（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）舰船冲击环境频域与时域特性研究.pdf

c a n d i d a t e g u oj i s u p e r v i s o r y a n gz h i g u o a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y d e s i g n a n dc o n s t r u c t i o no f n a v a l a r c h i t e c t u r ea n do c e a ns t r u c t u r e d a t eo fs u b m i s s i o n j a n u a r y 2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n j a n u a r y 2 0 1 0 u n i v e r s i t y h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 1 薯 哈尔滨 丁程大学硕士学位论文 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 本论文的所有工作 是在导师的指导下 由 作者本人独立完成的 有关观点 方法 数据和文献的引用已在 文中指出 并与参考文献相对应 除文中已注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果 对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式 标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 作者 签字 暑p 胁 日期 乙d d年 月占日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定 即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学 哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索 可采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文 可以公布论文的全部内容 同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学 涉密学位论文待解密后适用本声明 本论文 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存 汇编等 作者 签字 考p 际 导师 签字 习匆 日期 洲d 年 月吕日 删年 切日 詹 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 摘要 水面舰船在服役期间将不可避免的遭到各种武器的攻击 舰船自身的抗 冲击性能决定了其生命力大小 进而决定了人员的安全 对于舰船抗冲击问 题 所要研究的主要涉及三个方面 一是冲击环境的确定 二是如何提高设 备的抗冲击能力 三是怎样更好的进行冲击防护 其中第一个问题是必须首 先考虑的基础性问题 只有确定了舰载设备的冲击环境 才能够保证对于设 备的抗冲击论证工作的正确性 因此 开展全舰范围内的冲击环境的研究具 有实际工程应用价值 本文针对两艘典型的水面舰船有限元模型 分别从频域与时域两个角度 研究了全舰冲击环境特性 在此基础上总结得到了冲击环境的概率分布以及 修正的抗冲击时域模拟法 并通过两种途径提出了冲击环境的预报方法 旨 在为抗冲击设计提供参考依据 以数值试验计算结果为学习样本 利用基于p s o 神经网络建立的冲击环 境智能预报模型 并结合m o n t e c a r l o 法随机抽样 预测得出随机攻击条件 下的大量冲击环境数据 以此为基础 首先进行冲击环境典型相关分析 探 讨了武器攻击参数与设备安装位置对冲击环境的影响关系 然后 对冲击环 境进行主成分分析与因子分析 以所得结果为中间步骤 应用动态聚类法进 行舰船冲击环境区域划分 提出了划分原则与具体方法 最后总结了各区划 冲击环境的概率分布形式与相应参数 为随机攻击条件下舰船冲击环境的确 定提供了依据 舰船生命力很大程度上决定于舰载关键设备的抗冲击性能 本文对设备 进行抗冲击分析时广泛采用的基于b v 0 4 3 8 5 的时域模拟法进行了探讨 首 先介绍了目前最适合分析强非线性非平稳信号的经验模态分解方法 并应用 这一方法研究了设备重量变化与冲击环境之间的相互作用 在此基础上对比 验证了基于b v 0 4 3 8 5 的时域模拟法 并提出了修正建议 为设备抗冲击计 算提供参考 影响冲击环境的因素众多 冲击环境的准确确定是一个十分复杂的过程 在缺少试验数据的条件下对冲击环境进行初步预估富有实际意义 本文首先 采用b p 神经网络预报方法 结合改进正交试验设计方法对冲击环境进行预 a 一 i i s h o c kr e s i s t a n c e t h e r ea r et h r e ea s p e c t st os t u d yi n v o l v e ss h o c kr e s i s t a n c e f i r