舰船冲击防护理论及应用(上册)

第1章 绪论 1.1 舰船及其机电设备抗冲击研究的意义 1.1.1 机械冲击和水下爆炸冲击的特点 冲击是指一个系统在相当短的时间内(通常以毫秒计)，受到瞬态激励，其位移、速度或加速度发生突然变化的物理现象。在日常生活和工作中，可能遇到大量的冲击问题。例如，手锤敲打钉子，物体跌落触地，车辆的颠簸、碰撞，舰船遭受水中兵器的攻击而引起的爆炸，飞机的着陆，火炮及导弹的发射等都伴随着冲击现象。机械冲击的特点是冲击持续时间非常短暂，冲击能量输入、转换和传递的时间很短，冲击激励函数不呈现周期性，系统产生的运动为瞬态运动。设计中，人们主要关注响应*大值是否超过设计限制，若超限，则需采取抗冲隔振措施，将响应值降至冲击响应设计值以下。在理论上，经典的冲击动力学将冲击输入简化为??函数。在实际应用中，由于冲击输入都有一定的持续时间，通常将冲击输入在时域上简化为方波、半正弦波、三角波、锯齿波等不同形式的简单冲击波形求解*大响应。 舰船受到水下爆炸冲击时，舰船设备相比较舰船船体更容易受到损伤。在舰船设备抗冲击研究早期，20世纪50年代，冲击输入通常简化为船体的速度突变，冲击响应特征由安装在船体基座上的设备动量和动量矩的突变表征。因此，在水下非接触爆炸中，通过舰船外壳传递至设备基座的载荷，可以用方波、半正弦波、三角波、锯齿波等具有不同加速度峰值和脉宽的简单冲击波形围成的面积，即速度增量表述。在抗冲击设计方面，通常利用不同固有频率的单自由度系统，在不同峰值和脉宽的冲击波作用下的*大响应作为设计依据。在频域上，*大响应表现为速度-加速度二折线冲击谱，与一般的机械冲击没有本质差别。 经历了近三十年的发展，尤其是马岛战争后，人们渐渐认识到，远场和近场水下爆炸给予舰船设备的冲击载荷，用简单冲击波描述是不够的。在流固耦合界面上的总压力不仅由炸药和流体环境引起的主冲击波压力、滞后流压力、气泡脉动压力、片空化溃灭辐射压力、静水压力等构成，还包含由结构响应与冲击输入之间的流固耦合效应产生的反射波压力、稀疏波压力、局部空化溃灭辐射压力等。虽然载荷类型多、时间跨度大、流固耦合强、传递途径复杂，但是计算和试验表明，传递到设备基座的载荷以及设备的响应*终在频域上表现为位移-速度-加速度三折线冲击谱。三折线冲击谱已不能用单一的简单冲击波形获得，而是要用各种波形的组合才能得到。这是水下爆炸冲击和一般机械冲击的不同之处。这部分内容在本章后面再详细论述。 1.1.2 舰船及其机电设备冲击特点及抗冲击研究意义 海战中，舰船遭受的主要冲击源有：①接触性爆炸，如遭受导弹、激光炸弹直接攻击，造成船体损伤及舰船机电设备损伤；②水中非接触性爆炸，如遭受鱼雷、水雷爆炸的冲击，主要破坏舰载机电设备；③自身武器发射时反冲击造成的冲击，由炸弹在空中爆炸或自身武器发射产生的气浪，也会影响舰载机电设备的正常运转。本书主要关心的是水中非接触爆炸对舰船、设备及人员产生的冲击。 水中非接触爆炸具有冲击的一般性。鱼雷、水雷等在水下爆炸时，瞬间产生高温高压的气体产物，其压力瞬间可以达到10GPa以上，形成水中冲击波的波前，以数倍于声速的速度沿径向传播，并大致按指数规律衰减，这部分载荷称为主冲击波。实测数据表明，在靠近船壳测得的压力近似是一个阶跃信号，在*大值和下降到峰值1/3的时间内，可以认为按指数规律下降[1，2]。因此，在非接触爆炸下舰船湿表面冲击环境的特征可以描述为：在相当短(与舰船总体振动特性和设备弹性支承系统的固有振动周期相比)的时间内，作用在舰船湿表面的一个突然的扰动(冲击压力)。对设备和人员来说，若把甲板或机座等当作基础，这个扰动传递到基础形成速度突变，这就是水中非接触爆炸冲击的一般性。美国海军舰船建造局的Welch在其著名的专题报告(Navyships 250-660-30)中指出，实际的舰船冲击可以视为一个等速度冲击，至少在刚开始的0.015s内是这样的，并**次提出利用阶跃速度法进行冲击隔离设计的计算方法[3]。