（轮机工程专业论文）舰船推进轴系抗冲击分析研究.pdf

武汉理i ：人学硕十学位论文捅要舰船及其机电设备在服役期间必然面l 隆冲击环境。舰体及舰船机电设备如何抗击各种冲击载荷的作用，是海军和舰艇设计师所十分关心的问题。舰船推进轴系是舰船动力系统的重要组成部分，它由主机输出端直至螺旋桨之间的传动轴及轴上附件所组成。轴系在冲击载荷下的位移响应、轴承座应力以及轴段应力的大小直接关系到舰船动力系统的可靠性和安全性。因此，舰船推进轴系抗冲击性能研究对国防建设具有重要的现实意义。本文系统地研究了抗冲击分析理论，建立了舰船推进轴系抗冲击计算模型，分析了建模应考虑的几个因素，建模研究在此基础上深入到动态和非线性领域。再者，基于l m s 测试系统搭建了实验平台，通过模态实验验证了建模理论。最后，根据计算分析结果对工程实例提出修改方案，并基于遗传算法对其进行优化设计。具体研究工作包括：( 1 ) 系统地阐述了水下爆炸理论、舰船结构在水下爆炸载荷下动响应的流固耦合理论、舰船推进轴系抗冲击计算有限元建模理论以及动力学计算方法，并提出“大质量”模型，它适合于求解在各轴承基础载荷不同时的轴系冲击问题。( 2 ) 以舰( a 舰) 推进轴系为研究对象，从理论上论述了轴系上大转动惯量部件、轴承支承和轴承间隙的建模方法，并通过数值计算深入分析了三种因素对舰船推进轴系抗冲击建模的影响。( 3 ) 根据轴系工作实际，进一步从理论上分析在考虑轴系转速、螺旋桨推力和几何非线性等因素时的轴系建模方法，并结合舰( b 舰) 推进轴系计算结果，分析了它们对轴系冲击响应的影响。( 4 ) 以实际轴系为实验对象，通过模态实验测定轴系的动态特性参数，根据有限元理论建立模型并进行数值计算：然后根据实验结果基于模型修正思想修正和验证有限元模型。( 5 ) 根据冲击位移响应结果提出b 舰推进轴系初步改进方案，并进行强度校核。然后，根据舰船设备抗冲击设计的目的，尝试性地以冲击载荷作用阶段内各轴承储存势能最大为目标函数，基于遗传算法对b 舰推进轴系进行了迸一步的优化设计。这些进一步完善了舰船推进轴系抗冲击计算分析理论模型，为推进轴系的仿真计算、冲击响应预估、减振隔冲设计等提供理论指导。关键词：水下爆炸，推进轴系，冲击，有限元，优化设计武汉理一l ：人学硕士学位论文a b s t r a c tt h ew a r s h i pi nc o m m i s s i o na n d 也ee q u i p m e n t so nb o a r da r ei n e v i t a b l et oe n c o u n t e rs h o c ke n v i r o m e n t t h e nt h eh u us t m c t u r e sa 1 1 dt h ee q u i p m e n t s a b i l i t yt os u s t a i nt h es h o c kl o a d ，i n d u c e db y 也ec o n t a c to rn o n - c o n t a c tu n d e r w a t e re x p l o s i o n s ，i sp a i dm o s ta t t e n t i o nb yt h ed e s i g n e r sa n de n g i n e e r s t h ep r o p u l s i o ns h a f t i r 培，i n c l u d i n gt h et r a n s m i s s i o ns h a f t sa 1 1 do t h e ra c c e s s o r i e sf r o mo u t p u te n do fe n g i n et op r o p e l l e r i sa ni m p o r t a n tp a no ft h ep o w e rs y s t e m u n d e rt h es h o c k1 0 a d ，t h ed i s p l a c e m e n t r e s p o n s ea n ds t r e s sr e s p o n s e ，m a i n l yi n c l u d i n gt h es h a f ts e c t i o na n db e a r i n g s ，h a v ead i r e c tc o n f l e c t i o n 、i t ht l l ev i t a l i t yo fp o w e rs y s t e m t h e r e f o r e ，t h es t u d i e so nt h ea m i s h o c ka b i l i t yo ft h ep r o p u l s i o ns h a f t i n ga r e 如l io fp r a c t i c a im e a n i n gf o rn a v y f i r s t l y t h et h e o r i e so fa l l t i s h o c ka n a l y s i sa r ei n v e s t i g a t e ds ”t e m a t i c a l ly ，t h e