s t h o wt o c a l c u l a t es h o c ke n v i r o n m e n t s e c o n d h o wt oi m p r o v es h o c k r e s i s t a n c eo ft h ee q u i p m e n t s t h i r d h o wt os u r g eg u a r db e t t e r t h ef i r s ta s p e c t m u s tb es o l v e df i r s t f o rw ec a l ln o te n s u r et h ev a l i d i t yo fr e s e a r c ho ns h o c k r e s i s t a n c eo ft h ee q u i p m e n t su n l e s sw ek n o we x a c t l yt h es h o c ke n v i r o n m e n t t h e r e f o r e t h er e s e a r c ho ns h o c ke n v i r o n m e n ti sm e a n i n g f u l i nt h i sp a p e r t h e 行e q u e n c yd o m a i na n dt i m ed o m a i nc h a r a c t e r i s t i c so f s h o c ke n v i r o n m e n th a v eb e e nr e s e a r c h e db a s e do nt w ot y p i c a lf i n i t ee l e m e n t m o d e l so fs h i p s t h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no fs h o c ke n v i r o n m e n t t h er e v i s e d t i m ed o m a i ns i m u l a t i o nm e t h o da n dt h e p r e d i c t i o n m e t h o do fs h o c k e n v i r o n m e n th a v eb e e no b t a i n e di no r d e rt ob eu s e di ns h o c kr e s i s t a n c ed e s i g n b a s e do nt h er e s u l t so fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n n u m e r o u sd a t ao fs h o c k e n v i r o n m e n th a v eb e e na c c e s s e du s i n gt h ep s on e u r a ln e t w o r k s w h i c ha p p l i e d m o n t e c a r l om e t h o df o rr a n d o ms a m p l i n g o nt h i sb a s i s t h er e l a t i o n s h i p s b e t w e e nt h ep a r a m e t e r so fa t t a c k sa n dt h ee q u i p m e n t sl o c a t i o na n ds h o c k e n v i r o n m e n th a v eb e e nd i s c u s s e dt h r o u g hc a n o n i c a lc o r r e l a t i o na n a l y s i s t h e n t h ep r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sa n df a c t o ra n a l y s i sh a v eb e e nd o n ef o rs h i p z o n i n gu s i n gd y n a m i cc l u s t e r i n gm e t h o d l a s t l y t h ep a r a m e t e r s o ft h e p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no fa l lt h er e g i o nh a v eb e e ng a i n e d w h i c hc a nh e l pt o d e f i n et h es h o c ke n v i r o n m e n tu n d e rt h ec o n d i t i o n so fr a n d o ma t t a c k s t h es h o c kr e s i s t a n c eo fm a i ns h i p b o m ee q u i p m e n t sc a nl a r g e l yd e t e r m i n e t h ev i