舰船机械设备冲击隔离技术研究进展

第１０卷第１期船舶力学Ｖｏｌ．１０Ｎｏ．１２００６年２月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｉｐＭｅｃｈａｎｉｃｓＦｅｂ．２００６文章编号：１００７－７２９４（２００６）０１－０１３５－１０舰船机械设备冲击隔离技术研究进展江国和１，２，沈荣瀛１，华宏星１，吴广明１（１上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室，上海２０００３０；２江苏科技大学振动噪声研究所，江苏镇江２１２００３）摘要：本文回顾了舰船设备冲击隔离技术的研究历史，综述了该领域的研究现状，主要包括理论分析方法和试验研究方法，如经验公式方法、动力分析方法、有限元方法、冲击响应谱（ＳＲＳ）法、动力设计分析方法（ＤＤＡＭ）、冲击隔离优化设计等。

关键词：舰船设备；冲击隔离；冲击响应；冲击响应谱；有限元方法中图分类号：Ｕ６６１．４４Ｏ３８３文献标识码：ＡＡｄｖａｎｃｅｓｉｎｓｔｕｄｙｏｎｓｈｏｃｋｉｓｏｌａｔｉｏｎｏｆｎａｖａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔＪＩＡＮＧＧｕｏ－ｈｅ１，２，ＳＨＥＮＲｏｎｇ－ｙｉｎｇ１，ＨＵＡＨｏｎｇ－ｘｉｎｇ１，ＷＵＧｕａｎｇ－ｍｉｎｇ１（１ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂ．ｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎ，Ｓｈｏｃｋ＆Ｎｏｉｓｅ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００３０，Ｃｈｉｎａ；２Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ＆ＮｏｉｓｅＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ２１２００３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｉｎｔｏｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｓｈｏｃｋｉｓｏｌａｔｉｏｎｏｆｎａｖａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｓｒｅｖｉｅｗｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅ－ｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｔｉｃａｌａｐｐｒｏａｃｈａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｍｅｔｈｏｄｓ，ｆｏｒｅｘａｍｐｌｅ，ｅｍｐｉｒｉｃｉｓｔａｐｐｒｏａｃｈ，ｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓａｐｐｒｏａｃｈ，ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ），ＳｈｏｃｋＲｅｓｐｏｎｓｅＳｐｅｃｔｒｕｍ（ＳＲＳ），ＤｙｎａｍｉｃＤｅｓｉｇｎＡｎａｌｙｓｉｓＭｅｔｈｏｄ（ＤＤＡＭ），ｏｐｔｉｍａｌｓｈｏｃｋｉｓｏｌａｔｉｏｎ，ｅｔｃ．Ｔｈｉｓｓｕｒｖｅｙｃｏｖｅｒｓｔｈｅｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｆｒｏｍｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｓｔｕｄｉｅｓｔｏｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎａｖａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｓｈｏｃｋｉｓｏｌａｔｉｏｎ；ｓｈｏｃｋｒｅｓｐｏｎｓｅ；ｓｈｏｃｋｒｅｓｐｏｎｓｅｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ１引言舰艇在其服役期内不可避免地会面临冲击环境问题［１］，其冲击源主要有接触性爆炸，如遭受导弹、激光炸弹的直接攻击；水中非接触性爆炸，如遭受声纳鱼雷爆炸的冲击；以及自身武器发射时反冲击造成的冲击。

这些冲击会造成舰体损伤及设备损伤和破坏。

随着水中兵器的发展，水中爆炸所形成的爆炸当量、冲击持续时间均明显增加，而且命中率也有了提高，对舰艇及设备的威胁更为严重。

而众多的海上战例及实船水下爆炸冲击试验结果表明，海军战斗舰艇在水下爆炸环境中所显示出的突出薄弱环节，是舰艇上许多重要设备及装置的抗冲击性能过差［２］，因此舰艇机械设备的抗冲击性能对于舰艇的生命力和战斗力有着非常重要的影响。

