。当前普遍采用有限元软件进行仿真分析，结合冲击试验进行校核，这为舰船电子设备抗冲击的研究提供了一种有效的方法。

1 舰船电子设备抗冲击能力要求

舰船电子设备抗冲击能力要求一般由国军标或舰总体要求确定。我国国军标GJB l060.1中规定了一种适合于频域计算的冲击加速度和速度公式以及与质量和频率有关的详细设计、校核方法[1]。

舰船电子设备抗冲击考核试验按GJB 150.18试验第10条要求[2]进行。轻量级设备(小于200 kg)在垂向、背向、侧向3个互相垂直的轴向方向各进行3次，共计9次冲击；中量级设备(0.12～2.7 t)分3组，每组2次，共6次冲击。

在我国设备冲击环境标准GJB l50.18中没有可用于计算和测量的量值。各主要海军国家设备抗冲击标准之比较[3]表明，美国和我国的标准轻型冲击机和中型冲击机砧台的冲击谱一样(如图1所示): 标准轻型冲击机3个方向上的冲击载荷都差不多，只有一根冲击谱线，最大谱位移为4 cm，最大谱速度为4.6 m/s，最大谱加速度为2000g; 中重量设备(120kg

图1 标准轻型冲击机和中型冲击机砧台冲击谱

从图1中的数据看抗冲击能力要求，国军标GJB l060.1和GJB l50.18抗冲击设计考核要求是不一致的，从量值看，GJB l50.18抗冲击考核要求大于国军标GJB l060.1抗冲击考核要求。故采用GJB l50.18抗冲击考核要求量值作为舰船电子设备抗冲击能力设计要求更合适。随着测试设备的完善，也可采用实测的时间历程曲线作为设计要求。

2 抗冲击设计计算方法

电子设备冲击是因受到瞬态激励，其力、位移、速度或加速度发生突变的现象。冲击作用产生的是瞬态运动，激振频谱为非周期性连续函数，具有作用时动能传递时间很短的特点。从理论角度分析，冲击响应就是系统受到短暂的脉冲、瞬态的非周期激励下的响应，其运动状态与冲击持续时间和设备的固有频率有关。如果在频域内表示冲击输入信号，则低频段主要是基础的位移激励，中频段主要是速度激励，高频段主要是加速度激励。

舰船设备的冲击理论研究、数学模型、计算方法及仿真研究在不断发展完善，对设备的抗冲击分析经历了静态等效法、动态设计分析法和时域模拟法3个阶段[4]。

2.1 静态等效法

静态等效法又称冲击设计因子方法，它是将动载荷等价为一定量的静载荷，用静态的方法进行强度校核。此方法只考虑了受冲击结构的质量效应，而没有考虑设备的高频响应与一阶低频响应的差异，实际上只校核了一阶低频响应的强度。当一阶响应为设备的主要破坏因素时，尚可采用等效静载法，但当高频破坏为设备的主要破坏因素时，就不宜采用等效静载法。

2.2 动态设计分析法

动态设计分析法(Dynamic Design Analysis Method，DDAM)基于动力分析理论，建立在模态分析理论的基础上，克服了等效静载法的不足，用于分析舰船设备结构的最大线性动态响应。我国国军标GJB l060.1采用该方法，设备的输入载荷是冲击谱。DDAM方法可以分析高阶的破坏模式，但仍有很大的局限性：只能分析线弹性安装设备或设备线弹性破坏，不能考虑冲击载荷在设备中的瞬态波动效应以及邻近设备和船体对冲击输入的影响。故对解决船体、大型构件及底座的抗冲击分析问题较合适，对存在很多非线性因素的舰船电子设备抗冲击分析不是特别合适。

2.3 时域模拟法

时域模拟法的重要特征是考虑各种非线性因素，对设备在时间域上进行瞬态分析。它可将实测的时间历程曲线或标准的基础输入时间历程曲线作为设备的输入载荷，对设备进行瞬态动态响应分析，可分析设备的非线性响应。相比之下, 该方法可提供更详细的结果、更精确的外部载荷，对分析设备的结构属性更灵活。例如设备的抗冲隔离系统往往采用减振器和限位器，柔性连接管线等构件存在复杂的接触关系，它们在冲击载荷作用下均表现为非线性特性，只有采用时域模拟法对其进行抗冲击计算分析才能得到准确的计算结果。随着试验检测设备的应用，将实测的时间历程曲线作为设备的输入载荷，在时域上对设备进行瞬态分析的工作方法的应用将会增加。目前虽然DDAM法仍被大多数国家作为舰船设备的主要设计方法，但时域模拟法正成为发展趋势。