t a l i t yo fs h i p s i nt h i sp a p e r t h et i m ed o m a i ns i m u l m i o nm e t h o do f b v 0 4 3 8 5 w h i c hh a su s u a l l y b e e nu s e d h a sb e e nd i s c u s s e d a f t e rt h e i n t r o d u c t i o no fe m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o nm e t h o d w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h e a n a l y s i so fs t r o n g l yn o n l i n e a ra n dn o n s t a t i o n a r ys i g n a l s t h ei n t e r a c t i o no f s h i p b o m ee q u i p m e n t sa n ds h o c ke n v i r o n m e n th a sb e e nr e s e a r c h e d b a s e do n i i i 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 一 t 1 1 i s t h et i m ed o m a i ns i m u l a t i o nm e t h o do fb v 0 4 3 8 5h a sb e e nv a l i d a t e d a n d t h ea m e n d m e n t sh a v e b e e np r o p o s e dt op r o v i d er e f e r e n c ef o ra n t i s h o c k c a l c u l a t i o n s t h e r ea r em a n yf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h es h o c ke n v i r o n m e n t s oi ti sv e r y c o m p l e xt oc a l c u l a t ei t i ti ss i g n i f i c a n tt oe s t i m a t et h es h o c ke n v i r o n m e n ti nt h e a b s e n c eo fe x p e r i m e n t a ld a t a i nt h i sp a p e r t h eb pn e u r a ln e t w o r ka n di m p r o v e d o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g nm e t h o d h a v eb e e nu s e dt op r e d i c tt h ei m p a c to f t h ee n v i r o n m e n t t h e n a f t e rs u m m i n gu pt h el a wo fn u m e r o u sd a t ao fs h o c k e n v i r o n m e n t t h ef o r e c a s t i n g f o r m u l ah a sb e e no b t a i n e d u s i n gr e g r e s s i o n a n a l y s i s i t sp r e d i c t i o ne f f e c th a sb e e nv e r i f i e di no r d e rt ob ea p p l i e dt of o r e c a s t t h es h o c ke n v i r o n m e n ti np r e l i m i n a r ye n g i n e e r i n g k e yw o r d s s h o c ke n v i r o n m e n t c l u s t e r i n ga n a l y s i s p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n t i m ed o m a i ns i m u l a t i o nm e t h o d r e g r e s s i o na n a l y s i s i v 第1 章绪论 l 1 1 研究目的及意义 1 1 2 国内外研究现状 2 1 3 论文的主要工作 8 第2 章舰船冲击环境计算方法研究 1 1 2 1 冲击环境的基本概念及描述方法 l 1 2 2 冲击环境计算 13 2 2 1 理论简化计算 1 3 2 2 2 数值仿真计算 15 2 3 工况与考核点布置 1 7 2 4 本章小结 1 9 第3 章舰船冲击环境频域特性研究 2 0 3 1 引言 2 0 3 2 冲击环境典型相关分析 2 0 3 2 1 典型相关分析及其检验 2 0 3 2 2 