彈性隔離安裝設(shè)備抗沖擊設(shè)計指標影響因素分析

史少華，馮麟涵，杜志鵬，計晨

海軍研究院，北京100161

0 引 言

艦船設(shè)備沖擊環(huán)境是設(shè)備安裝基礎(chǔ)（基座或船體結(jié)構(gòu)）在水下爆炸作用下的沖擊響應(yīng)，主要表現(xiàn)為設(shè)備基礎(chǔ)的沖擊加速度、沖擊速度和位移響應(yīng)。作為設(shè)備的沖擊輸入，沖擊環(huán)境是設(shè)備抗沖擊設(shè)計校核和試驗評估的基礎(chǔ)。設(shè)備抗沖擊設(shè)計指標作為重要的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標，在設(shè)備立項論證之初就需要明確，以作為后續(xù)設(shè)計的輸入。由于設(shè)備安裝部位不同，安裝基座結(jié)構(gòu)多樣，安裝基座和設(shè)備之間也存在耦合關(guān)系，導(dǎo)致設(shè)備沖擊環(huán)境特性差異很大。因此，各國海軍基于沖擊試驗和數(shù)值仿真技術(shù)，總結(jié)得到合適的設(shè)備抗沖擊設(shè)計載荷。

我國針對艦艇抗沖擊技術(shù)的研究相比歐美海軍起步較晚，數(shù)據(jù)積累較少。在設(shè)備抗沖擊設(shè)計相關(guān)標準規(guī)范方面，主要借鑒美國的NRL1386［1］和德國的 BV0430/85［2］，編制了 GJB1060.1-91 規(guī)范［3］（用于指導(dǎo)剛性安裝設(shè)備的抗沖擊設(shè)計）以及HJB715-2016規(guī)范［4］（用于指導(dǎo)彈性隔離安裝設(shè)備開展抗沖擊設(shè)計）。剛性安裝是指設(shè)備通過螺栓或其他方式直接剛固在基座之上的方式。彈性安裝是指設(shè)備通過隔振抗沖擊系統(tǒng)安裝在基座之上的方式，如采用單層隔振裝置、雙層隔振裝置、多個設(shè)備共用浮筏隔振裝置等。但上述標準都只給出了設(shè)備及隔離裝置系統(tǒng)的沖擊設(shè)計譜值，未給出設(shè)備本體的抗沖擊設(shè)計指標。

艦船設(shè)備沖擊環(huán)境具有明顯的譜跌效應(yīng)，國內(nèi)外學者已經(jīng)對此開展過相關(guān)分析和研究［5-7］。但針對設(shè)備本體的安裝重量和重心，以及彈性隔離裝置的安裝面積對設(shè)備本體沖擊環(huán)境譜跌效應(yīng)的影響，還未開展相關(guān)分析和研究。此外，經(jīng)過隔離系統(tǒng)傳遞到設(shè)備本體機腳的沖擊環(huán)境，可能會在安裝頻率處出現(xiàn)峰值。因此，本文擬以彈性隔離安裝的設(shè)備系統(tǒng)為研究對象，從設(shè)備對沖擊環(huán)境的譜跌效應(yīng)出發(fā)，考慮多個設(shè)備共用彈性隔離系統(tǒng)安裝的重心位置、隔離系統(tǒng)面積對沖擊環(huán)境的影響，提出隔離安裝設(shè)備系統(tǒng)中設(shè)備本體抗沖擊指標的分析方法，并對某雙層隔離安裝設(shè)備沖擊設(shè)計值進行分析，以期為后續(xù)設(shè)備研制論證提供參考。

1 沖擊環(huán)境的譜跌現(xiàn)象

在船舶工程中，大、中型艦載設(shè)備的阻抗與甲板、內(nèi)底等安裝基礎(chǔ)的阻抗差異不大，甚至基礎(chǔ)的阻抗比結(jié)構(gòu)的阻抗還要低許多，設(shè)備的存在會顯著改變安裝基礎(chǔ)的響應(yīng)，因此有、無安裝設(shè)備得到的船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)有所不同，從而導(dǎo)致得到不同的沖擊譜曲線，即有設(shè)備安裝時會產(chǎn)生沖擊譜的譜跌現(xiàn)象［5］。賀少華等［6］結(jié)合多自由度系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)譜分析計算，解釋了譜跌產(chǎn)生的原理，給出了譜跌的具體建立方法。姜濤等［7］利用二自由度模型簡化艦艇設(shè)備安裝模型，通過對二自由度模型沖擊譜的分析得出譜跌規(guī)律，并提出在一定條件下進行抗沖擊計算時必須考慮譜跌的影響。