美国海军泰勒船模实验室冲击部主任Bort提出了舰船冲击运动的计算公式[4]。美国旧金山海军造船厂的造船工程师Giannoccolo自1963年以来曾对美国弹道导弹(核)潜艇(submarine ship ballistic missile(nuclear)，SSB(N))级核潜艇及DLG16～24级各型舰船上的主要设备进行冲击试验，并提出专门报告，给出了舰船机电设备冲击速度的大致范围，很有参考价值[5]。 在远距离爆炸时，作用在船体上的压力虽不至于破坏船体结构，但是船体运动速度的突变产生的加速度却可能破坏舰载设备，造成人员伤亡，就如同汽车突然刹车使乘客受伤一样。在近距离爆炸时，压力可能大到足以破坏船体局部结构。对于非接触水下爆炸问题，设备和人员的安全问题更为重要，通常造成的破坏主要有：①结构件应力过大引起永久变形、松脱或断裂(这经常出现在机械设备的支脚处、连接焊接处)，造成结构件强度破坏；②设备与设备、设备与结构之间的相对运动引起碰撞、挤压，造成设备或结构的损害与破坏，如严重的蒸汽泄漏、电路短路、设备或构件的坠落等；③机械系统原有作用力的平衡遭到破坏，使设备性能变坏或机械系统功能破坏；④冲击对人体造成危害，冲击波通过超压和动压使人体器官、骨架受到损伤。 水下非接触爆炸冲击具有特殊性，即水下爆炸不仅产生冲击波。炸药产生的气体压力迫使周围水质点做径向运动，称为滞后流。同时，爆轰产物会迅速向外膨胀，形成气泡。当气泡膨胀到压力等于静水压后，因为惯性作用继续向外膨胀直至*大体积，此时气泡内部的压力约为静水压的1/10～1/5，而后由于外界压力的作用使气泡收缩。同样由于惯性的作用，在气泡内压力达到静水压时仍继续收缩，直到*小体积时又开始膨胀，同时产生一个压力波，如此反复膨胀、收缩，形成气泡脉动，在脉动过程中，气泡逐渐上升，*后脱离水面。冲击波在较大频率范围内都具有很大的能量，可以激发船体及设备几乎所有的模态。虽然相比较主冲击波，气泡脉动的频率较低，但是当气泡脉动的频率和船体或某些设备的固有频率接近时，也会造成严重的危害，轻者使得机电设备功能失效，重者导致舰船断裂沉没。 舰船抗水下非接触爆炸的能力直接关系到舰船的生命力。舰船的生命力评估主要包括四大能力，分别为：①敏感性(susceptibility)，即避免被攻击的能力；②易损性(vulnerability)，即承受攻击的能力；③生存能力(survivability)，其概率是susceptibility和vulnerability的乘积；④可恢复性(recoverability)，即恢复战斗的能力。现代战争是高科技的战争，舰船装备了为数众多的复杂电子设备，尤其是在电子信息领域引进了作战系统和电子战系统、电子导航系统等，对环境要求更苛刻。但是随着导弹、激光炸弹和水中兵器的发展，爆炸当量和冲击持续时间明显增加，三向冲击载荷随之增大，大部分电子设备的位移及加速度响应会严重超标，从而使其运行可靠性大为降低。因此，整船生命力的要求必须以作战为定向，其性能指标与战斗力指标处于同等重要的地位。目前公认的、由美国学者Pusey提出的23项舰船生命力组成指标中，有14项是舰船和设备的抗爆和抗冲性能及指标。正因为如此，舰船的抗冲击性能是其生命力的*核心内容、舰船的核心战技指标。本书讨论的舰船抗冲击问题，主要就是为以作战为定向的生命力研究提供有关的基础理论和计算方法。 舰船抗冲击技术是多学科、多领域交叉的技术：①水下非接触爆炸冲击环境预报方法、结构振动冲击理论和其他学科，如弹塑性理论、断裂力学理论、穿甲力学、流固耦合理论、结构力学、微分方程数值计算方法、高性能计算方法(有限元法、边界元法、无网格法)等的交叉；②水下非接触爆炸下的流体、结构、舰载设备等的一体化虚拟冲击实现技术研究中，冲击动力学和计算机仿真技术的交叉；③抗冲击新材料研究中和材料科学的交叉，冲击试验机研制中和现代机械机构设计理论的交叉；④冲击信号测试分析中和现代信号分析测试技术的交叉；⑤人员冲击防护技术和生物力学的交叉。