1 引言

基座是設(shè)備和船體的連接結(jié)構(gòu)，也是設(shè)備的安裝基礎(chǔ)?；瘸惺茉O(shè)備自重產(chǎn)生的靜載荷和設(shè)備運行時產(chǎn)生的動載荷，同時又將船體所受的外載荷傳遞給設(shè)備，其承受的載荷非常復(fù)雜。目前,根據(jù)規(guī)范設(shè)計基座時,僅考慮基座所承受的靜載荷和相當(dāng)當(dāng)量的動載荷[1]。但隨著艦船對生命力的要求越來越高，其設(shè)備的抗沖擊性能越來越受到重視，基座在設(shè)計時不得不考慮非接觸爆炸時引起的沖擊載荷。

現(xiàn)代艦船在爆炸載荷作用下，會給全艦帶來巨大的破壞作用。動力、電氣、武備等系統(tǒng)設(shè)備均需要可靠的安裝基座。在沖擊環(huán)境下如果基座出現(xiàn)問題，小則影響系統(tǒng)設(shè)備的精度，大則系統(tǒng)設(shè)備無法正常工作，甚至導(dǎo)致全船喪失生命力。因此對基座的抗沖擊設(shè)計研究是很有必要的。

2 艦船抗沖擊研究現(xiàn)狀

艦船的抗沖擊研究一直以來受到各國海軍的重視。有關(guān)資料表明,艦船抗沖擊研究的歷史可以追溯到19世紀(jì)[2]。1860年，美國海軍進(jìn)行了船體抗爆試驗。1874年8月，英國海軍在樸次茅斯進(jìn)行沖擊試驗，這是有資料記載的最早的機(jī)械設(shè)備抗沖擊研究和第一次全面的水下爆炸試驗[3]。隨后日本、意大利、荷蘭、德國等國也分別進(jìn)行了水下爆炸試驗[4]，并形成了相關(guān)的抗沖擊設(shè)計規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。1946年，美軍制定相應(yīng)的沖擊標(biāo)準(zhǔn)MIL-S-810HE、MIL-S-901，隨后逐漸發(fā)展為MIL-S-901B、MIL-S-901C以及至今還有效的MIL-S-901D[5]。美國軍用規(guī)范強(qiáng)調(diào)用沖擊試驗考核艦船設(shè)備抗沖擊能力和作為艦船設(shè)備的驗收標(biāo)準(zhǔn)[6]。1973年，德國海軍制定了BV043/73沖擊標(biāo)準(zhǔn)，隨后發(fā)展為BV043/85[7]。文獻(xiàn)[8]對各國的艦船沖擊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較分析。

我國艦船抗沖擊研究起步較晚，大約自20世紀(jì)70年代開始對艦船進(jìn)行抗沖擊研究[9]。90年代以后,加強(qiáng)了對艦船抗沖擊的研究工作，關(guān)注艦艇抗沖擊的技術(shù)發(fā)展[10-12]，主要研究了水下爆炸載荷的機(jī)理及響應(yīng)分析[13-18]，以及對艦艇系統(tǒng)、設(shè)備分析技術(shù)及抗沖擊計算程序仿真方法的研究[19-22]。同時，對設(shè)備抗沖擊實例進(jìn)行了分析[23,24]，對船舶推進(jìn)軸系的抗沖擊進(jìn)行了探究[25]。

國內(nèi)對基座的抗沖擊研究較少。文獻(xiàn)[26]研究了艦船基座在水下非接觸爆炸條件下的沖擊載荷，并對某柴油機(jī)基座進(jìn)行了沖擊計算。文章分別計算了柴油機(jī)基座在靜載荷和沖擊載荷作用下的應(yīng)力及變形，其中沖擊計算采用了靜g法和時間歷程法這兩種方法。計算結(jié)果表明，水下非接觸爆炸造成的沖擊載荷對艦船基座應(yīng)力、變形產(chǎn)生重大影響，在基座設(shè)計中不容忽視。