圖1 主、從系統(tǒng)示意圖Fig.1 Master-slave system

下面，采用基礎(chǔ)激勵二自由度響應(yīng)求解方法，分析基礎(chǔ)在圖2所示組合三角波加速度激勵下m1的沖擊響應(yīng)譜。設(shè)m1=10t，m2=5t，k1=8.88×107N/m，k2=7.89×107N/m，則m1和m2單獨存在時的固有頻率f01=15 Hz，f02=20 Hz，得到耦合系統(tǒng)的第1階和第2階固有頻率f1=11 Hz，f2=26 Hz。

圖2 正、負三角波沖擊載荷Fig.2 Shock loading of positive and negative triangular wave

根據(jù)m1的加速度響應(yīng)，得到m1處的沖擊譜如圖3所示。沖擊譜的峰值分別對應(yīng)二自由度耦合系統(tǒng)的第1階和第2階固有頻率f1和f2，而譜跌對應(yīng)的則是系統(tǒng)m2單獨存在時的固有頻率f02，也即在設(shè)備的安裝頻率處會形成譜跌。

圖3 m1處的沖擊譜Fig.3 Shock spectrum ofm1

耦合系統(tǒng)的質(zhì)量比a對系統(tǒng)第1階和第2階固有頻率的影響較大，為分析質(zhì)量比對譜跌的影響，保持其它參數(shù)不變，使m2=30 t，此時系統(tǒng)的第1階和第2階固有頻率分別為f1=7 Hz，f2=42 Hz，得到m1處的沖擊譜如圖4所示。質(zhì)量比增大后，耦合系統(tǒng)的固有頻率與子系統(tǒng)固有頻率間的差異增大，但譜跌仍在系統(tǒng)m1單獨存在時的固有頻率f02處。

圖4 改變質(zhì)量比后m1處的沖擊譜Fig.4 Shock spectrum of m1after changing the mass ratio

2 共用彈性基座設(shè)備沖擊環(huán)境特性

根據(jù)艦船設(shè)備譜跌影響因素分析結(jié)果，主要關(guān)注重量的影響，基礎(chǔ)頻率的影響一般按照設(shè)備安裝區(qū)域進行區(qū)分，如GJB1060.1-91中剛性安裝設(shè)備抗沖擊設(shè)計值的確定方式［3］。但在實際對彈性隔離安裝的設(shè)備本體單獨提出抗沖擊需求時，存在2臺設(shè)備共用1臺基座的情形，此時，除了設(shè)備總重量變化外，設(shè)備安裝的重心變化、共用基座面積大小等對設(shè)備本體沖擊環(huán)境的影響還不確定。針對這種情況，本文選取典型的兩設(shè)備共用彈性基座的某型推進機組系統(tǒng)為研究對象，依據(jù)沖擊環(huán)境譜跌原理分析，針對設(shè)備重量變化、重心偏移以及共用基座面積等參數(shù)對設(shè)備本體沖擊環(huán)境的影響進行分析。

2.1 計算模型及工況

機組模型如圖5所示，彈性基座上布置了2個不同質(zhì)量的設(shè)備模型，該機組模型的第1階頻率為10 Hz。為分析上述譜跌因素的影響，分別改變設(shè)備總質(zhì)量、重心位置和基座面積。水下爆炸沖擊計算工況一致，針對不同影響因素共設(shè)置了13種計算模型（表1）。

圖5 彈簧連接位置示意圖Fig.5 Position of spring connection

表1 不同工況下的計算模型參數(shù)Table 1 Computational model parameters in different working conditions

機組模型安裝于某千噸級艦船模型（圖6）上，通過聲固耦合法模擬水下爆炸沖擊載荷作用，分別提取機組模型輸入和各設(shè)備機腳的沖擊響應(yīng)，轉(zhuǎn)換為沖擊譜進行分析。

2.2 設(shè)備系統(tǒng)重量的影響

圖6 某千噸級艦船有限元計算模型Fig.6 Finite element model of a thousand tons naval ship

對于推進機組模型安裝在基礎(chǔ)剛度較低的甲板、基礎(chǔ)剛度較高的內(nèi)底結(jié)構(gòu)這2種情況，設(shè)備重量對沖擊環(huán)境的影響有所不同（圖7和圖8）。

由圖7可以看出，與未安裝設(shè)備時相比，當機組設(shè)備安裝在甲板結(jié)構(gòu)上時，沖擊譜在10 Hz頻率處發(fā)生了譜跌，即在設(shè)備的安裝頻率處，以及譜跌處的兩側(cè)產(chǎn)生了明顯的峰值；根據(jù)度量參數(shù)的曲線可知，在譜速度差絕對值最大位置處恰好產(chǎn)生了譜跌。而由圖8可見，當機組設(shè)備安裝在內(nèi)底結(jié)構(gòu)上時，安裝設(shè)備的沖擊譜與未安裝設(shè)備時相比沒有變化，沖擊譜曲線幾乎重合，說明設(shè)備安裝在內(nèi)底板內(nèi)底上時并未產(chǎn)生明顯的譜跌現(xiàn)象，對沖擊譜基本沒有影響。