冲击环境与爆炸工况典型相关分析 2 2 3 2 3 冲击环境与设备安装位置典型相关分析 2 6 3 3 基于聚类分析的舰船区域划分 2 8 3 3 1 冲击环境主成分分析 2 9 3 3 2 冲击环境因子分析 3 2 3 3 3 基于主成分聚类与因子聚类的冲击环境区域划分 3 4 3 4 冲击环境概率分布 4 0 3 4 1 谱速度概率分布 4 0 3 4 2 谱加速度概率分布 4 3 3 4 3 谱位移概率分布 4 4 3 5 本章小结 4 5 第4 章舰船冲击环境时域特性研究 4 7 4 1 引言 4 7 4 2e m d 方法在冲击信号分析中的应用 4 7 v 一 士学位论文 4 7 4 9 4 2 3 基于e m d 方法的冲击加速度信号分析 5 0 4 3 设备重量变化对冲击环境的影响 5 2 4 3 1 不同重量下基础冲击输入 5 2 4 3 2 计算结果分析 5 3 4 4 重型设备冲击环境折减探讨 5 5 4 4 1b v 0 4 3 8 5 冲击环境折减规范 5 5 4 4 2 折减公式与计算结果对比分析 5 7 4 5 本章小结 6 1 第5 章舰船冲击环境预报方法研究 6 2 5 1 引言 6 2 5 2 基于b p 神经网络的冲击环境预报方法 6 2 5 2 1 改进正交试验设计方法 6 2 5 2 2 预测结果对比 6 5 5 3 基于回归分析的冲击环境预报方法 一6 6 5 3 1 冲击环境与空间距离的无量纲化 6 6 5 3 2 谱加速度预报 6 8 5 3 3 谱位移预报 7 2 5 3 4 预报公式验证 7 5 5 4 本章小结 7 6 结论 7 7 参考文献 7 9 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果 8 2 致谢 8 3 v i 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 1 研究目的及意义 第1 章绪论 我国拥有广阔的海岸线与辽阔的海疆 海洋领域是陆海空天电五大领 域中重要的一环 发展和加强海军力量 是保卫国家安全乃至世界和平的 战略手段 水面舰船是海军装备的一大组成部分 是现代海战中不可或缺 的力量 因此 水面舰船的战斗力的研究就显得格外重要 在水面舰船战 斗力的研究中 一般主要包括两方面的内容 一个是攻击能力 另一个是 抗打击能力 或者叫做生命力 二者缺一不可 在现代海战中 水面舰船 会不可避免的遭到武器的攻击 例如鱼雷 沉底水雷 深水炸弹等等 所 以 一艘舰船即使有再强的攻击能力 如果不能有效的对自身进行防护 就会在敌方的攻击下失去作战能力 舰船生命力的丧失不仅会造成舰船及 舰载设备本身的损失 而且会危及船员的生命安全 因此 舰船的抗冲击 技术是舰船设计制造的重要方面 必须引起高度重视 一般来讲 对于舰船的冲击研究可大致分为两个方面瞳1 一是接触爆炸 例如舰船遭到空投炸弹 舰载导弹 激光炸弹等武器的攻击 一是非接触 爆炸 例如鱼雷 水雷等对舰船的攻击 对于接触性爆炸 它可以在舰船 局部造成强烈的破坏 使得船体破损进水乃至沉没 但其波及范围相对来 说较小 而对于非接触爆炸 虽然它对舰船局部造成的破坏可能较小 但 是它对舰船造成的冲击作用波及范围较广 使得船体各层结构以及舰载设 备 船员受到冲击震动 对关键设备 管路系统等造成部分乃至完全的失 效 严重影响舰船的生命力 而且 非接触爆炸比接触爆炸发生的概率要 大 即使对于一些精确制导企图准确命中舰船某些特定部位的武器 也会 由于众多因素的影响最终发生非接触爆炸 故在海战中会更多的遇到这种 情况 水下非接触爆炸对舰船的影响主要体现在两个方面 一个是船体结构 另一个是船上的设备 船舶是一个海上的综合建筑 其内部包括控制 动 力 照明 给排水等多种系统 舰船作战 人员作息等都需要这些系统设 备的支持 所以 舰载设备能否具备较好的抗冲击能力 直接关乎整个舰 造规范中对于舰船抗冲击的规范 有很多都是针对舰载设备的规范要求 另外 对于舰船抗冲击问题 所要研究的主要涉及三个方面口1 是冲 击环境的确定 二是如何提高设备的抗冲击能力 三是怎样更好的进行冲 击防护 其中第一个问题是必须首先考虑的问题 它是抗冲击研究的基础 只有确定了舰船的冲击环境 才能够进行下面的工作 保证对于设备的抗 冲击论证工作的正确性 对于冲击环境的确定 目前最可靠的方法就是进行实船试验 但由于 实船试验需要耗费大量的人力 物力 财力 尤其是对于我国这样的发展 中国家 经济实力有限 所以数值仿真实验就成为了一个很好的选择 近 些年随着电子计算机技术的发展以及有限元技术和有限元分析软件的进一 步成熟 数值仿真实验由于其经济性 可行性与可靠性受到了广泛重视 和实船试验相比 它可以针对水面舰船有限元模型进行多种攻击情况的模 拟 而不需要大量的耗费 综合以上所述 本文将主要针对水面舰船在水下非接触爆炸作用下 舰体结构以及舰载设备的冲击环境特性进行研究 这其中主要倾向于舰载 设备的冲击环境 但由于舰船内部非设备布置处可能有人员活动 故对于 这些区域也进行考察 另外 由于实船试验次数有限 所得结果可能只能 反映部分情况 故本文将充分发挥数值仿真计算的长处 对计算与预测得 到的大量冲击环境数据进行计算分析 力求反映全舰在遭到水下武器攻击 时的冲击环境条件 这样 可以为实船设计阶段的冲击环境预报 设备的 抗冲击防护设计等提供一些有意义的参考 1 2 国内外研究现状 冲击是指在非常短的时间内 