艦艇管路系統抗沖擊設計及性能分析

沈中祥，劉寅東，鄭婷婷

(1. 大連海事大學 交通運輸裝備與海洋工程學院，遼寧 大連 214082；2. 中國船舶重工集團公司，北京 100097)

艦艇管路系統抗沖擊設計及性能分析

沈中祥1，劉寅東1，鄭婷婷2

(1. 大連海事大學 交通運輸裝備與海洋工程學院，遼寧 大連 214082；2. 中國船舶重工集團公司，北京 100097)

針對艦艇管路系統傳統抗沖擊元器件的缺陷與不足，設計了新型的抗沖擊元器件，從結構上改進了普通元器件的約束方式，利用新型材料和新型彈性元件增強了抗沖擊效果。同時對艦艇管路系統進行抗沖擊性能分析，結果表明新型抗沖擊元器件對管路起到正常的約束和固定作用，在沖擊載荷作用下，能夠增強管路橫向、垂向的抗沖擊性能，有效降低套管及其約束管路處的應力，保護管路系統因局部應力過大而出現破損，可及時限制管路產生大的位移，保護管路不至于有較大的變形，具有較強的經濟性和適用性。

艦艇；管路系統；可調節；抗沖擊

0 引 言

艦艇管路系統作為艦艇的重要組成部分，主要用于輸送各種流體介質及其附屬部件，監測儀器，泵和閥門。在正常工作環境下，管路的支撐結構可以滿足其工作過程中固有的靜應力與熱變形要求，但是，除去剛性吊架等，大部分安裝于管路的彈簧抗沖擊裝置會偶然的爆炸、碰撞等強烈沖擊載荷，而發生大變形和破損，嚴重影響艦艇的安全服役。因此，針對艦艇管路系統的薄弱部位進行抗沖擊設計顯得尤為重要[1]。

1 艦艇管路系統抗沖擊評定標準

1.1 艦艇沖擊環境

一般而言，艦船的沖擊源有3種：1）接觸性爆炸，如遭受導彈、激光炸彈直接攻擊，造成艦船及設備的損傷；2）水中非接觸性爆炸，如受聲吶水雷爆炸的沖擊，主要破壞艦載設備；3）自身武器發射時反沖力造成的沖擊，也會影響到艦載設備的正常運轉。艦船沖擊環境的特征可以描述為：在相當的（和彈性支承系統固有振動周期相比）時間內，作用在系統上某一個突然的撓動，即沖擊，這個撓動可以是力，也可以是運動（位移、速度、加速度）。

沖擊的特點一般有4種：1）沖擊作用時，動能傳遞時間極短；2）沖擊作用時，其系統產生的運動為瞬態的，但是振動卻是穩態的；3）沖擊作用下，系統的固有頻率與沖擊作持續時間決定著系統的運動響應；4）系統對沖擊作用的響應（如位移，加速度或速度）在沖擊作用持續時間內稱為初始響應，作用結束后稱殘余響應。

1.2 艦艇管路系統沖擊評定標準

鑒于不能準確確定艦船在戰斗環境中可能遇到的沖擊環境，因此世界上大多數國家使用沖擊試驗方法來模擬。美國軍標明確規定：設備通過沖擊試驗即滿足沖擊環境要求，對于不能用沖擊試驗校核的設備可以由理論分析來完成。我國在 1986 年和 1991 年先后建立了沖擊軍用標準，對艦船管路系統的設計過程提出抗沖擊性要求，但本標準也參考了美國軍用標準的相關內容。設備在水下爆炸條件下的基礎輸入即結構設備的沖擊環境，根據國家軍用標準《艦船環境條件要求-機械環境》（GJB1060.1-91）的規定，計算出艦艇管路抗沖擊校核的沖擊輸入環境。目前主要以沖擊譜為基礎應用于結構抗沖擊的時域模擬，將艦艇管路的垂向、縱向和橫向的沖擊譜進行時域轉化，給出結構的沖擊輸入環境標準，根據規范將計算出的結構在沖擊載荷下的位移、速度、加速度與軍標規定的安全衡準進行對比，從而判定艦艇管路系統及其抗沖擊設計標準。

分別對2輛貨車在1127軸型下的通行記錄進行整理并作可視化處理，可得到對比曲線見圖3。由圖3可知:正常軸型貨車(車牌為PF5168)的軸重載荷曲線與參考曲線基本上一致；當疑似假軸貨車(車牌為CR2721)被判定為1127軸型車輛時，其軸重載荷曲線與參考曲線差別較大，很容易判別出該貨車與正常的1127軸型貨車不同，稽查人員可以此為參考，對該貨車進行攔截和查驗，核實后依法進行處理。由此可證明,將軸重載荷曲線作為疑似假軸車輛的判別曲線具有一定的參考價值。