圖7 安裝在甲板上的機組模型沖擊譜Fig.7 Shock spectrum of machine set on deck

圖8 內(nèi)底上的機組模型沖擊譜Fig.8 Shock spectrum of machine set on inner bottom

同樣，對于2種不同安裝部位的機組模型，沖擊環(huán)境及重量變化的影響也有所不同（圖9和圖10）。

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圖9給出了設(shè)備系統(tǒng)安裝在甲板上時，設(shè)備重量改變對沖擊譜的影響。由圖可見，在低頻部分，隨著設(shè)備重量的增加，沖擊譜曲線的第1個峰值不斷減小，并且峰點向左偏移；在中頻段，隨著設(shè)備重量的增加，沖擊譜曲線波峰點向右偏移，沖擊譜曲線不斷下降。由圖10可以看出，對于安裝在內(nèi)底上的設(shè)備而言，設(shè)備重量改變對沖擊譜有一定的影響，但變化規(guī)律不明顯，只對低頻沖擊譜有影響。

圖9 設(shè)備重量對安裝在甲板上的機組模型沖擊譜的影響規(guī)律Fig.9 Effect of equipment mass on shock spectrum of machine set on deck

圖10 設(shè)備重量對安裝在內(nèi)底上的機組模型沖擊譜的影響規(guī)律Fig.10 Effect of equipment mass on shock spectrum of machine set on inner bottom

設(shè)備重量變化的影響對于沖擊環(huán)境的反作用較大，這也體現(xiàn)在各國海軍標準中艦船設(shè)備沖擊環(huán)境設(shè)計值的計算公式中。但本研究將設(shè)備模型安裝在剛度差異明顯的甲板和內(nèi)底上，由于甲板安裝區(qū)域的阻抗和設(shè)備相比低很多，而內(nèi)底阻抗與設(shè)備阻抗接近，即差異相對小，且只有在基礎(chǔ)阻抗比設(shè)備阻抗低很多的情況下才會更顯著地影響沖擊環(huán)境，因此得出設(shè)備重量的影響力度在2種安裝條件下明顯不同，這符合譜跌效應(yīng)規(guī)律。

2.3 設(shè)備重心位置的影響

圖11給出了安裝在甲板上的機組模型設(shè)備沖擊譜曲線。由圖可見，隨著重心坐標向右偏移，沖擊譜曲線第1個波峰值不斷增大，這可能是由于當重心坐標向右偏移時，設(shè)備的重心不斷靠近甲板中心，從而使兩者的耦合程度增大，兩者的偏差遠小于±3 dB［4］。總的來說，其對沖擊譜影響不大，說明設(shè)備重心的偏移對譜跌的影響可以忽略不計。圖12給出了安裝在內(nèi)底上的機組模型的設(shè)備沖擊譜曲線。從中可以看出，設(shè)備重心位置偏移后對沖擊譜沒有影響，沖擊譜曲線幾乎重合。

圖11 重心位置對安裝在甲板上的機組模型沖擊譜的影響Fig.11 Effect of centroid on shock spectrum of machine set on deck

圖12 重心位置對安裝在內(nèi)底上的機組模型沖擊譜的影響Fig.12 Effect of centroid on shock spectrum of machine set on inner bottom

2.4 設(shè)備基座面積的影響

計算過程中，當將設(shè)備系統(tǒng)簡化為1個質(zhì)量點時，其與甲板的接觸面積趨于0，沖擊響應(yīng)主要與甲板的第1階模態(tài)頻率有關(guān)。隨著整個設(shè)備系統(tǒng)與其底部接觸面積的增大，甲板的高階模態(tài)也可能被激起，因此，基座面積也作為影響因素進行分析。

通過對基座面積為0、原尺寸、2倍尺寸的浮筏系統(tǒng)進行計算，由于面積增大導(dǎo)致測點改變，無法選取完全對應(yīng)的測點進行比較分析，故選取甲板和內(nèi)底上各測點設(shè)計譜的平均值來研究其對沖擊環(huán)境的影響，結(jié)果如表2和表3所示。由表2和表3可知，隨著接觸面積的增大，甲板和內(nèi)底上各測點的沖擊譜參數(shù)變化不明顯，且無規(guī)律可循，說明面積的改變對沖擊譜的影響可以忽略。

表2 甲板各測點的設(shè)計譜值Table 2 Shock spectrum of measuring points on deck

表3 內(nèi)底各測點的設(shè)計譜值Table 3 Shock spectrum of measuring points on inner bottom