一般为几毫秒 外界的瞬态激励作用 在结构系统上 从而引起该系统的速度 加速度与位移发生骤变的一种现 象 对于冲击环境的研究 所要澄清的就是外界对于结构系统的这种瞬态 激励的大小 作用时间 作用方式等特性 冲击环境一般由冲击速度 冲 击加速度和位移来表示 在水下爆炸对于舰船所形成的就是一种冲击作用 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 在这种冲击作用下 需要研究舰船各个部位以及舰载设备基础处的冲击输 入 以进一步确定这一冲击可能对人员及设备造成的损害 根据美国学者h c p u s e y 的观点 舰艇和设备的抗爆和抗冲击的研究工 作占据了舰船生命力评估工作的半数以上 是需要着重进行的基础性研究 工作 然而 在水下爆炸冲击作用下 舰船以及舰载设备基础的频率成分 一般是非常复杂的 而且其在时域上的波形与幅度也是参差不齐 冲击作 用持续时间很短 属于瞬态作用 其激励函数是非周期性的 结构系统在 冲击作用持续时间内和冲击作用结束后的响应也是不同的 为了进行冲击 环境的研究和确定 需要进行实船或针对设备的冲击试验 并在此基础上 分析测量结果 从理论上进行规律的总结 对于舰船整体的冲击环境 目前最可靠的确定方法是进行实船试验 如果是针对具体舰载设备 也可以在冲击试验机上进行 此外还有一种方 法 那就是近些年伴随着电子计算机技术的发展而兴起的数值仿真实验 下面分别从这三个方面简要介绍一下国内外的研究现状 在经济实力许可的条件下 进行实船爆炸试验是研究冲击环境的非常 好的选择 因为这是目前为止确定舰船冲击环境和冲击响应的最可靠和最 准确的方法 实船水下爆炸试验的试验现场如下图所示 一 僦 图1 1 国外进行的实船爆炸试验 实船水下爆炸试验是针对目标舰船 事先根据试验目的和要求制定出 严格的试验方案 规定不同的药量 水深以及距离舰船的位置等参数畸 6 然后选择在一定的海况下开展试验 一般按照冲击的严酷程度逐渐加大的 不是任何一个国家都能够承受的 所以世界各国在这方面的研究投入是有 差别的 在当代世界各国海军中 美国和欧洲一些海军强国以其雄厚的资 金与科研力量进行了很多水下爆炸试验来确定舰船的冲击环境 积累了很 多的结论和经验口3 早在1 9 世纪的六七十年代 美国和英国海军就开始了 实船水下爆炸试验的工作 这缘起于战争中得到的经验与教训 在第一次 世界大战期间以及战后 各种舰船由于遭到武器的爆炸攻击以及自身武器 发射时的基座后坐力作用而发生了不同程度的毁损 而随着科技的进步与 军事力量的增强 舰船在海战中由于遭受攻击而发生的破坏又大大加重 在第二次世界大战期间 美国海军共损失了4 7 艘主战舰和4 2 艘潜艇 起 因主要就是由于舰载设备的抗冲击能力较弱 从而在爆炸冲击以及武器发 射后坐力作用下受到严重损坏 最终由于重要设备的失效导致整个舰船失 去生命力 于是 美国海军开始重视并加大了对于冲击环境以及舰船和设 备抗冲击的研究工作 在第二次世界大战以后 美国曾选择战争中遭到严 重破坏以致无法继续服役的舰船和一些被俘的日军舰船在太平洋比基尼群 岛进行了一系列实船水下爆炸试验 不仅如此 发展到今天 美国海军对 每种新型舰船的首制舰都要进行爆炸试验 只有舰船及其设备通过了抗冲 击能力考核要求才可以服役 除了美国以外 n a t o 北大西洋公约组织 每两年都会安排一些实船 进行冲击试验研究 另外 欧洲部分国家以及亚洲的日本 大洋洲的澳大 利亚等国家也都进行过数量与程度不等的实船爆炸试验 上世纪六十年代 日本曾对船体分段进行了一系列的水下爆炸试验 进入七十年代后 欧洲 一些国家也针对船体分段结构和一些具体设备开展了水下爆炸试验研究 上世纪九十年代 荷兰曾针对一个舰船模型开展了数次水下爆炸试验 我国在上世纪八十年代初期 在江苏省镇江市附近扇子圩水域 由第 六机械工业部和船舶系统工程部针对0 2 8 g 实艇开展了水下爆炸试验 得到 了一些结构部位的冲击环境数据 并通过在艇上放置了家兔家狗等方法 研究了水下爆炸冲击对于动物的损害程度 从而间接考察了人员在舰船遭 到武器攻击时可能的伤亡情况 进入本世纪后 由于我国经济的快速平稳 发展 在具备了一定的科研实力后 我国又开展了一些实船水下爆炸试验 4 体系作出了贡献 在新时期的我国实船水下爆炸试验中 我国海军充分发扬了无私的奉 献精神 在试验中由舰员直接在靶船上来考察爆炸冲击作用下对于人员的 影响 试验同时考察了冲击防护设备 冲击隔离措施等装置和方法的有效 性 并暴露出了舰船抗冲击的薄弱部位 为后续的抗冲击工作奠定了良好 的基础 试验中还测量得到了比较接近实战情况的舰船冲击环境条件 对 所得数据进行了分析 对现有的标准和规范体系进行了相应的修正 实船爆炸试验虽然是确定冲击环境的最可靠的方法 但是目前它仍然 存在一定的局限性 一是实船水下爆炸试验代价比较昂贵 试验需要足够 广阔的水域 靶船 指挥船 大量的参与人员 精密的测量设备 炸药等 时间与经济的开销都很大 这一点尤其对于发展中国家来说其约束性很显 著 二是由于实船试验的规模比较庞大 目前所能够进行的试验次数相对 比较有限 从这些有限的结果当中不容易很好的把握冲击环境的规律性 三是在公开水域进行试验又会引发环境污染等问题 而且前面已述 舰船 机电系统等一般是舰船抗冲击能力的薄弱环节 舰载关键设备的损害会使 整个舰船失去生命力 所以很多情况下 人们所重点关注的是舰载设备的 抗冲击能力 希望得到这些设备基础的冲击环境条件 综合以上两方面因 