潛艇用的設計值列于表 2，表中最大設計加速度Aa、最大設計速度 Va按下列公式計算：

對于船體和外板安裝部位

當艦船各類設備正常工作時，管路系統產生沖擊振動，管卡主體即時反應，并將沖擊傳遞至彈性材料層，彈性材料層中的彈簧隔振器和隔振墊吸收部分沖擊能量，且處于管卡最外層的金屬夾圈也起到抗沖擊的作用。同時，彈性材料層外的穿孔板體和空腔層組成的微穿孔板層抑制了管路沖擊振動。從而使管路系統和船體結構的沖擊振動降低到最低限度，達到較好的抗沖擊效果。本裝置使用時，通過旋擰調節螺栓即可針對管道的高度，或者是管道與船體之間的距離，進行調節，適用于不同高度的管路。且調節螺栓通過球體部和球形卡槽活動連接，當管路或船體發生沖擊振動時，避免了吊架和管道連接部位發生損毀變形的情況。

從“十二五”期間國際油價大幅下跌以來，石油勘探開發板塊整體效益大幅下滑，低效益、負效益成為石油開發近年的“熱詞”。如何實現長期的可持續、高質量發展，是全球各大石油公司面臨的巨大挑戰。同時受低油價影響，科技研發投入降低，世界范圍內除美國頁巖油外，近年來油田開發技術，尤其是老油田提高采收率技術沒有大的突破與創新。大港油田作為一個開發五十余年的老油田，面臨的形勢更加嚴峻。

表1 水面艦船用的設計值[1]Tab. 1 Design value of surface warship

可調節的艦船管路抗沖擊裝置的基本設計和原理如圖1～圖2所示。圖 1 為該裝置的結構示意圖，圖 2為該裝置的實驗模型。如圖 1 所示，該裝置包括柔性面板 1（橡膠材料或聚氨酯類材料）、基座主體 2（復合材料層合板或者碳纖維材料）和固定板 6；基座主體 2 為┴┴型，柔性面板 1 粘合在該凹槽 15 的3個內表面，并且與管道 16 形成3個線接觸。凹槽 15 的2個相對的外側面與固定板 6 之間設置有水平圓柱螺旋線性彈簧，該彈簧一端連接在基座主體 2 的外壁上，另一端連接在固定板 6 的內壁上，使用上螺栓 3 和上螺母 11 通過設置在凹槽 15 兩個外側面上的螺孔 14 固定連接固定板 6。螺孔 14 的深度大于螺栓 3（不銹鋼材料）伸入螺孔部分的長度，以便在一定范圍內調節上螺栓 3。基座主體 2 的底面和固定底板 9 之間設置有垂向的液壓彈簧，固定底板 9 使用下螺栓 8（中碳合金鋼材質）和下螺母 10 與基座主體 2 固定連接。下螺栓 8 穿過基座主體 2 和固定底板 9 并有余量，使得下螺栓 8 調節控制垂向液壓彈簧的強度。可升降的底座7 為┴型，其上端連接在固定底板 9 上，下端面設置有與船體連接的連接裝置 13，通過連接裝置 13 將基座連接于船體；連接裝置 13 是螺栓連接。

式中： A0為設計加速度；V0為設計速度；ma為模態質量，

2.1 一種可調節的艦船管路抗沖擊裝置

水面艦船用的設計值列于表 1，其中最大設計加速度 Aa、最大設計速度 Va按下列公式計算：

管路系統在給定沖擊方向上的沖擊設計加速度則取 Vaωa與 Aa中的最小值，其單位為 m/s2。ωa為固有圓頻率。

2 艦艇管路系統抗沖擊元器件設計

目前管路系統抗沖擊設計指南、抗沖擊元器件與基座、管卡、套環的設計及其布置、管路系統沖擊試驗等可供參考的規范和標準甚少。本文通過分析總結實際船用典型管路系統中常見的連接方式、抗沖擊方法以及支撐類型等相關的設計安裝因素，參考了相關文獻中對這些因素的研究與總結[3–17]，設計以下3種新型的艦船管路系統抗沖擊元器件：第1種為可調節的艦船管路抗沖擊裝置，第2種為可調節的艦船管路抗沖擊套環裝置，第3種為可調節艦船管路抗沖擊管卡裝置。