因现阶段缺少相应的试验数据支持，时域模拟法的正确性还有待试验验证。如何使计算模型更接近真实物理模型，提高仿真计算的精度是难点和重点。本文采用时域模拟法，具体从实施方法上进行探讨。

3 机柜抗冲击设计仿真分析

机柜是舰船电子设备常用的结构件，对它进行分析计算具有普遍意义。本文采用ANSYS Workbench软件进行机柜抗冲击仿真分析，仿真分析需要建立分析模型、划分网格、设定载荷、进行计算和结果分析等。

由于现阶段减振器缺少相应的试验数据支持，不能对上述非线性构件及其冲击效应进行准确的模拟，故采用隔离系统(由机柜体和隔振器组成)的典型设计冲击谱曲线，对机柜体进行仿真分析。

3.1 建立模型

应用ANSYS Workbench有限元软件建立机柜的有限元物理模型，如图2所示，模型的建立采用三维模型导入法。材料及其强度见表1。

图2 仿真模型

材料名称材料强度σ/MPa备注防锈铝板5A05255结构件锻铝2A50350机柜接头

3.2 冲击载荷的计算

冲击载荷输入可采用实测时间历程曲线或由等位移、等速度和等加速度3个曲线组成的标准设计冲击谱曲线。本次机柜仿真冲击谱值采用某系统要求的隔离系统典型设计冲击谱曲线,见表2。

表2 隔离系统冲击谱值

首先需要将频域冲击谱曲线转换为时域时间历程曲线。本文参照德国军标BV 043/85中的组合三角波法，利用简化方法将标准冲击响应谱转换为等效时域加速度曲线[5]，如图3所示。

图3 三角形变化历程

垂向冲击参数由以下关系式得到：

a2=0.6×a0=60g

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

垂向、横向三角形变化历程参数见表3。

表3 垂向、横向三角形变化历程参数

3.3 计算和结果分析

分析结果符合性判据为机柜接头处危险区域的冲击应力小于材料静屈服强度。分析结果为垂向冲击：机柜接头最大应力为145MPa，结构件最大应力为48MPa，如图4所示；横向冲击：机柜接头最大应力为78MPa，结构件最大应力为25MPa，如图5所示。

图4 垂向冲击应力

图5 横向冲击应力

分析表明：其机柜接头最大应力145 MPa小于接头材料静屈服强度，结构件最大应力48 MPa小于结构件材料静屈服强度，本机柜抗冲击设计能力能够满足系统要求。

4 结束语

本文对舰船设备抗冲击设计方法进行了深入探讨，对某舰载机柜抗冲击设计进行了软件仿真，论述了冲击输入的转换方法，进行了抗冲击计算分析。利用有限元软件仿真可得到机柜内部较为详细的应力场分布情况，进而对内部布局和结构设计的合理性进行评价，并在软件环境中调整内部结构设计布局以期得到更合理的应力场分布，并应用于结构优化设计。由于减振器缺少相应的试验数据支持，故本文没有对它进行仿真，其正确性有待试验验证。

[1] 海军装备论证研究中心标准规范研究室. GJB 1060.1—1991 舰船环境条件要求 机械环境[S]. 北京：国防科学技术工业委员会标准出版发行部, 1991.

[2] 海军装备论证研究中心标准规范研究室. GJB 150.18—1986 军用设备环境试验方法 冲击试验[S]. 北京：国防科学技术工业委员会标准出版发行部, 1986.

[3] 刘建湖，潘建强，何斌. 各主要海军国家设备抗冲击标准之比较[J]. 应用科技, 2010, 37 (9): 17-25.

[4] 汪玉，华宏星. 舰船现代冲击理论及应用[M]. 北京: 科学出版社, 2005.

[5] 姜涛，王伟力，黄雪峰，等. 舰艇抗冲击设计中正负三角波冲击谱分析与应用[J]. 海军航空工程学院学报, 2010, 25(2): 145-148.

张遵鸥(1963-)，男，高级工程师，主要从事电子设备结构设计工作。

沈巍巍(1984-)，男，工程师，主要从事电子设备结构设计工作。

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