nt 1 1 ec a l c u l a t i o n a lm o d e lo fp r o p u l s i o ns h a r i n go fw a r s h i pf o rs h o c ka n a l y s i si se s t a b l i s h e da n ds o m ef a c t o r so fm o d e l - b u l i d i n ga r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y b a s e do nt h e s e ，t h em o d e l - b u i l d i n gm e l o d so fm t a t i n gs h a r i n ga 1 1 d 也en o n - i i n e a r i 毋p r o b l e ma r ef u t h e rs t u d i e d s e c o n d l y ，t h et e s t i n gp l a t f 0 蛐t ov e r i 巧t h em o d e l b u i l d i n ga p p r o a c hi sb u i l tb yu s i n gt l l el m sa 1 1 dt h ec a j c u l a t i o nm o d e l i sv c r i f i e dv i am o d a lt e s t i n g f i n a l l y ，o nt h eb a s i so ft h ep r e v i o u sc a l c u l a t i o nr e s u l ta n da n l y s i s ，t h ep r e l i m i n a r yi m p r o v e m e ms c h e m ei sp r o p o s e df o rap r a t i c a le x 锄p l e t h e nt t l eo p t i m i z a t i o nd e s i g ni si m p i e m e n t e db a s e do nt h eg e n e t i ca r i t h m e t i c ( g a ) 1 1 1d e t a i l ，t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sa sf b l l o w s ：( 1 ) t h eu n d e r w a t e re x p l o s i o nt h e o r y ，m ef l u i d s t n l c t u r ei n t e r a c t i o nt h e o r yo fs h i pd y n 锄i cr e s p o n s et ou n d e n v a t e re x p l o s i o n ，t h en n i t ee l e m e n tm o d e l b u i l d i n gt h e o r yo fp r o p u l s i o ns h a f t i n gf o rs h o c kc a l c u l a t i o na n dt h ec o r r e l a t i v es h o c kr e s p o n s ec o m p u t a t i o nm e t l l o d sa r ee x p a t i a t e dc o m p r e h e n s i v e l ye s p e s c i a l l y ，m e “l a r g em a s s ”m o d e l ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rs o l v i n g 也er e s p o n s ep m b l e mo fs h a r i n gw h e nt l l el o a d sa td i f f b r e mb e a r i n gp o s i t i o na r ed i f f e r e n t ，i sp r e s e n t e d ( 2 ) r e g a r d i n gt l ep r o p u j s i o ns h a r i n go fw a r s h i p ( a ) a st h er e s e a r c ho b j e c t ，t l i ec o m p o n e n t s 、v i mg r e a tr o t a t i o ni n e n i am o m e m ，廿1 es u p p o r t i n gb e a r i n gm o d e la i l dt h eb e a r i n gg a pm o d e la r ee x p l a i n e di nt h e o r y ，t h e nt h er e s p e c t i v ee f f 音c t so nt h es h o c k武汉理工大学硕士学位论文r e s p o n s ea