表2 潛艇用的設計值[1]Tab. 2 Design value of Submarine

式中： Mi為第 i 質量點的質量；Xia為第 i 點質量點的a 階振型量。

[例 3]“Integrity,”he says,with an owlish look,scratching at his crotch,“is a red rag to the bull of Mammon,or,to put it another way,integrity is the poor man’s codpiece.”（1972：387）

對于甲板安裝部位

2.2 一種可調節的艦船管路抗沖擊套環裝置

該裝置在正常工作狀態管路系統未受沖擊作用情況下，管路系統正常的固定和約束由基座主體完成。當管路系統受到垂向沖擊時，垂向彈簧開始起作用，減小基座垂向位移及應力。當管路系統受到橫向沖擊時，水平圓柱螺旋線性彈簧開始起作用，減小基座的橫向位移及應力。當船體及管路系統遭受劇烈沖擊載荷時，船體將載荷傳遞給基座主體，安置于基座內部的彈簧裝置將起到抗沖擊的作用，從而使得管路可以及時限制管路產生大的位移，大大降低了管路較大變形的風險。

2006年，習近平總書記對“綠水青山就是金山銀山理念”進行了精彩的論述：“在實踐中對綠水青山和金山銀山這‘兩座山’之間關系的認識經過了三個階段：第一個階段是用綠水青山去換金山銀山，不考慮或者很少考慮環境的承載能力，一味索取資源。第二個階段是既要金山銀山，但是也要保住綠水青山，這時候經濟發展和資源匱乏、環境惡化之間的矛盾開始凸顯出來，人們意識到環境是我們生存發展的根本，要留得青山在，才能有柴燒。第三個階段是認識到綠水青山可以源源不斷地帶來金山銀山，綠水青山本身就是金山銀山，我們種的常青樹就是搖錢樹，生態優勢變成經濟優勢，形成了渾然一體、和諧統一的關系，這一階段是一種更高的境界。”[2]

在美國和日本披露環境會計信息的過程中，國家環保部門充分發揮了政府職能部門的作用。我們國家必須加強環境執法。主要有兩種手段：一是以立法形式使用法律手段，對企業污染物的處理和排放實行強制性管制，并處以同等的行政處罰和刑事處罰；其次，它使用經濟手段來使用補貼和補貼。稅收，費用和排放交易系統形成對企業污染物處置的間接控制。通過加強環境執法和處罰，企業不得不承認環境問題給企業帶來的風險，讓更多的企業關注環保，接受綠色管理的理念，引導企業自覺履行環境保護和責任環境會計信息披露。

可調節的艦船管路抗沖擊套環裝置的基本設計和原理如圖3～圖4所示，圖 3 為該裝置的結構示意圖，圖 4 為該裝置的裝置的實驗模型。圖 3中，第一調節圓環 1（氯丁膠材料）的外圍設有第二圓環 2（碳纖維材料或聚氨酯類材料），圈壁上均布有若干螺孔，每個螺孔均配置有對應的調節螺栓 5 和螺母 6。第二圓環 2 設置為夾層結構，其內層和外層均使用合金鋼材質制成，內層和外層之間填充聚氨酯泡沫塑料，能夠緩和沖擊、減弱振蕩和降低應力幅值。第二圓環 2 的內層表面和外層表面可進一步包裹柔性材料。調節裝置主要由調節把手 9、主螺栓 8、墊圈 4（橡膠或聚氨酯類）和固定板 7（碳合金鋼）組成。第一調節圓環 1的環體包覆管路一周后，其端部在管路頂部并不閉合，而是留有余量，向上收攏，余量環體上部與固定板 7 連接，并通過膠黏劑膠結固定。當管路直徑較大時，一手固定主螺栓 8 頂端，使主螺栓 8 整體不動，一手順時針旋轉調節把手 9，使調節把手 9 在主螺栓的螺桿上向上移動，按住主螺栓 8 頂部垂直向下施力，直至調節把手 9 壓在與第二圓環 2 頂部的墊圈 4上，最后根據第一調節圓環 1 與管路的適配程度用調節螺栓 5 進行微調，達到使用標準。而當管路直徑較小時，反之來達到使用標準。進一步的，第一調節圓環 1 在其底面和左右兩側各設有一磁性元器件 3，第二圓環 2 在其內側面對應的位置亦設有磁性元器件，用同極斥力達到減緩沖擊的效果。