素 近些年世界各国都研制出现了多种多样的冲击试验机 在冲击试验机 上进行设备的冲击试验睛1 这种方法其实是可以通过人工直接控制冲击输 入 进而考核设备在这种冲击输入下的响应 但是应该看到 这种方法可 以反过来让人们研究设备对于基础处冲击输入的反作用 比如设备重量的 不同 设备安装频率的不同 这些因素都会影响到冲击环境 从这些试验 中得到的结论可以指导人们更好的进行设备的冲击隔离设计 研究表明 舰船在爆炸冲击作用下 结构的阻抗要明显高于基础的阻抗 所以 基础 处的输入和结构本身的惯性力之间的相互作用会显著改变相应的冲击谱 冲击试验机由于其比较经济和方便 在爆炸水池实验室就可以进行 可重 复性好 所以可以很好的进行这类问题的研究 更全面的总结冲击环境的 特性 无论是进行实船爆炸试验还是冲击机试验 其耗费都要大于数值仿真 5 哈尔滨 丁程大学硕士学位论文 实验 实船爆炸试验的一些局限性前面已经做了说明 而关于冲击机试验 会受到冲击机本身性能的限制 例如从冲击方法上来说 各种冲击机模拟 方式不同 有冲击响应谱模拟 冲击波形模拟等 从承载能力上来说 又 可以分为轻型冲击机 中型冲击机和浮动冲击平台 这样 针对某一种冲 击机 在进行试验时就有设备体积和重量的限制 还有冲击机可达到的冲 击加速度等限制 另外 实船爆炸试验和冲击机试验的可重复性也是有限 的 而在数值仿真试验中 可以任意模拟各种冲击条件并计算各种结构设 备的冲击环境 并可以做任意次数的试验 可重复性好 并具有经济方便 的特点 数值仿真试验由于不是物理试验 所以最需要关注的就是它的试验结 果的可靠性如何 也即试验结果能否较好的逼近真实物理试验的结果 要 想做到这一点 需要坚实的理论基础 良好的有限元模型以及严格的分析 计算程序等 目前美国海军在这方面做得很好 他们总结了一系列实船水 下爆炸试验的研究成果 发展了一整套比较完备的数值仿真计算程序咱1 经 过前处理 模拟计算 后处理直到与实船试验数据的比较 取得了良好的 成效 下图是其数值仿真计算步骤的示意 if e n i a p i m g e o n d c e r a l t i n preproce s i a g i ms c n a s t ra n p a t r an 营i l l t r he g r i d 彦i if o r t r a nl 叫 ls dy na 卜 s 妇ul a t i o n p r o cc s s i i i g fl uma s 一 一专 1l i i 死i 拓j 7 一jr 卜 l 二二 熏 i i i l ut i m l nt 谴 l ce e t r o i lg l v i e w l p o s l p f o c c s s i g i ma t lab 晷d a t ap r o c e s s i n g 一一一 t t i e r d t 0 0 1 s m 岬 1 图1 2 美国海军水下爆炸数值试验流程图 该程序的核心部分是l s d y n a 和u s a u n d e r w a t e rs h o c ka n a l y s i s 6 哈尔滨一j i 程大学硕士学位论文 两者的结合可以模拟和计算结构模型的水下爆炸响应n0 1 前处理模块用来 建立结构模型 拖动流固耦合面形成流体模型 转变命令语句以进行模拟 计算等 后处理模块用来察看分析结果并输出数据文件 最后使用m a t l a b 进一步处理结果并和实船试验值进行对比分析 下图是美国海军研究生院 发表的一篇论文中演示的某驱逐舰的有限元模型 图i 3 美国海军驱逐舰有限元模型 该模型网格划分均匀 对于舰体结构的各个部分模拟的相当细致 对 于舰载的关键设备也都是用三维实体模型进行模拟 并使用比例阻尼将阻 尼数据计入了有限元模型n 由于整个数值仿真计算的各个步骤都控制的 较好 故其最终计算结果和实船试验符合的也很好 我国对于冲击环境的数值仿真计算在近些年也取得了很多成果 在上 世纪9 0 年代初期 刘建湖 刘新祥等使用二阶d a a 方法开发了冲击环境 的预报程序 通过验证 当有限元模型建立合理时 该程序能够较好的预 测舰船的冲击环境 7 0 2 研究所刘建湖等对于水面舰船和潜艇机舱的冲击环 境进行了数值仿真研究 并与实测数据进行了对比 得出了考核部位冲击 谱和冲击加速度 冲击速度等的规律性口1 哈尔滨工程大学对于水面舰船与 潜艇在各种典型武器 如水雷 鱼雷 深水炸弹等 与各种爆炸工况下 如 水下接触爆炸 水下非接触爆炸 空爆等 的冲击输入与冲击响应开展了 大量的研究工作 哈尔滨工程大学姚熊亮等使用大型有限元动力分析软件 l s d y n a 针对某型舰船的有限元模型计算了典型武器攻击下各考核部位 加速度的响应 提出了新型冲击因子并给出了其理论意义n 羽n 引 上海交通 大学对于三维夹芯板结构等典型结构的冲击响应开展了深入研究 清华大 7 r 1 1 哈尔滨一 程大学硕 学位论文 学为了研究爆炸冲击环境对于人员的影响 使用真人与假人进行试验 分 析了不同姿态下的冲击输入的异同 江苏科技大学钱安其 嵇春艳 王自 力等使用m s c d y t r a n 有限元软件对舰载设备的冲击环境进行数值仿真 采用冲击谱描述方法 在低频范围内给出了冲击因子与设备冲击环境的关 系 并得出了简易的冲击环境预报公式口引 尽管有着可喜的研究成果 但是我国在冲击环境研究领域的理论还不 够成熟 受到经济实力的限制 对于实船水下爆炸试验开展的也不够充分 