r ed l s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i n gp r a c t i c eo fs h a f c i n m es h a f 【i n gr o t a t i o ns p e e d ，m ep m p e l l e rt h m s ta n dt h eg e o m e t r i c a ln o n l i n e a rf k t o r 盯et a k e ni m oc o n s i d e r a t i o n ，a n dt l l er e l e v a l l tm o d e l - b u i l d i n gt h e o r i e sa r ep m p o s e df i r s t l y s u b s e q u e n t l y t h er e l e v a n t 行n i t ee l e m e n tm o d e l sa r eb u i l ta n dt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n sa r ec a r r i e do u tf o r t h ep r o p u l s i o ns h a f c i n go f w a r s h i p ( b ) o nt h eb a s i so fw h i c h 血ee 琢：c to ns h o c kr e s p o n s eo fd i f f 毫r e n tf a c t o ri sd i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y ( 4 ) c o n s i d e r i n gar e a ls h ma st h et e s t i n go b j e c t ，t h em o d a lt e s t i n gi su s e dt om e a s u r et h es y s t e m i cd y n 锄i cp a r a m e t e r so ft l l er e a ls h a f t ，s u c ha sn a t l 】r a lf e q u e n c i e s ，m o d e s ，f e q u e n c yr e s p o n s ef h n c t i o n s ，a n ds oo n f u r h t e n n o r e ，a c c o r d i n gt ot h em o d e l b u i l d i n gt h e o r yb r o u 曲tf b n v a r dp r e v i o u s l y ，m ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h er e a ls h a r i n gi sb u i l ta n dt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o ni si m p l e m e n t e d ，矗d mw h i c ht h es y s t e m i cd y n 锄i cp a r a m e t e r sa r eg a i n e d s u b s e q u e n t l y ，b a s e do n 血em o d a la 1 1 a l y s i s把c h n i q u ea n dm o d e la m e n d i n gi d e a ，t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa i l dt e s t i n gr e s u l t sa r ec o m p a r e da i l dt h ef i n i t ee l e m e mm o d e l - b u i l d i n gm e o r yi sv a l i d a t e d ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h ed i 印l a c e m e n ts h o c kr e s p o n s er e s u l ta n dt h er e l a t e da 1 1 1 y s i so f t h es h a f t i n go f w a r s h i p ( b ) f r o mc h a p t e r4 ，ap r i m a r ym e n d i n gp r o j e c ti ss u g g e s t e d t h e nt h es t r e n g t hc h e c k i n gc a l c u l a t i o ni sc a r r i e do u t i nt h en e x tp l a c e ，i nm el i g h to ft h eg o a lo fa 1 1 t i 。