3 基座抗沖擊相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求

國外的基座抗沖擊要求體現(xiàn)在相關(guān)的沖擊標(biāo)準(zhǔn)中。德國軍標(biāo)BV043/73及BV043/85中對基座的沖擊安全性、許用應(yīng)力及沖擊響應(yīng)譜等作了規(guī)定。美國《艦船通用規(guī)范》中規(guī)定A級和B級設(shè)備的基座結(jié)構(gòu)應(yīng)和其所支撐的設(shè)備一起進(jìn)行沖擊試驗，若實際不可行則基座應(yīng)按動態(tài)設(shè)計分析方法進(jìn)行分析。美國海上系統(tǒng)司令部關(guān)于水面艦艇沖擊設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中提到了基座沖擊設(shè)計的兩種方法(靜力分析方法與動力分析方法)[27]。Warren D.Reid有關(guān)美國海軍水面艦艇中心分部水下爆炸研究的工作報告中提出，甲板上處于甲板頻率和基座頻率之間的共振環(huán)境是非常有害的[28]，這說明在設(shè)計基座時需考慮到基座與甲板之間的頻率。

國內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中也有對基座抗沖擊的規(guī)定。在我國的艦船環(huán)境條件要求中，對基座的抗沖擊等級及基座動力學(xué)分析作出了相關(guān)規(guī)定?；目箾_擊等級與被支承設(shè)備相同，設(shè)備的抗沖擊等級按設(shè)備對艦船安全和連續(xù)作戰(zhàn)能力的重要性分為A級、B級和C級。在設(shè)計要求中規(guī)定A級和B級設(shè)備的基座，凡尚未與被安裝的設(shè)備(或所模擬的設(shè)備)一起進(jìn)行沖擊試驗，均應(yīng)按動態(tài)設(shè)計使之符合沖擊標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，這一點與美國《艦船通用規(guī)范》中的規(guī)定是一致的。在沖擊試驗要求中規(guī)定沖擊試驗時，被支承的設(shè)備應(yīng)按艦上安裝的方式固定在基座上，基座不應(yīng)因沖擊而造成危害，其變形也不應(yīng)影響A級設(shè)備的性能?；脑O(shè)計應(yīng)首先按滿足正常工作要求進(jìn)行，然后從沖擊角度檢驗。若檢驗中基座存在過大的局部應(yīng)力，一般只要重新設(shè)計應(yīng)力過大的區(qū)域，以滿足沖擊應(yīng)力的要求。重新設(shè)計的構(gòu)件的沖擊可大于許用應(yīng)力的75%，但不大于100%。

4 基座抗沖擊計算方法

目前基座抗沖擊計算方法可以歸納為3種：靜g法；時域分析法；譜分析法。

4.1 靜g法

1961年，Buships提出了設(shè)備沖擊設(shè)計的“沖擊因數(shù)法”(Shock Design Number)，也稱靜g法，它用設(shè)備的重量與沖擊因數(shù)的乘積表示設(shè)備的沖擊載荷。

靜g法是將動載荷等價為一定倍數(shù)的靜載荷，用靜態(tài)的方法進(jìn)行強(qiáng)度校核。在具體應(yīng)用中，將基座及設(shè)備的總重量乘以沖擊設(shè)計因數(shù)(取決于總重量和負(fù)載方向)，產(chǎn)生一個作用于基座和設(shè)備重心的垂向(或橫向、縱向)力，此力即為與動載荷等價的靜載荷。

看著孔明燈一般乘大風(fēng)飛浮出去的棋盤，子虛烏有二老順勢躍下榆樹，飄落在樹下的雪地上，攜手離去。被驚擾大半夜的鴉鵲，也總算松了一口氣。

靜g法優(yōu)點在于簡單易行，但僅能得到基座最大受力情況的應(yīng)力和變形結(jié)果。該方法未考慮基座的高階響應(yīng)與一階響應(yīng)的差異，實際上只校核了一階響應(yīng)的強(qiáng)度，這樣當(dāng)一階響應(yīng)是基座的主要破壞因素時，采用靜g法能反映真實情況，當(dāng)高階破壞是基座的主要破壞因素時，此法不合適。