目前还没有充足的实船试验数据的积累 而且关于冲击环境的研究以及冲 击标准体系的建立属于各国军方的保密范畴 我们无法毫无限制的学习模 仿国外的已有成果 所以 现阶段应该在实船爆炸试验的基础上 加强理 论研究 辅以数值仿真计算 以期不断改进我国的冲击环境标准体系 为 海军装备建设提供更好的指导 1 3 论文的主要工作 本文主要针对水下非接触爆炸作用下舰船冲击环境频域与时域特性进 行研究 旨在为实船设计阶段的抗冲击防护工作提供参考 具体内容如下 第一章首先说明论文的研究目的与意义 舰船及舰载设备的抗冲击能 力是舰船生命力的重要体现 直接关乎舰船的战斗能力和船员的生命安全 而冲击环境的确定又是抗冲击研究的首要环节 所以对于舰船冲击环境的 研究是具有工程实际意义的 接下来对于国内外关于冲击环境的研究概况 做了介绍 指明了本文的研究背景 第二章是冲击环境研究的理论基础和数值仿真试验的全面介绍 首先 说明了冲击环境的基本概念以及通常的冲击输入描述方法 并从理论角度 推导了舱段与设备模型的冲击环境简化计算方法 然后 结合本文使用的 大型有限元分析软件a b a q u s 说明了数值试验的方法 也即如何通过数值 仿真手段得到一定工况下的冲击环境 最后对于本文的研究所设置的工况 结合图示进行了详细说明 使得下文的论述更加方便 第三章主要针对冲击环境在频域内的特性进行研究 工程上描述冲击 环境最常使用的冲击谱 是从频域角度对基础冲击输入的表示 影响冲击 环境的因素众多 由于事先无法确定舰船可能遭遇的攻击情况 而舰船不 8 哈尔滨工程大学硕十学位论文 同部位的冲击环境又会随着攻击条件的不同而发生变化 所以冲击环境是 具有随机性的 因此 这一章从概率统计的角度对具有随机性的冲击环境 进行研究 使用基于p s o 神经网络建立的舰船冲击环境智能预测模型预测 得出大量的冲击环境数据 以此为基础进行分析 第一节为引言 说明了 本章采用的分析方法与基础数据 第二节根据典型相关分析的数学原理 分析了药包参数和设备布置位置的不同和冲击环境的相关关系 指出了影 响冲击环境的最显著的因素 第三节采用动态聚类法对舰船冲击环境进行 区域划分 根据冲击环境近似的原则提出了舰船区域划分方法 首先分别 介绍了主成分分析方法与因子分析方法 它们均可以将原来具有相关性的 高维数据进行降维处理 得到的新的综合变量之间不相关 且可以代表原 数据的特征与趋势 自身一般又含有一定的意义 在此基础上 根据主成 分分析与因子分析的结果进行聚类分析 最终得到划分结果 两种手段得 到的聚类结果是一致的 说明了冲击环境聚类的稳定性与有效性 第四节 根据聚类分析的结果 分别在不同的区域内总结了谱速度 谱加速度与谱 位移的概率分布 得出了冲击环境概率分布类型与分布参数 通过这一结 果 可以具体确定冲击环境在随机攻击条件下各区域最可能的取值区间 为抗冲击设计提供参考依据 第四章主要针对冲击环境的时域特性进行研究 首先介绍了经验模态 分解方法 说明了使用这一方法分析强非线性非平稳的冲击信号的可行性 与优越性 提出了应用该方法进行冲击环境时域分析的具体步骤 然后考 察了设备重量的改变对于冲击环境的影响 采用质量分布均匀的简单结构 代替原复杂设备 改变该结构的重量 计算基础处的冲击响应 对得到的 结果使用经验模态分解方法进行分析 考察了不同频率成分随重量增加而 体现出的变化规律 在此基础上 进一步将计算所得结果与b v 0 4 3 8 5 中关 于冲击环境的折减方式进行了对比分析 指出了该折减公式的合理性与不 足 提出了改进方法 为设备抗冲击计算提供借鉴 第五章用两种方法尝试对冲击环境进行了预报 第一种方法是b p 神经 网络预报方法 神经网络方法已有很多文献资料进行过讨论 这一小节主 要针对训练样本的选择问题 提出了改进正交试验设计方法进行训练样本 的选择 并通过不同训练样本选取方式的对比证明了这种方法的简便性与 9 1 0 文 第2 章舰船冲击环境计算方法研究 2 1 冲击环境的基本概念及描述方法 输入和响应 或者说激励与响应是一对相对的范畴 冲击环境所要研究 的就是输入 具体地说 对于舰船结构而言 所要研究的就是各个部位在水 下爆炸冲击波作用下 这里的加速度 速度和位移输入 而对于舰载设备而 言 冲击环境指的就是设备安装基础处的加速度 速度和位移输入 应该指 出 输入和响应是相对而言的 在爆炸冲击波的作用下 如果单纯研究舰船 结构 可以说某考核部位的冲击响应是怎样的 而如果把这一步作为中间结 果 进而继续考察舰船结构或者设备基础对于人员 舱室 设备 管系等等 所造成的影响 那么就可以说在爆炸冲击波的作用下 某考核部位的冲击输 入是怎样的 也即这一部位的冲击环境是怎样的 设备的冲击环境就表现为设备基础的冲击加速度 冲击速度和位移 根 据试验中得到的加速度 速度和位移等参数的时间历程曲线 可以很直观的 反映出冲击输入特性 下图是冲击作用下舰船典型部位的冲击加速度时历曲 线 鼍 馘麟泓一l m 拶 l 图2 1 典型冲击加速度时历曲线 这时 每一个时间点对应了一个加速度幅值 可以针对时域曲线考察峰 值 冲击作用延迟时间 或者用非平稳信号处理方法对其进行各种分析 虽 然时域的直接描述也是一种可行的方法 但在工程应用上不是很方便 对于 今天各种舰载设备 其在服役期间将遭到各种各样的攻击 本身又具有多阶 描述方法 攻oi 模态分析理论的冲击谱 图2 2 模态分析示意图 如上图所示 假设在设备的基础上安装有n 个单自由度振子 