s h o c kd e s i g n ，t h em a x i m u mp o t e m i a le n e 唱y ，s t o r e di nt h eb e 赫n g sd u r i n gt h es h o c kl o a da c t i n gs t a g e ，i sc h o s e na st h et a 唱e tf h n c t i o n t h e nt h eo p t i m u md e s i g ni sp u ti n t op r a c t i c eb a s e do nt h eg e n e t i ca r i m m e t i c ( g a ) t h ea b o v ei n v e s t i g a t i o n sp e r f e c tt h ec a l c u l a t i o n a lm o d e lo fp r o p u l s i o ns h a f t i n go fw a r s h i pf o ra j l t i s h o c ka n l y s i s 如r t h e r w h i c hp r o v i d e st 1 1 e o r e t i cg u i d ef o rs i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n ，s h o c kr e s p o n s ee v a l u a t i o n ，v i b r a t i o nr e d u c t i o na i l ds h o c ki s o l a t i o nd e s i g n ，a n ds oo n k e yw o r d s ：u n d e n v a t e re x p l o s i o n ，p r o p u l s i o ns h 礤i n g ，s h o c k ，f i n i t ee l e m e n to p t i m a z i t i o nd e s i g ni i i武汉理j ：火学硕十学位论文符号说明重力加速度材料弹性模量，n m 之材料剪切模量；n m 七材料密度，k g m 截面面积，m 2截面惯性矩，m 4梁单元长度，m圆盘质量，k g圆盘极转动惯量，k g m 2圆盘径向转动惯量，k 叠m 2轴系转速，r a d s 。系统质量矩阵系统阻尼矩阵系统刚度矩阵位移列向量载荷列向量geg。a，易乃q嗍旧陶独创性声明本人声明，所呈交的沦文足本人在导师指导下进行的研究工作及墩褂的研究成果。尽我所知，除j 7 义小特刈加以标注和敛盼的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名蓐瑶扎日期：兰荔二皇关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。签名：武汉理一r 大学硕+ 学位论文1 1 引言第1 章绪论舰船作为一个漂浮在海上的全自由强性体，其机械物理环境复杂多变，在航行或作战时会受到来自于主机、螺旋桨、海浪、深水炸弹或鱼雷爆炸等多种周期或非周期性的干扰，有时会引起船体剧烈振动。舰船设备同样会受到诸如振动、冲击、摇摆、离心加速度、颤振等多种形式的机械力，对其危害最大的是振动和冲击，它们将造成两种破坏形式：一是设备在某一频率的激振力作用下产生共振，最后因振动加速度超过设备的极限加速度而崩溃，或者因为冲击所产生的冲击应力超过设备的强度极限而造成破坏；二是振动加速度或冲击力引起的应力虽远低于材料在静载荷下的强度，但长期振动或多次冲击会使设备疲劳破坏【ij 。1 1 1 冲击概念、特点及其危害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。从理论分析的角度看，冲击响应就是系统受到一种短暂的脉冲、阶跃或其它瞬态的非周期激励的响应吼由于产生冲击的原因不同于振动，因此与振动相比，冲击有以下几个不同的特点【3 】：( 1 ) 冲击是骤然的、剧烈的能量释放，能量转换和能量传递，从能量角度看，冲击具有强烈性；( 2 ) 一般来说，冲击的形成过程和传递过程持续时间很短，且为非连续和非稳态的，即冲击具有瞬态性；( 3 ) 水中武器爆炸的冲击波，其形态不像周期振动那样具有周期性，而往往是在短暂时间内一次完成，因此，冲击具有非周期性的特点。冲击对于机械设备系统、电子系统、结构以及人体会带来很大的危害有时会造成致命的灾难性后果。舰船及舰船机电设备受到冲击载荷作用时，轻者武汉理工大学硕士学位论文机电设备功能失效，重者舰体断裂，甚至舰船沉没【4 】o1 1 2 舰船推进轴系抗冲击研究意义舰船及其机电设备在服役期中必然要面临冲击环境。舰体及舰船机电设备如何抗击各种兵器的接触爆炸和非接触爆炸所产生的冲击载荷，是海军和舰艇设计师十分关心的问题。就舰船动力机械来说，考虑其具备抗冲击的能力具有十分重要的意义。一艘舰船的动力机械如果没有考虑抗冲击问题，在实战中只要遇到一般性的水中武器攻击，瞬间就可完全丧失运转功能而失去战斗力，或使船舶失去运输能力而继续遭到敌人的连续攻击，直至完全沉没【3 】。舰船主推进装置是舰船动力系统的重要组成部分，主要包括主机和主推进轴系。