4.2 時域分析法

時域分析法是規(guī)定基座承受某一沖擊的時間信號，該信號由壓力、速度或加速度作為時間函數(shù)所定義。將其作為沖擊輸入，計算基座的沖擊響應(yīng)。

時域分析法可以分別用于基座受到基礎(chǔ)激勵—時間歷程的沖擊輸入，或基座直接受到水下爆炸沖擊動壓力—時間歷程的沖擊輸入。其中，基礎(chǔ)激勵—時間歷程的沖擊輸入有2類：BV043/73中規(guī)定的半正弦波、三角波或梯形波；BV043/85中規(guī)定的雙峰半正弦波、雙三角波。沖擊動壓力—時間歷程的沖擊輸入即為整船水下爆炸沖擊直接計算法。對于船體基座而言，通常定義基礎(chǔ)加速度作為沖擊輸入。在缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)時，可取典型的沖擊持續(xù)時間為5～10 ms，并根據(jù)需要采用適當(dāng)?shù)淖枘嵯禂?shù)。

時域分析法優(yōu)點在于可以得到基座每一時刻每一節(jié)點的應(yīng)力及變形值，適用于基座抗沖擊詳細(xì)階段的計算，缺點在于工作量較大。

4.3 譜分析法

譜分析法是將設(shè)計沖擊譜作為基座的沖擊輸入，并對基座數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模態(tài)分析，對模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行合成，從而求得基座的沖擊響應(yīng)。譜值包括相對位移、相對速度和絕對加速度值。

1932年，Biot在他的博士論文中首次提出了地震譜的概念。1942年，美國海軍研究的機(jī)械裝置可以直接記錄瞬態(tài)運動的沖擊譜。1948年，地震譜的概念被引入到設(shè)備沖擊領(lǐng)域。在結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的理論研究和艦船水下爆炸試驗的基礎(chǔ)上，美國海軍研究所的Belsheim和O′Hara在1961年提出了基于沖擊譜的動態(tài)設(shè)計分析方法(DDAM)。隨著美國海軍實施的一系列水下爆炸試驗，在對結(jié)果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上發(fā)展了該設(shè)計沖擊譜，DDAM使用該設(shè)計沖擊譜。設(shè)計沖擊譜曲線對加速度和速度進(jìn)行限定，并隨艦艇類型、設(shè)備安裝位置以及設(shè)備各階模態(tài)的模態(tài)質(zhì)量的不同而不同。DDAM可以分析高階的破壞模式，可以得到每一時刻每一節(jié)點的應(yīng)力及變形值，但它有一定的局限性，只能分析設(shè)備結(jié)構(gòu)的線彈性破壞。

同時，由于BuShips提出的設(shè)備沖擊設(shè)計的靜g法用于沖擊設(shè)計時有較大的誤差，為了克服這一方法的缺點，提出了“初始速度譜法”(Starting Velocity Spectrum)[29]，即在動態(tài)分析時采用相同的速度譜。但這一方法也有不足，就是頻率越高，沖擊輸入也越高，同時加速度沒有限值。因此，就提出了帶有加速度限值的設(shè)計沖擊譜。1973年，德國海軍軍標(biāo)BV043/73中規(guī)定，在低中頻段為等速度譜和在高頻段為等加速度譜。進(jìn)而，設(shè)計譜速度被設(shè)定為隨設(shè)備的重量而變化。這一概念被進(jìn)一步完善之后就得到隨設(shè)備重量變化的具有限值的設(shè)計加速度，即在BV043/85中規(guī)定的三折線譜：在低頻下沖擊譜認(rèn)為是等位移譜，中頻下沖擊譜認(rèn)為是等速度譜，高頻下沖擊譜認(rèn)為是等加速度譜。

譜分析法較時域分析法方便，但僅能得到基座最大受力情況的應(yīng)力和變形結(jié)果，可適用于基座抗沖擊詳細(xì)階段的計算。

5 基座抗沖擊研究的關(guān)鍵問題

對基座進(jìn)行抗沖擊計算分析，一般是采用數(shù)值仿真的方法。通過收集和消化吸收國外抗爆抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和相關(guān)資料，開展實船爆炸綜合試驗研究，進(jìn)行相當(dāng)數(shù)量模型沖擊試驗，以便積累數(shù)據(jù)，考核計算方法。目前基座抗沖擊分析研究中需要考慮的關(guān)鍵問題如下：