当基础受 到冲击作用时 这 z 个振子的相对位移 速度与加速度响应的最大幅值随着 它们自身固有频率的变化关系就是设备的冲击谱n 显然 冲击谱值包括谱 位移 谱速度与谱加速度 典型的冲击谱如下图所示 t r e q u e n c y h z 图2 3 冲击谱示意图 图中不规则曲线是得到的冲击谱 比较规则的三折线是经过圆整的设计 冲击谱 水平坐标表示速度谱 与水平坐标呈 4 5 夹角的坐标表示位移谱 与水平坐标呈一4 5 夹角的坐标系表示加速度谱 如图所示 设振子f 的绝对位移为咒 相对位移为薯 基础运动为z r 则振子f 的绝对运动方程为 谚 m z 0 2 1 相对运动方程为 麓 砰 一艺 f 2 2 1 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 如果初始位移和速度为0 则可解得位移 川 一去卜 s i n 啪叫如 2 3 这样 振子f 的位移谱值d 即为上式绝对值的最大值 将上式求导后得 到速度的表达式 取其绝对值的最大值即为振子f 的速度谱值形 同理 再 求导后取绝对值的最大值即为振子f 的加速度谱值4 以上三者之间存在的 关系是 k c o i 口 4 皑2 口 2 4 2 2 冲击环境计算 2 2 1 理论简化计算 根据结构动力学理论进行结构体系的动力响应的方法很多 本节针对在 计算船体结构冲击响应时的简化模型 使用振型叠加法对结构的响应作出推 导 图2 4 简化舱段模型 如上图所示系统 以较大的集中质量碍 r n 2 模拟船体舱段各层甲板 其上分别以刚度为岛与k 4 的弹簧连接较小的集中质量鸭和r n 4 以模拟甲板 硕士学位论文 用有一个力e f 其动力方程可以表 m x k x c 2 5 其中 m 卜一系统质量矩阵 f k 系统刚度矩阵 戈卜 加速度向量 x 位移向量 c 激励力向量 具体可以写为 矾茜 白 如 而一包屯一岛屯 e m 2 釜2 k 2 x 1 k 2 x 2 一k 4 x 420 2 6 m 3 岛而 0 m d x 4 k 4 x 4 0 则由l k 一功2 m l 0 可算得系统的自振频率 进而求得对应的各阶振型 当采用振型叠加法时 可以将系统位移向量表示为x f t c b o u t 其中u t 是广义位移向量 而 是振型矩阵口8 l 这样 可以将原方程化为关 于甜口 的方程 砌 f g u f r c 2 7 其中府和霞是广义质量矩阵和广义刚度矩阵 至此 就可以将原来耦合 的方程转化为若干个独立的方程 对每一个m f 的求解可以使用零初始条件 的杜哈曼 d u h a m e l 积分n7 1 然后 将各阶响应进行线性叠加就得到系统 的总响应x f 事实上 许多工程问题在采用如上方法求解时只考虑前几阶振型就可以 了 在以上问题中 如果只关注现的响应 则可以作如下处理 将式两 端分别相加 则除了分量葺之外 其它的弹性力项全部抵消 方程化为 4 鸭薯 毛五 e 2 8 l 1 上面的方程只要左端第一项可以化为关于置的形式就可以求解了 因为 x t f 假如只考虑第一阶振型 则有 1 4 何论文 艺 萌 西 2 9 其中旃 表示第一阶振型向量的第f 个分量 这样 就可以很容易的把集 中质量的加速度用薯来表示 从而可以求解五 但是 般来说需要考虑的不 止于第一阶振型 此时由于广义位移向量的微分项无法像上面那样直接相消 运算就更加复杂了 但总能用i 来表示其它的加速度分量 从而求解五 同 理 如果关注的只是m 的响应 那么除了可以按常规方法求出系统各个位移 响应外 还可以按上面的方法求解 只是应在原系统中去除碍 将现的响应 作为初始条件加入到新的系统中即可 2 2 2 数值仿真计算 首先对计算中用到的有限元模型做一个简单介绍 整体模型分为两个部 分 一个是舰船模型 另一个是周围流场模型 对于舰船模型 主要使用了 梁单元和壳单元 材料为属性相近的钢材料 其密度为p 7 8 0 0 k g m 3 弹 性模量e 2 0 6 1 0 p a 泊松比 0 3 水下爆炸冲击波压力在极短的时间 里迅速上升到最大值 然后在相对较长的时间内逐步下降 所以 爆炸冲击 波能够在较宽的频率范围内激发起结构的响应 这就要求在建模时 一方面 流体的边界离结构要足够的远 以确保低频响应的准确性 另一方面流体单 元的特征尺寸要足够的小 以便能捕捉由结构传递到流体介质中的高频波h 引 流场采用了四面体单元 密度即为海水密度 o w 1 0 2 5 k g m 3 整个流场模型 分为三段 中间为半圆柱体 首尾两段为四分之一球体 流场长度为船长的 两倍 宽度为船宽的两倍 在船体与海水的接触面附近采用较为精细的网格 远离船体的部分网格适当加粗 为了保证船体与流场很好的吻合 对船体与 流场组合后的模型进行布尔操作 减去流场中船体水线面下的部分 船体与 流场的接触面通过有限元软件提供的功能进行耦合约束 这样 最终形成的 有限元计算模型如下所示 位论文 图2 5 a 舰有限元模型图2 6b 舰有限元模型 对于建立好的有限元模型 一般都要进行模型有效性验证 以保证所建 立模型的正确性 有限元模型应能够比较真实的再现实际结构 对于原结构 的几何形式 连接方式与材料属性等方面尽可能精确地描述 但另一方面 为了不至于付出太大的计算代价 又有必要对于原结构进行适当的简化处理 且有限元模型与实际结构应该具有相同的自身属性与响应特征n 9 1 因为后续 的分析计算都是建立在对有限元模型的仿真基础上的 所以只有