舰船主推进轴系在冲击载荷下的位移响应和应力大小直接关系到船舶动力系统的可靠性，直接决定了装雹的寿命、舰船生命力等【5 1 。因此，舰船及其机电设备抗冲击的基本理论和计算方法是世界各国海军所关注的热点问题。在海战中，舰船冲击源主要有三种：( 1 ) 接触性爆炸，如遭受导弹、激光炸弹的直接攻击；( 2 ) 水中非接触性爆炸，如遭受声纳鱼雷爆炸的冲击：( 3 ) 自身武器发射时反冲力造成的冲击。这些冲击会造成舰体损伤，设备损伤和破坏或功能的丧失。近二十年来，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，对舰船结构及设备的威胁更为严重1 6 j 。而众多的海上战例及实船水下爆炸冲击试验结果表明，海军战斗舰船在水下爆炸环境中所显现出的突出薄弱环节，是舰船上许多重要设备及装置的抗冲击性能过差i l j ，因此舰船机电设备的抗冲击性能对其生命力和战斗力有着非常重要的影响。尤其是舰船主推进轴系，其抗冲击能力应引起足够的重视。然而，我国海军现役舰船均未有机会经受实战考验，在研制中又由于经费有限而无法丌展设备冲击试验和实船爆炸试验，舰船设备的抗冲击能力尚难有较大提高1 5 j 。而西方海军强国从马岛战争中，发现了大量的抗冲击薄弱环节，均投巨资开展舰船抗冲击研究，并修改了相应的规范标准。因此在舰船主推进轴系设计过程中，开展其抗冲击性能计算研究，准确地考虑爆炸冲击的影响和进行有效的隔扳抗冲设计是至关重要的。这对国防建设，特别是对海军建设，具有重要的现实意义和深远的历史意义。武汉理：f ：大学硕十学位论文1 2 国内外研究现状1 2 1 水下爆炸理论水下爆炸载荷是舰船抗爆炸设计和分析的重要基础，是舰船结构和设备冲击动响应计算的输入条件，水下爆炸载荷的准确描述直接影响舰船抗爆能力的分析精度n 由于环境介质的不同，爆炸产生的冲击波的特性具有显著差异，与空爆相反，水下爆炸冲击波压力高，持续时问短，传播速度快。水下爆炸的研究始于十九世纪初。由于战争需要，在第一、二次世界大战期间，其研究得到了快速发展，特别是二次世界大战以后，美国海军对从日本海军俘获的战舰进行了一系列的水下爆炸试验，积累大量试验数据，并对爆炸冲击波在海水中形成机理、传播形式和能量分配【啪】进行了系统的理论研究。c o l e ( 1 9 6 0 ) 根据他本人及有关研究部门于第二次世界大战期间对水下爆炸研究所积累的资料编写了水下爆炸一书，对水下爆炸的物理原理、压力测量和爆炸现象进行了系统的研究和总结，对爆炸冲击波、滞后流、气泡脉动等现象进行了全面的描述，揭示了爆炸参数之间的相互关系【1 0 】。二十世纪六十年代，研究工作主要在于通过水下爆炸试验研究冲击波的形状，并验证前人提出的冲击波形状估算公式以及大药量水下爆炸作用范围和形成机理【1 1 - 1 “。其中，文献【1 1 】将冲击波压力达到最大值的时间作为标准，考虑了冲击波有限幅值效应。七十年代，p e t e rh r o g e r s进步研究了冲击波峰值过后的冲击波的描述方式，提出了闭式的解析解，推导了波形的描述形式，计算结果与基于试验的半经验公式( 1 ( i f k w o o d b e t h e ) 相一致【1 3 】。八十年代，测试技术的发展使研究工作主要集中于水下爆炸瞬态信号测量等方面。文献【1 4 】提出了通过水下爆炸声信号估计线性系统脉冲响应的方法；而文献【1 5 】提出一种确定水下爆炸宽带的瞬态声信号平均频率均方相干( f r c q u e n c y a v e m g e d ，m e a n s q u a r e dc o h e r e n c e ，f m s c ) 方法。随着计算机技术和有限元软件发展，二十世纪九十年代以后，除了进行理论研究和试验研究外，水下爆炸计算机仿真模拟【l “1 8 】成为研究热点，例如大型有限元软件m s c d y t i 认n 、a n s y 刚l s d y n a 、a b a q u s 等都可以完成水下爆炸冲击波的模拟。我国有关舰船生命力的一些基础工作，不论是船体的抗爆数据，还是各类武汉理一：人学硕十学位论文装舰设备、系统的抗爆抗冲击数据，都积累很少。二十世纪八十年代初，我国曾进行了“汾河”号登陆舰和由导弹快艇改装的0 2 8 g 扫雷艇的实船水下爆炸试验，获得了一些珍贵的数据，这些数据主要用于冲击环境的描述1 7 j 。九十年代，水下爆炸试验仍然是研究水下爆炸问题的主要方法，文献f 1 9 】根据最小二乘法基本原理，研究了在非无限水域具体测试条件下测定炸药水下爆炸气泡能的固有常数的方法、步骤，根据测试结果分析了水中热散失和有限水域“边界效应”造成的能量损失，指出只有求出有关常数，修正“边界效应”的影响后测得的炸药总能量才最接近于该炸药的爆热值。在浮动平台水下爆炸试验中，文献f 2 0 1通过低频簧片仪的簧片应变曲线展示了簧片对水下爆炸响应的全过程，重点研究了簧片应变和滞后流效应的关系，指出水下爆炸冲击波、滞后流和二次压力波对舰船及模型的作用效应各不相同。同时，水下爆炸的数值计算成为另一个研究方向，文献【2 l 】利用位标函数方法以及高精度的n n d 格式来模拟冲击波、自由界面运动及其相互作用，对近水面水下爆炸时的一系列复杂的物理现象进行了合理的再现。