在沒有沖擊載荷作用時，管路系統處于正常工作狀態，管路系統正常的約束和固定由套管主體完成。由于磁性元器件設置在管路的3個面上，且壓縮彈簧也有一定的抗沖擊性，所以可以有效減小套管的橫向和垂向的位移及應力。當船體及管路系統受到強沖擊作用時，磁性元件會相互靠近，由于同極相斥，從而及時避免管路產生較大的位移，保護管道不至于有較大的變形，同時仍可以對管路起到彈性的約束和固定作用。

2.3 一種可調節艦船管路抗沖擊管卡裝置

可調節艦船管路抗沖擊管卡裝置的基本設計和原理如圖5～圖6所示，圖 5 為該裝置的結構示意圖，圖 6為該裝置的裝置的實驗模型。圖中管卡裝置包括一組相對卡固在管道外圍的半圓環金屬夾圈 6，并通過螺栓 7 和螺母 8 將相對的彎折接耳鎖緊固定連接，使兩半圓環金屬夾圈 6 將抑制管路沖擊的夾層結構夾緊固定在管道 1 外壁上。調節螺栓的左右兩側各設有一卡槽軌道 9，頂部通過隔振器 10 與基板彈性連接。金屬夾圈 6 的彎折接耳卡在對應側的卡槽軌道 9 的豎向凹槽內，為防止因操作失誤，使管卡彎折接耳從卡槽軌道 9 內脫離，卡槽軌道至少豎向凹槽的側板可采用磁性材料制成，其他部位可采用金屬材料。對應的，金屬夾圈 6 為能被磁性吸引的金屬材料制成，使金屬夾圈 6 的彎折接耳被吸附在卡槽軌道凹槽內，上下移動。彈性材料層由彈簧隔振器 2 或隔振墊 3 中的一種或多種構成，彈簧隔振器 2 或隔振墊 3 布置在管道 1的外壁上。微穿孔板層包括具有多個內外貫通微孔的穿孔板體 4 和空腔層 5，金屬夾圈 6 卡固在構成空腔層 5 的腔壁殼體上。穿孔板體 4 上的微孔的直徑不大于 1 mm。穿孔板體的穿孔率一般控制在 0.5%～5%，設孔間距為 b，孔徑為 d，則穿孔板體 4 的穿孔率 q 控制在 0.5%～5%。穿孔板體 4 的板厚設置為 3～5 mm 以內。將鋁合金板合圍后，制成微穿孔板層，通過金屬夾圈 6 夾緊固定即可。而空腔層 5 的厚度一般在 30～200 mm。具體可根據管路工藝實施情況選用。

不同階層、不同群體的道德體系，都必須符合社會的制度本質，符合整個社會的主流價值。因此，鄉村倫理道德體系建設也要遵循這種規律性要求。中國特色社會主義主流價值觀的確立，應考慮到中國特色社會主義制度和市場經濟體制的要求，要有利于解放和發展生產力特別是農業生產力，要有利于基層民主法制的進步和完善，要有利于實現廣大基層農業人口的現實利益。同時，鄉村倫理道德體系建設的重要指向是破除小農經濟觀念，肅清宗法制度的不良影響。

3 艦艇管路系統抗沖擊性能分析

設備在水下爆炸條件下的基礎輸入即結構設備的沖擊環境。把沖擊輸入信號在頻域內表示，基礎的位移激勵在低頻段是主要的；速度激勵在中頻段是主要的；加速度激勵在高頻段是主要的。圖 7 所示四維坐標系下的三折線譜通常作為系統的沖擊輸入譜，縱坐標用譜速度表示，橫坐標用頻率表示，與橫坐標成 45°的坐標系表示相對譜位移，與橫坐標成 135° 的坐標系表示譜加速度[2]。

本文通過總結管路系統中常見的抗沖擊方式、連接方式及支撐方式等設計安裝因素，建立艦艇管路系統計算模型，計算其在沖擊輸入下的動態響應，比較其抗沖擊性能。

本文設計的艦艇管路抗沖擊元器件的性能校核參照美國海軍 MIL2S2901 系列規范和國家軍用標準《艦船環境條件要求-機械環境》（GJB1060.1-91）。鑒于管路系統為 A 級抗沖擊等級，因此本文按彈性設計標準進行校核。基于規范計算得到管路系統在船體部位、甲板部位、外板部位各個方向的最大設計加速度與最大設計速度，將最大譜加速度為 120 g 的沖擊轉化為時域輸入，對管路系統分別從垂向、橫向與縱向3個方向進行沖擊，以及在同一方向（垂向）不同沖擊載荷下，分別計算分析得到2種管路結構的最大位移和合成應力幅值。