世界各国海军都非常重视舰艇机械设备的抗冲击性能。

美国军标规定：重量小于、等于４０００００磅的设备，或重量小于此的装在一个共用底盘座上的成套设备均应在冲击试验机上进行冲击试验。

对于收稿日期：２００５－０９－２６作者简介：江国和（１９６３－），男，上海交通大学博士研究生，江苏科技大学副研究员。

１３６船舶力学第１０卷第１期重量超过４０００００磅的系统和设备，或当实验室的条件（如尺寸等）不允许对某一系统和设备进行冲击试验时，则应进行抗冲击动力学分析。

此外，美国海军还规定：每型首制舰在建成后均须做水下爆炸试验。

相比之下，我国舰船系统和设备的抗冲击性能的研究、试验还处于发展阶段。

近年来，我国海军已开始重视抗冲击性能问题。

国军际ＧＪＢ１５０《军用设备环境试验方法》中规定：重量不超过１３．４吨的系统和设备均应进行冲击试验。

超过此重量的，则应进行抗冲击动力学分析［３］。

随着科学技术和现代工业的发展，人们所遇到的冲击问题越来越多，冲击的能量也越来越大，冲击控制、冲击隔离问题也越来越引起人们的关注和重视。

冲击隔离技术的研究，抗冲击元件的开发，既有非常重要的现实意义，又有非常广泛的应用背景。

下面分别从国内、外两方面对舰艇机械设备的抗冲击研究历史和最近进展进行综述。

２国外研究的历史与现状水下爆炸对船舶及其设备的冲击作用的研究开始于１９世纪，例如，美国海军早在１８６０年就进行过船体抗爆试验［４］。

１８７４年８月４日，在英格兰靠近Ｐｏｒｔｓｍｏｕｔｈ的Ｓｔｏｋｅ海湾进行了第一次全面的水下爆炸试验，试验的报告表明，尽管船体遭到了相当严重的破坏，Ｏｂｅｒｏｎ的壳体平面仍然没有破裂，同时也纪录下了典型的非接触水下爆炸对船体内部的损坏［５，６］。

最初的研究注重于增加船体的强度，但在１９１４－１９１８年的第一次世界大战期间，人们注意到自身武器发射时反冲力造成的冲击破坏。

因此，在第一次世界大战之后和第二次世界大战初期，已经认识到必须增强船舶动力装置及其他重要系统的抗冲击能力。

在船体的损伤并不严重的情况下，水下非接触爆炸也会造成设备的冲击损伤［７］。

技术人员为了解决这类冲击损伤的问题，开始研究冲击响应和冲击隔离问题。

二战期间，更为猛烈的炮火和改进的武器传输系统，对靠近水下爆炸的战舰造成了更加严重的破坏。

美国在此期间共丧失了４７艘主战舰和４２艘潜艇［５］。

从那时起，美国海军意识到了要提高战舰的生命力，不仅要改进结构的设计，而且尤其应当改进舰艇装备和机械设备对水下冲击所产生的严酷的动态效应抵抗能力。

第二次世界大战刚结束，美国便在太平洋比基尼群岛对从日本浮获的大量舰船进行了一系列爆炸冲击试验和相应的理论研究［９，１０］。

１９４３年美国海军舰船建造局（ＴｈｅＢｕｒｅａｕｏｆＳｈｉｐｓ）组织专题研讨会，研究包括战列舰、巡洋舰、驱逐舰、潜艇和扫雷艇等在内的舰载电器设备和机械设备冲击破坏。

在这次研讨会上，ＣｈａｒｌｅｓＥ．Ｃｒｅｄｅ（冲击和振动手册两位编者之一），阐述了英国和美国进行的舰船冲击试验情况。

美国海军舰船建造局的Ｗ．Ｐ．Ｗｅｌｃｈ作了冲击设计的报告（ＤｅｓｉｇｎｉｎｇｆｏｒＳｈｏｃｋ），并且进行了系统的理论研究。

美国海军自１９４３年开始正式召开第一届冲击和振动研讨会（ＳｈｏｃｋａｎｄＶｉｂｒａｔｉｏｎＳｙｍｐｏｓｉｕｍ），并从１９４９年９月第１３届起美国国防部成为这一研讨会的主要资助者。

在文献［１］，［８］中提到冲击研究方面的几位著名的人物，他们的工作具有奠基性的重要作用，如Ｗ．Ｐ．Ｗｅｌｃｈ，Ｒ．Ｌ．Ｂｏｒｔ，ＳａｌＧｉａｎｎｏｃｃｏｌｏ和Ｐ．Ｂ．Ｗｉｓｈａｒｔ［９－１１］。