1) 如何構(gòu)造合理的有限元模型描述沖擊響應(yīng)中的實際基座與船體結(jié)構(gòu)

基座是設(shè)備連接船體的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，單獨研究基座需要將船體和設(shè)備作用到基座上的各種復(fù)雜的力以及邊界條件分別給出，而且基座受力及邊界條件隨工況的不同而不同。為了更真實地反映基座在艦船上的真實受力情況，需要將基座納入設(shè)備、基座與船體結(jié)構(gòu)一體化當(dāng)中來研究基座抗沖擊設(shè)計。因此，必須確定合理的技術(shù)途徑來妥善處理外部沖擊環(huán)境、艦體結(jié)構(gòu)、基座結(jié)構(gòu)和艦載設(shè)備之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[30]曾對某設(shè)備基座加船體結(jié)構(gòu)和不加船體結(jié)構(gòu)的受力情況分別進(jìn)行了分析，結(jié)論是在設(shè)計基座時僅僅考察基座本身的強(qiáng)度或剛度問題往往并不能反映真實的情況。

2) 強(qiáng)度考核指標(biāo)

在正常情況下，由沖擊載荷產(chǎn)生的應(yīng)力不應(yīng)超過靜態(tài)屈服極限，只有在基座的有限塑性變形不損害設(shè)備功能時，理論上的應(yīng)力才可以超越靜態(tài)屈服極限。許用應(yīng)力與基座沖擊等級、安裝位置、有無定位要求、許用變形及輸入類型(彈性或彈塑性)等相關(guān)。目前，一般是根據(jù)國內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)資料及材料的動屈服極限等來確定基座的抗沖擊許用應(yīng)力及強(qiáng)度準(zhǔn)則?；膹?qiáng)度準(zhǔn)則還需進(jìn)一步研究確定。

3) 基座抗沖擊試驗

無論是水面艦艇還是潛艇，其關(guān)鍵設(shè)備和基座均應(yīng)進(jìn)行沖擊試驗。艦船水下爆炸試驗STT是驗證在戰(zhàn)爭沖擊環(huán)境下，艦艇及其系統(tǒng)抗沖擊能力的最佳途徑，其具有很高的精確度和可靠性，但由于水下爆炸試驗成本昂貴，使得進(jìn)行沖擊試驗的次數(shù)較少，應(yīng)有針對性地對基座進(jìn)行沖擊試驗。

4) 基座結(jié)構(gòu)形式對抗沖擊性能的影響及基座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

船體基座可以根據(jù)基座選材、設(shè)備安裝方向、基座位置、設(shè)備安裝方式、基座形狀來分類。這些不同類型的基座對抗沖擊性能的影響需要進(jìn)行深入的研究。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可以根據(jù)設(shè)計變量的類型分為不同的層次。目前，有尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化3個層次[31]。在船體基座結(jié)構(gòu)中，需要根據(jù)基座強(qiáng)度要求、剛度要求、抗沖擊要求等，對基座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

5) 基座抗沖擊設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

目前在基座抗沖擊設(shè)計中，尚無設(shè)計準(zhǔn)則也沒有形成設(shè)計規(guī)范，需建立1套適用的基座抗沖擊設(shè)計規(guī)范。

6) 設(shè)計新型的抗沖擊型基座

以往的基座設(shè)計一般重點考慮強(qiáng)度剛度及振動要求，對抗沖擊要求往往不重視，故需要對基座的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究，以找出能滿足抗沖擊性能的結(jié)構(gòu)形式。

6 結(jié) 語

船體基座抗沖擊研究是艦船抗沖擊研究的一項重要內(nèi)容，通過對基座抗沖擊理論研究、計算方法研究和數(shù)值仿真研究等，形成基座抗沖擊設(shè)計方法及標(biāo)準(zhǔn)，最終達(dá)到提高基座抗沖擊性能并指導(dǎo)基座抗沖擊設(shè)計的目的。本文僅對基座抗沖擊的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，提出了基座抗沖擊研究需考慮的關(guān)鍵問題，給出了今后基座抗沖擊研究的方向。

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