表3 與圖 8 分別為安裝普通管卡裝置的管路以及安裝抗沖擊管卡裝置的管路分別在3個自由度方向沖擊下最大位移及最大合成應力。

但同時我們也能明顯的看到寧肯本人的情感傾向。介于題材和敘述對象的特殊性，書中數十位主要角色作者都報以肯定與贊賞的心態，作者的主觀傾向顯露無疑。整部作品本身即是對中關村歷史發展的一個回顧，他所書寫的皆是在中國科技發展史上至關重要的大人物，這一主題要求他自己首先必須要有正面贊揚的傾向性。故這一打破客觀性、紀實性的情感傾向，是《中關村筆記》的特點，也是它的遺憾。

安裝普通管卡裝置的管路及安裝抗沖擊管卡裝置的管路在同一自由度不同沖擊載荷下最大位移及最大合成應力對比如表 4 與圖 9 所示。

計算結果表明：在3個不同自由度和3個不同沖擊載荷下，安裝抗沖擊管卡裝置與普通管卡裝置的管路系統，其最大合成應力與最大位移幅值變化明顯，在強烈沖擊載荷下，抵抗垂向及橫向沖擊載荷性能尤為明顯的為安裝抗沖擊管卡裝置的管路系統，其有效地避免了在強沖擊載荷下管路系統關鍵連接部位的斷裂風險；在縱向沖擊載荷下，抗沖擊管卡裝置能夠起到很好的固定和約束作用，有效的降低了管路系統連接部位的應力幅值及變形量。

分析表明：17個真核微生物OTU可在各階段（T0—T5）曲塊樣品中檢測到。T0期特有OTU數目為3個；T1、T2、T5期曲塊特有OTU數目分別為1個、2個和2個；在T3、T4期曲塊中，無特有OTU，在制曲各階段中尤為特殊（圖7）。

表3 普通管卡裝置與抗沖擊管卡裝置最大位移與最大合成應力Tab. 3 The maximum displacement and stress of the ordinary clamp and the anti-shock clamp

表4 普通管卡裝置及抗沖擊管卡裝置的最大位移與最大合成應力Tab. 4 The maximum displacement and stress of the ordinary clamp and the anti-shock clamp

4 結 語

本文在研究艦艇管路系統抗沖擊環境及其評定標準的基礎上，對不同形式的管路系統抗沖擊元器件進行了抗沖擊技術設計，該設計方案克服了傳統抗沖擊元器件的缺陷，從結構上改進了普通元器件的約束方式，利用新型材料和設計新型彈性元件增強了抗沖擊效果。針對艦艇上管路系統復雜多樣，大小不一的實際情況，適用于復雜多變的艦艇工作環境。同時對管路系統在典型工況下的抗沖擊性能進行了計算，計算結果表明抗沖擊管卡在正常狀態下，對管路起到正常的約束和固定作用，在沖擊載荷作用下，能夠增強管路橫向、垂向的抗沖擊性能，有效降低套管及其約束管路處的應力，保護管路系統因局部應力過大而出現破損，可以及時限制管路產生大的縱向位移，保護管路不至于有較大的變形，具有良好的經濟性和適用性。

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Design for shock resistance of piping system of naval vessels and performance analysis

SHEN Zhong-xiang1, LIU Yin-dong1, ZHENG Ting-ting2

(1. Transportation Equipments and Ocean Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 2140822, China; 2. China Shipbuilding Industry Corp, Beijing 100097, China)

Aiming at the limitation of traditional piping system components impact and shortcomings, design a new type of anti-impact components from the structure improved constraints on common components, the use of new materials and new type of elastic element to enhance the anti-shock effect. The piping system of naval vessels analyzes impact resistance at the same time, the results show that the new impact components to normal constraints and fixation on the line, under the action of shock load, can enhance the anti-shock performance of vertical transverse lines, reduce the casing stress and the constraints of pipeline and its constraint line at the protection of pipeline system for local stress is too large and damaged, can generate large displacement limit of pipeline, pipeline protection does not have larger deformation, with the economy and the applicability is strong.

naval vessels；piping system；adjustable；shock resistance

U674.03+1

A

1672–7619(2017)05–0108–06

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.05.021

2016–11–21；

2017–01–06

沈中祥(1985–)，男，博士研究生，工程師，主要從事船舶與海洋工程結構抗沖擊設計研究。