近几年，国内研究主要集中在仿真计算方面，建立了考虑水面效应和气泡运动时舰船受到二次脉动压力的计算模型1 2 2 】；文献【7 1 从工程应用出发，分析影响气泡脉动压力的主要因素，从波形和冲量两方面作等效处理，归纳总结了气泡脉动压力的半经验解析公式。1 2 2 流固耦合理论和算法流固耦合力学是流体力学和固体力学交叉而形成的一门力学分支。它的重要特征是两相介质之间的交互作用( f l u j d s o l i di n t e m c t i o n ) ：固体在流体载荷作用下产生变形和运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小，j 下是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象【2 3 l 。流体与结构的耦合问题一直是船舶结构水下爆炸动响应分析中的难点，自五十年代以来科学家们提出了多种解决方法【2 4 2 引。1 9 5 3 年提出的平面波假设( p w a ) ，是_ 种当频率接近无穷大时的近似方法，考虑了流体的可压缩性和散射波的辐射性，但只适合于求解水下爆炸冲击波与结构的早期高频相互作用过程，不适合于中后期的中低频响应分析。1 9 6 9 年解析的势流理论通过选择型函数、采用拉普拉斯( l a p l a c e ) 变换和分离变量法实现求解，但只适用于能够找到合适型函数的简单规则结构的动响应分析。1 9 7 0 年提出了虚质量假设f v m 舢，也是一4武汉理i 人学硕十学位论文种近似方法，将流体近似地看作不可压缩的理想流体，通过计算运动物体周围流体的动能考虑了流体的流动性和惯性。它只适合于求解水下爆炸冲击波与结构的后期低频相互作用，不适合于中早期的中高频分析。由于结构在水下爆炸作用下的早期响应的优势频率集中在高频，因而该方法不能单独使用，通常与p w a 方法相结合使用。迟滞势法( 1 9 7 7 ) 是一种较精确的近似方法，将结构表面载荷分为入射波、散射波和辐射波三部分，三者都满足波动方程。结构湿表面上的边界条件为压力的法向梯度与流体的惯性力相等，故波动方程和边界条件的解可以用迟滞势积分方程来表示。但该方法对计算机的资源需求很大，目前还无法应用该方法计算实际工程结构的水下爆炸动响应。虚源反射滞后流法( r e n e c t e da f t e 卜f l o wo f r t u a ls o u r c e ，r a v s 法) ( 1 9 9 4 ) 同样将结构湿表面的载荷分为入射波、散射波和辐射波三部分，认为散射波和辐射波与光学中的反射和散射相类似，由反射的虚源发出。对于球面波而言，流体速度与冲击波压力时间历程之间满足球面波运动关系式。根据湿表面法向的入射速度等于散射速度这一假设可以求解散射压力和辐射压力。该方法计算简单，但精度低，只能用于估算。在水下结构冲击分析中，一个十分重要的进展就是双重渐近近似方法f d a a法) 印8 l 。1 9 7 0 年发展的一阶双重渐近近似方法( d a a l ) 是一种改进了的近似方法，在高频和低频段分别用平面波假设和虚质量假设进行逼近，在中频采用线性过渡，从而在高、中、低频都有较好的精度。一阶d a a 法在高频和低频段与p w a 法和v 、) l j a 法是等价的。虽然它在高频与低频都有较好的精度，但在中频段具有不确定性。d a a l 法高估了流体阻尼，结构在水下冲击作用下的中后期响应偏小。由于d a a i 法的不足，g e e r s 通过对流体模态辐射能的分析，在1 9 7 8年提出了二阶双重渐近近似方法( d a a 2 ) ，该方法引入了模态频率矩阵，改进了中频段的精度。出于上述d a a 法将流体对结构动响应的影响集中在结构湿表面上，其局限性在于不能分析水下多体结构或内凹结构的多重散射波的高频响应，也不能分析结构混表面周围由于冲击动响应引起的空化效应。在该方面，国内刘建湖博士将冲击波与结构的相互作用分为声学反射阶段和d a a 阶段，提出了声学近似d a a 方法( a d a a ) 【7 j ，使d a a 方法能够适用于目前舰船上广泛应用的声学材料结构。国内流固耦合问题的研究工作起始于不同学科召开的系列会议，有首届气动弹性力学会议( 1 9 7 8 年，南宁) 、首届全国振动理论及应用学术会议( 1 9 8 0 年) ，武汉理_ ：人学硕十学位论文流体弹性力学会议( 1 9 8 5 年) 等【2 3 1 。9 0 年代流固耦合问题的研究主要集中在工程中具体问题求解方法方面：文献【3 3 】将地视为流固两相介质并考虑非均质成层特性，利用l a p l a c e h a n k e l 变换推导了多层地基动力问题时域解；文献【3 4 】用直接求解常微分方程组的方法解文献【3 3 】所得的控制方程，减少了传递矩阵计算工作量，避免了子阵求逆，使问题求解得到了简化；文献【3 5 】针对导弹在水下运行的振动问题，利用变分原理推导了三维流场中附连水质量的一般公式；文献【3 6 】对边界元有限元耦合方法进行了分析，采用非连续元离散边界积分方程，解决了耦合分析中自由度约束问题。近几年，针对流固耦合振动问题，提出了加权残值法【3 7 1 、a l e 有限元法【3 8 。9 1 、改进的w i l s o n 一0 法1 4 0 啦! 