3 某型設(shè)備抗沖擊設(shè)計指標論證分析

通過上述對共用基座安裝設(shè)備沖擊環(huán)境的影響分析，在對隔離系統(tǒng)提出抗沖擊指標的過程中，可以將設(shè)備系統(tǒng)簡化為集中質(zhì)量模型進行指標分析。如果存在某型設(shè)備單獨研制本體，在不配套專用隔離裝置時，其本體抗沖擊指標與隔離裝置性能存在一定的關(guān)系，如果選配的隔離裝置沖擊隔離率更高，那么對本體的抗沖擊要求就偏低，但考慮到其他因素選配的隔離裝置沖擊隔離效率較差，那么對設(shè)備本體的抗沖擊能力要求就更高。因此，在對設(shè)備本體提出抗沖擊指標時，應(yīng)全面綜合考慮。

GJB1060.1-91規(guī)范給出了適用于剛性安裝設(shè)備的抗沖擊設(shè)計指標，而HJB715-2016規(guī)范則給出了彈性安裝設(shè)備系統(tǒng)的抗沖擊指標，但并未分解到設(shè)備本體的指標，且未給出實際使用過程中的指導(dǎo)方法。下面，以某型設(shè)備為例，給出本體抗沖擊指標的分解過程。

某型設(shè)備在設(shè)計之初，質(zhì)量設(shè)計目標基本確定，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，可選配兩型隔離裝置，特性參數(shù)分別如表4和表5所示，其中沖擊剛度取1.5～2.5倍動剛度。在2種模型下，建立設(shè)備本體與隔離裝置的集中質(zhì)量模型，可計算得到設(shè)備本體機腳沖擊環(huán)境。

根據(jù)2種隔離系統(tǒng)與某設(shè)備建立沖擊動力學模型，給定統(tǒng)一的沖擊輸入（圖13所示的設(shè)計譜曲線），計算得到設(shè)備本體的沖擊譜如圖13所示。經(jīng)過2種隔離系統(tǒng)后傳遞到設(shè)備本體的沖擊譜與沖擊設(shè)計譜相比，在低頻和高頻，其能量有顯著降低，但隔離系統(tǒng)1受自身頻率影響，在7和20 Hz處出現(xiàn)了高于原設(shè)計譜的峰值；相較之下，隔離系統(tǒng)2在該中頻段上的隔離效果更優(yōu)，峰值出現(xiàn)在30 Hz處，且量值也更低。在綜合考慮設(shè)備隔振、抗沖擊等綜合性能后，選取合適的隔離系統(tǒng)，對經(jīng)過隔離系統(tǒng)后得到的本體沖擊譜取包絡(luò)值，以作為設(shè)備本體的設(shè)計及考核指標。

表4 隔離系統(tǒng)1的性能參數(shù)Table 4 Performance parameters of isolation system 1

表5 隔離系統(tǒng)2的性能參數(shù)Table 5 Performance parameters of isolation system 2

圖13 設(shè)備本體的沖擊譜Fig.13 Shock spectrum of equipment

4 結(jié) 論

為對彈性隔離裝置安裝的設(shè)備系統(tǒng)抗沖擊指標進行分析和論證，本文分析了設(shè)備重量、重心位置和安裝面積等因素對沖擊譜的影響，并對某型設(shè)備抗沖擊指標進行了論證分析，得出如下結(jié)論：

1）設(shè)備安裝在船體甲板上時，設(shè)備安裝對沖擊譜產(chǎn)生影響，在設(shè)備安裝頻率處產(chǎn)生譜跌；設(shè)備安裝在船體內(nèi)底上時，設(shè)備安裝對沖擊譜不產(chǎn)生影響，有、無設(shè)備安裝這2種情況的沖擊譜曲線幾乎完全重合，在安裝頻率處沒有產(chǎn)生譜跌現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是甲板安裝區(qū)域的阻抗明顯小于內(nèi)底區(qū)域，體現(xiàn)在設(shè)備對環(huán)境反作用的效果上時，甲板譜跌效應(yīng)更明顯。

2）無論是安裝在甲板區(qū)域還是內(nèi)底區(qū)域，待分析設(shè)備的重心偏移、筏架面積增大等對沖擊譜譜跌的影響均不明顯，在后續(xù)分析設(shè)備本體抗沖擊指標時可忽略這些因素的影響。

綜合分析上述影響因素后，在后續(xù)隔離系統(tǒng)安裝的設(shè)備本體抗沖擊指標的論證分析過程中，可將設(shè)備簡化為單質(zhì)量點模型，根據(jù)隔離系統(tǒng)性能參數(shù)建立隔離裝置模型，得到設(shè)備本體沖擊譜，然后按照相關(guān)標準提出設(shè)計指標，以用于指導(dǎo)設(shè)備抗沖擊設(shè)計及評估。