１９６１年，ＢｕＳｈｉｐｓ提出了设备冲击设计的冲击因子法“ＳｈｏｃｋＤｅｓｉｇｎＮｕｍｂｅｒ”（也称过载系数法Ｇ－ｌｏａｄ），它用设备的重量与冲击因子的乘积表示设备的冲击载荷。

它是一种静态的方法，用于冲击设计时会给出错误的结论。

为了克服这一方法的缺点，提出了初始速度谱法（ＳｔａｒｔｉｎｇＶｅｌｏｃｉｔｙＳｐｅｃｔｒｕｍ），即在动态分析时采用相同的速度谱。

但这一方法也有不足，那就是频率越高，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。

进而，谱速度和谱加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的重量而变化的具有限值的设计加速度。

这种冲击设计谱就是舰船动力设计分析方法（ＤｙｎａｍｉｃＤｅｓｉｇｎＡｎａｌｙｓｉｓＭｅｔｈｏｄ，ＤＤＡＭ）所用的输入谱［１２］。

第１期江国和等：舰船机械设备冲击隔离技术研究进展１３７从５０－８０年代，在设计技术、建造方法以及材料的选取等方面获得的提高使舰艇的生命力得到了前所未有的增强。

ＭＩＬ－Ｓ－９０１发展了起来并得到完善［１３，１４］，美国海军所有至关重要的舰艇装备必须通过轻型、中型或重型冲击测试，以保证在海战中可以保持战斗力。

对于过大的装备，引进了ＬＦＳＰ和ＳＳＴＶ进行测试。

通过大量的冲击试验和采用有效的分析方法，美国发展了世界上最有战斗生命力的舰队。

原联邦德国的舰艇抗冲击设计采用的标准为ＢＶ０４３／８５［１５］，这是在８２年英国与阿根廷马岛海战以后，由欧洲多个国家参加制定的海军舰艇建造规范的新标准。

它把冲击波形和冲击强度作了很大的提高，据国外资料分析，８５标准把冲击波形由单峰改成为双峰，冲击作用时间加大，对冲击隔振器最大拉伸变形的要求提高到５５～６５ｍｍ［１］。

机械设备的冲击隔离，实际上就是将瞬态的、强烈的冲击波—急剧的能量释放先以位能形式最大限度地储存于冲击隔离器中，隔离器产生极大的变形；然后，按照隔离系统本身的特性，以系统的振动周期（或较低的振动频率），以缓和的形式，将隔离器中的能量较慢地释放出来，作用于机械设备，从而达到保护设备的作用。

舰船机械设备冲击隔离分析方法有很多，可以归纳为二类：试验方法和理论分析方法。

最初是采用试验方法，但随着计算机的出现，性能不断提高，分析工具和软件的不断完善，现在大多数设备是采用理论分析方法来进行设计，并利用冲击试验来进行校核。

（１）理论分析方法机械设备冲击隔离的理论分析方法主要可以归纳为以下几种：经验公式方法、动力分析方法、有限元方法、冲击响应谱（ＳＲＳ）法、动力设计分析方法（ＤＤＡＭ）、冲击隔离优化设计等。

Ａ．经验公式方法根据大量的试验、统计、分析，得出简要的经验公式，其中包括：冲击因子法（又称过载系数法），计算设计速度、极限加速度法。

经验公式法简便、实用，对结构简单的设备具有一定可靠性。

虽然它不够严密，但在方案设计时可以采用。

Ｂ．动力分析方法机械设备按着质量、弹簧、阻尼系统模型化，根据动力学原理建立运动方程式，进行系统激励和响应计算，根据冲击的性质，又可以分为：阶跃速度法、规则形冲击计算和不规则形冲击计算（包括Ｄｕｈａｍｅｌ积分近似计算和相平面图解法等）。

这种分析方法，一般适合于单自由度系统的冲击响应分析［１６－２０］。

Ｃ．冲击响应谱法冲击响应谱法（ＳＲＳ）是由Ｂｉｏｔ在１９３０年发展的对冲击响应进行分析的方法［２１］。

冲击谱定义为无阻尼单自由度系统对作用在它上面的冲击激励的最大加速度响应，近似地表示为系统的固有频率的函数。

利用冲击谱，在最大脉冲加速度和最大响应加速度给定的情况下，可以得到系统的固有频率。

冲击谱分析方法成功地应用于单自由度系统的冲击试验和冲击隔离结构设计中，得到了普遍的重视。