因此，舰船抗冲击技术的深入研究也必然会推动其他各个学科的进一步发展。 1.2 舰船及其机电设备抗冲击研究的发展历史 舰船抗冲击研究的历史可以追溯到19世纪。美国海军早在1860年就开始进行船体抗爆试验，随后，英国海军于1874年8月在朴次茅斯(Portsmouth)的斯托克(Stoke)海湾进行了**次全面的水下爆炸试验。文献[6]非常详尽地阐述了舰船水下爆炸试验研究的完整历史，记录了自19世纪开始所有有影响力的水下爆炸试验。**次世界大战使参战各国海军认识到，水下爆炸不但能造成船体甲板的破坏，而且会造成机电设备的破坏、电路的开裂、主轴的变形等。此外，舰船经受了水下爆炸冲击以后，尽管有时可以保持其船体的水密性，但是由于机电设备遭受冲击后功能丧失，也会使舰船完全丧失战斗力。 **次世界大战期间，美国海军制作了冲击试验机，用来考核舰船机械和电气设备抵抗由自身武器发射时反冲力造成的冲击破坏的能力。在第二次世界大战初期，美国军舰由于舰上大炮发射时产生的冲击造成了舰载电气设备和机械设备出现大量故障，为了解决这类冲击损伤问题，人们开始研究冲击响应和冲击隔离问题。第二次世界大战期间，不断改进的武器的猛烈炮火以及水中兵器的水下爆炸造成了战舰的严重破坏，美国在此期间共丧失47艘主战舰和42艘潜艇[6]。美国海军意识到要提高战舰的生命力，不但要改进结构的设计，而且必须研究和提高舰载设备对水下爆炸冲击的抵抗能力。1943年美国海军舰船建造局组织专题研讨会，研究包括战列舰、巡洋舰、驱逐舰、潜艇和扫雷艇等舰载电气设备及机械设备的冲击破坏。在这次研讨会上，Crede阐述了英国和美国进行的舰船冲击试验的情况，美国海军舰船建造局的Welch做了冲击设计的报告。自1946年起，大规模的舰船机械设备抗冲击试验和冲击隔离设计的理论研究得以开展。 第二次世界大战结束后，美国海军在太平洋比基尼群岛对从日本俘获的大量舰船进行了一系列爆炸冲击试验，并且进行了系统的理论研究。美国海军自1947年起正式召开冲击和振动研讨会(Shock and Vibration Symposium)，每年举行1～2次，美国国防部从1949年9月即第十三届起成为这一研讨会的主要资助者，1989年11月14～16日由大卫 泰勒研究中心水下爆炸研究部召开了第六十届冲击和振动研讨会。此后每年举行一次，上百名代表参加，每届发表论文70～80篇，内容涉及冲击、碰撞、动态试验、水下爆炸及振动等。 在当代世界各国海军中，对舰船及其机电设备抗水下冲击研究水平*高的是美国，其次是澳大利亚、日本及其他北大西洋公约组织国家。美国海军在抗冲击方面采取了两项独具特色的强制措施：**是对舰船设备采用以试验为主、计算为辅的评估方法；第二是规定每艘新型舰船在交付使用前都必须进行实艇水下爆炸试验考核，考核不合格不能服役，必须重新进行抗爆抗冲击设计，直至合格。 美国海军强调用冲击试验考核舰船设备抗冲击能力，并作为舰船设备的验收标准。在美国军标MIL-STD-1399 Section 072第4部分“Shock Environment”中明确规定：但凡设备通过了冲击试验，满足了冲击环境要求，就表明它能承受未来海军实战的严酷条件。对于那些由于过重或过大而不能进行试验的设备，则要求通过理论模型确定其可承受的冲击载荷。 美国海军舰船建造局在大卫 泰勒结构力学实验室的协助下完成的研究报告认为，海军舰船结构对爆炸的抵抗能力已经有了很大提高，特别是潜艇，它的壳体从第二次世界大战结束至今有了很大的增强。但是舰载设备抵抗冲击的能力则相对薄弱。由于舰船设备，特别是复杂的推进、导航及武器系统电子设备的大量使用，而舰船又可能面临由核攻击和精确打击导致的新的冲击环境，因此必须采取相应措施：①在舰船机电设备设计时，必须提出抗