、精细时程积分法【4 3 】等求解方法：文献 “ 针对非线性气动弹性仿真问题中的数据交换和插值问题，提出了一种有限元四节点( f e f n ) 插值方法；文献 4 5 应用有限元法探讨了流体、固体界面由无限接触点对组成，并以接触点对的瞬态接触内力作为待定变量的流固动力耦合模型的数值求解方法。同时，流固耦合研究开始涉及非线性问题，文献 4 6 基于势流理论，在流体小幅度流动的前提下，考虑水中结构大变形的影响，对具有自由液面的非线性流固耦合系统，提出一个广义变分原理，为这类问题的有限元数值分析提供了有力的理论依据：文献 4 7 推导了种基于a l e ( a r b i t r a r yk g f a n 醇a n e u l e f i a n ) 描述下的带自出液面不可压液体与运动结构非线性耦合问题的一种有限元计算方法。1 2 3 舰船结构爆炸动晌应和破坏研究水下爆炸载荷作用下结构的动响应问题丌始于2 0 世纪4 0 年代，从简单结构分析开始。解析的能量理论一直是分析简单结构( 如板、梁) 在水下爆炸载荷作用下永久变形的有效方法。c o l e ( 1 9 4 8 ) 最早给出了水下爆炸作用下圆板的永久变形计算公式，随后其他学者对圆板、简支方板以及梁在冲击载荷作用下的动态塑性变形【4 “9 】进行了广泛深入的研究。由于战争需要，舰船结构爆炸动响应研究开始于第二次世界大战期间。美国在二战期间和二战后，对舰船的抗爆问题进行了非常系统的研究，还在比基尼岛进行了规模巨大的实船核爆炸效应试验，取得了很多成果。k e i l ( 1 9 6 1 ) 对水面舰船的爆炸动响应和破坏进行了系统的论述，指出水面舰船的船体破坏主要分成三种模式1 7 】：第一种模式为舷侧破坏，主要由水下爆炸冲击波引起：第二种6武汉理。：大学硕十学位论文为底部结构破坏，由船底下方爆炸引起的冲击波和气泡脉动压力作用所致；第三种模式为船体纵桁破坏，由非接触爆炸条件下的冲击波和气泡脉动压力共同作用下的总体鞭状震荡( w h j p p i n 曲响应所致。s w g o n g ( 1 9 9 9 ) 应用d y n a 3 d s a 程序计算水面舰船部分舱段在水下爆炸作用下的瞬态响应，分析了不同边界条件对响应结果的影响，指出简支简支边界条件是模拟舱段端部约束的最优选择i 矧。y 0 u n gs s h i n ( 2 0 0 4 ) 建立了三维水面舰船水下爆炸冲击计算模型，并运用l s d y n 刖u s a 程序进行了仿真计算，通过与试验结果的对比分析，指出了舰船冲击仿真计算应考虑的几个重要因素1 5 ”。潜艇以其隐蔽性好，打击能力强等优点，作为一种战略力量，受到各国海军的高度重视。其抗爆研究从二次世界大战期间开始，在比基尼岛的核爆炸试验中就有多艘潜艇。美国在2 0 世纪5 0 年代就进行过多次潜艇模型的水下爆炸试验，由于保密的原因关于潜艇抗爆的技术文件很少公开。f l o r e n c e 和a b r a h a m s o n ( 1 9 7 7 ) 比较系统地阐述了加筋圆柱壳在水下爆炸作用下的动响应和破坏，通过对大量试验的观测和分析，指出在水下爆炸作用下潜艇的破坏主要分为两大类，即环向破坏和轴向破坏。环向破坏主婴有准静念总体j j = f 曲、动念面板屈曲和总体动态屈曲三种形式；轴向破坏主要有轴向载荷作用下的面板动态屈曲和总体鞭状弯曲( w h i p p i n 曲引起的面板动态屈曲两种破坏形式叽近年来，美国和西欧一些国家对潜艇的抗水下爆炸问题开展了大量的理论和试验研究。目前采用的分析方法主要为将d y n a 3 d 和u s a ( u n d e n v a t e r s h o c k a m a l y s i sc 0 d e )相结合分析结构在水下爆炸载荷作用下的屈曲和破坏。国内研究工作除了8 0 年代初进行的两次水下爆炸实船测试外，7 0 2 所也对浮动冲击平台进行了几次爆炸试验【5 2 l ，取得了些试验数据。九十年代以来的研究工作主要集中在数值仿真建模和计算研究方面 5 3 侧：刘士光( 1 9 9 6 ) 采用能量原理和刚塑性材料本构模型，对冲击载荷作用下的矩形加筋板结构的塑性动响应进行了分析，认为动响应的变形模态与静力极限变形模态相同，推导了计及板的膜力和加强筋轴力影响的塑性动力响应的运动控制方程：张效慈( 1 9 9 7 ) 提出了压力场脉冲偶的新观点，引入当量能量、当量深度概念后，可考虑气泡迁移效应及自由水面影响，逼真地反映了水下爆炸气泡运动规律及其造成的水动压力场的变化；李国华等( 1 9 9 8 ) 在浮动平台水下爆炸试验中，用丰富的理论和试验数据证实了“水下爆炸滞后流使舰船产生的阶跃位移是安装频率为1 0 h z 的舰船设备冲击振动的主要能源”，而冲击波具有的能量对舰船设备冲击振动的贡献微7武汉理t 火学硕十学位论文不足道；2 0 0 5 年他们通过对以b 口试验数掘的分析，研究了气泡运动与舰船设备冲击振动的关系，并迸一步验证了以前的结论；李玉节等( 2 0 0 1 ) 在考虑水下爆炸气泡的脉冲多次性、迁移性和水面效应等因素的基础上，揭示了非接触爆炸产生的气泡脉冲激起细长形船体作鞭状响应运动的现象；哈尔滨工程大学姚熊亮等应用a n s y s l s d y n a 对舰船在水下爆炸载荷作用下的动力响应进行了仿真计算，并对计算结果进行了系统分析；上海交通大学蒋伟康等( 2 0 0 2 ) 根据小型水下壳状结构受爆炸冲击后散射现象严重的特点，提出了一种新的冲击载荷的近似计算方法；海军工程大学张振华等( 2 0 0 3 ) 应用m s c 徊y t i 渔n 数值模拟水面舰船在远距离水下爆炸载荷作用下的动力相应，计算结果和经验公式的结果基本一致；海军装各研究院汪玉等应用有限元法，建立船体及流体的三维有限元模型，借助a n s y s 对大型船体在流固耦合作用下的反冲击力冲击响应做出了预测。1 2 4 舰船机电设备抗冲击研究舰船设备的抗冲击研究主要涉及冲击环境的预报和确定，强化设备的抗冲击能力和设备的冲击保护三方面内容i ”。冲击环境是设备抗冲击研究的基础。舰船设备的冲击环境主要表现为设备所经受冲击加速度、冲击速度和位移。确定舰船上冲击环境最可靠的方法是实船试验，美国和欧洲的一些海军强国主要由此确定冲击环境，每一艘新型舰船都要进行实船试验考核，n a l d ( 北大西洋公约组织) 每年都安排实船作抗爆试验研究。美国海军舰船建造局wp w e l c h ( 1 9 4 6 ) 指出“实际的舰船冲击可以视为等速度冲击，至少在刚开始的o 0 1 5 秒内是这样的”，并第一次提出了用阶跃速度法来进行冲击隔离设计；r l b o r i ( 1 9 6 2 ) 提出了舰船冲击运动计算公式；s a lg i a n n o c o l o ( 1 9 6 3 ) 给出了舰船机电设备冲击速度的大致范围，很有参考价值；p b w j s h a r t ( 1 9 6 6 ) 提出了舰船各部分冲击速度的不同分布情况吼然而实船试验费用大，不易实施，尤其对财力有限的发展中国家，采用数值计算的方法确定冲击环境具有良好的前景。另外，数值计算对于研究冲击环境的规律性具有比实船试验更经济、更灵活的优点。8 0 年代直接采用冲击因子描述冲击环境，提出设备能够承受冲击载荷的要求，以熏力加速度的倍数表示，该倍数称为冲击因子，又称过载系数l ”。吴用舒( 1 9 8 2 ) 根据0 2 8 g 艇水下爆炸试验总结出了水面舰船垂武汉理一人学硕十学位论文向冲击环境的预报公式。近几年，姚熊亮利用a n s y s 几s d 叮a 研究了船体在不同炸药当量、起爆位置、有限元网格划分时的冲击环境【5 引，冲击环境与冲击因子的关系【5 9 】，以及多发武器同时命中时潜艇冲击环境计算i 6 0 1 。直接用冲击加速度、冲击速度和位移来描述冲击环境在工程上并不方便。一种广为接受的描述冲击环境的方法是“冲击谱”，即假想安装在同一基础上的一系列不同固有频率的无阻尼线性振子，经受样瞬态基础冲击运动时，其最大响应幅值与其固有频率的关系曲线【2 7 1 。谱值包括相对位移、相对速度和绝对加速度值。在冲击动响应分析计算中，常用四维坐标描述冲击谱，其中以速度谱作为纵坐标，频率作为横坐标，与横坐标成+ 4 5 0 和4 5 0 的坐标系，分别表示相对位移谱和加速度谱。图l 。l 为一典型的设计冲击谱。冲击谱作为设备冲击环境的定量描述工具，可以直观地给出在f r e q u e n y 恤】幽1 1 设计冲击潜示意幽该冲击环境下设备的绝对加速度，相对于基础的相对速度和相对位移。虽然冲击谱直观、应用方便，但冲击谱分析方法基于线弹性理论，不能考虑设备的非线性安装条件和舰船设备对船体的反作用对冲击环境的影响。设备抗冲击强度的强化是一个不断完善、不断提高的过程。设备的抗冲击设计经历了静态等效法、动态设计分析方法和实时模拟法三个阶段【4 】。等效静态方法( 又称冲击设计因子方法) 是将动栽荷等价为定数量的静载荷，用静态的方法进行强度校核，通常用1 5 倍的静载作为校核载荷，但是不能考虑设备高阶响应，实际上只校核了阶低频响应的强度。为了克服等效静载法的不足，产生了动力设计分析方法( d y n a m i cd e s i g n a n a l y s i sm e t h o d ，d d a m ) 。该方法建立在模念分析理论的基础上，设备的输入载荷为冲击谱。d d a m 方法可以考虑高阶的破坏模式，但是仍然具有很大的局限性：( 1 ) 只能分析线性系统；( 2 ) 不能考虑9武汉理工人学硕士学位论文冲击载荷在设备中的瞬态波动效应：( 3 ) 不能考虑邻近设备和船体对冲击输入的影响。鉴于上述原因，实时模拟法就成了替代d d a m 的分析方法，它采用实测的时间历程曲线作为设备的输入载荷。对设备在时间域进行瞬态分析，可以考虑非线性因素。目前国内关于舰船轴系抗冲击计算都采用时域方法：文献【6 5 】用有限元法分析了轴系横向振动特性和系统冲击响应的计算方法，并编制了相应的程序；文献【5 采用有限元与数值计算相结合的方法，建立了推进轴系冲击响应的数学模型，导出了在加速度冲击输入条件下轴系冲击响应数值仿真方法，它适用于船舶推进轴系垂向冲击位移和轴承座冲击应力响应估算；文献 6 6 基于a n s y s 环境提出一种船舶推进轴系动力学仿真方法，并首次讨论了主机在轴系动力学仿真中的影响，从模态分析和瞬态动力学分析两个方面入手比较了带主机轴系模型与不带主机轴系模型在动力学分析中的差异。虽然这些工作为舰船推进轴系抗冲击研究提供了建模方法和计算方法，但是研究不够完善、不够系统、不够深入，建模理论和方法缺乏实验验证。文献 5 螺旋桨采用集中质量模型，没有考虑螺旋桨转动惯量的影响；虽然文献 6 5 】 6 6 】采用圆盘单元模型，但是缺乏深入的理论分析研究。其