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艦船設備抗沖擊技術 版權信息
- ISBN：9787030698124
- 條形碼：9787030698124 ; 978-7-03-069812-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
艦船設備抗沖擊技術 內容簡介
本書針對當前我國艦船設備抗沖擊工作的實際和發展需要，將理論、方法與工程實踐緊密結合，系統闡述艦船設備沖擊的基本理論、主要特點、仿真分析方法、試驗考核方法，以及沖擊防護設計原則與方法。全書7章，包括緒論、艦船設備沖擊環境、艦船設備抗沖擊計算分析方法、艦船設備沖擊動力學建模方法、艦船設備沖擊試驗、艦船設備沖擊隔離裝置設計、艦船設備抗沖擊設計準則。此外，作者還結合科研實踐，介紹大量工程應用實例和國內外近期新研究成果。 本書可供艦船抗爆抗沖擊技術研究人員和相關專業研究生、本科生學習，還可供從事艦船裝備論證、設計、建造等工作的專業人士使用，對艦船設備維修、使用人員也有較高的參考價值。
艦船設備抗沖擊技術 目錄
目錄
“艦船系統工程叢書”序
前言
第1章 緒論 1
1.1 水中爆炸沖擊效應 1
1.2 艦船抗水中爆炸沖擊技術 3
1.3 艦船設備抗沖擊技術 6
1.4 艦船設備抗沖擊技術研究進展 11
1.4.1 艦船設備沖擊環境特性研究 11
1.4.2 艦船設備抗沖擊仿真分析 11
1.4.3 艦船設備抗沖擊試驗 12
1.4.4 艦船設備沖擊防護 15
1.4.5 艦船設備抗沖擊規范 16
參考文獻 19
第2章 艦船設備沖擊環境 21
2.1 沖擊環境特性 21
2.2 沖擊環境描述 24
2.1.1 沖擊響應譜定義 24
2.2.2 沖擊響應譜分類 28
2.2.3 沖擊響應譜處理 29
2.3 設備沖擊環境的譜跌效應 33
2.4 沖擊環境測量 38
2.4.1 簧片測量儀 38
2.4.2 低頻振子 40
2.5 沖擊環境預報 41
2.5.1 沖擊環境預報方法 41
2.5.2 典型沖擊環境預報程序 51
2.6 典型艦船設備沖擊環境 54
2.6.1 美國艦船設備沖擊環境 54
2.6.2 英國艦船設備沖擊環境 55
2.6.3 德國艦船設備沖擊環境 56
2.6.4 北約艦船設備沖擊環境 57
2.6.5 中國艦船設備沖擊環境 58
參考文獻 59
第3章 艦船設備抗沖擊計算分析方法 61
3.1 靜G法 61
3.2 動態設計分析法 62
3.2.1 基本理論 63
3.2.2 分析流程 67
3.2.3 應用實例 67
3.3 時域模擬分析方法 75
3.3.1 基本理論 75
3.3.2 分析流程 77
3.3.3 應用實例 78
3.4 船體-設備一體化分析方法 82
3.4.1 基本理論模型 83
3.4.2 分析流程 84
3.4.3 應用實例 85
3.5 艦船設備抗沖擊計算方法比較 89
參考文獻 90
第4章 艦船設備沖擊動力學建模方法 91
4.1 設備零部件動力學模型 91
4.1.1 設備沖擊動力學模型描述方法 91
4.1.2 簡化為集中質量的構件動力學模型 92
4.1.3 簡化為剛體的構件動力學模型 95
4.1.4 隔離器的動力學模型 96
4.1.5 軸承接觸面的動力學模型 97
4.1.6 設備結合面的動力學模型 100
4.1.7 間隙機構的動力學模型 103
4.1.8 設備附件的動力學模型 104
4.2 利用有限元方法對艦船設備沖擊動力模型建模 106
4.2.1 艦船設備沖擊動力學有限元分析模型的建模要求 107
4.2.2 艦船設備有限元建模方法 107
4.2.3 設備沖擊動力學模型有效性驗證 114
4.2.4 利用有限元方法分析艦船設備沖擊動響應的流程 122
4.3 利用多體系統離散矩陣法對艦船機械設備沖擊動力學模型建模 122
4.3.1 多體系統離散時間傳遞矩陣法 123
4.3.2 艦用機械設備典型元件的離散傳遞矩陣 126
4.3.3 采用離散時間傳遞矩陣法計算時提高精度的方法 132
4.3.4 典型艦船設備沖擊響應分析 134
參考文獻 141
第5章 艦船設備沖擊試驗 143
5.1 試驗考核程序 143
5.1.1 一般要求 143
5.1.2 試驗程序 144
5.2 試驗工況 145
5.3 試驗測量 149
5.3.1 測量系統要求 149
5.3.2 待測參數選擇 150
5.3.3 傳感器選擇 150
5.3.4 傳感器安裝 156
5.4 試驗數據分析 157
5.4.1 數據預處理 157
5.4.2 沖擊響應譜分析 164
5.5 試驗裝置 167
5.5.1 試驗裝置概況 167
5.5.2 雙波沖擊試驗機原理 171
參考文獻 177
第6章 艦船設備沖擊隔離裝置設計 178
6.1 艦船設備振動沖擊隔離原理 178
6.1.1 振動隔離原理 178
6.1.2 沖擊隔離原理 180
6.1.3 振動隔離與沖擊隔離的區別 181
6.2 隔離裝置設計 183
6.2.1 概述 183
6.2.2 振動隔離設計 187
6.2.3 沖擊隔離設計 190
6.3 隔離元器件設計 197
6.3.1 設計步驟 197
6.3.2 設計實例 199
6.4 振動、沖擊隔離元器件性能測試 202
6.4.1 性能表征參數 202
6.4.2 性能測試方法 203
6.5 新型隔離元器件簡介 206
6.5.1 低頻、大位移、高承載隔離器 206
6.5.2 氣液緩沖平臺 207
6.5.3 抗沖擊地磚 208
6.5.4 橡膠鋼絲繩隔離器 208
6.5.5 復合膠泥管路吊架 209
6.5.6 庫侖阻尼彈簧吊架 209
參考文獻 210
第7章 艦船設備抗沖擊設計準則 211
7.1 艦船設備抗沖擊設計基本準則 211
7.1.1 艦船設備沖擊失效模式 211
7.1.2 艦船設備抗沖擊設計基本準則 212
7.2 結構強度設計準則 213
7.2.1 減小構件重量和增加強度 213
7.2.2 減小構件剛度 214
7.2.3 增加構件能量存儲 215
7.2.4 避免構件應力集中 216
7.2.5 避免構件平行連接 217
7.2.6 限制摩擦力和重力 218
7.2.7 限制構件塑性變形 218
7.2.8 防止出現二次損傷 219
7.3 防止誤動作設計準則 220
7.3.1 采用平衡機構 220
7.3.2 采用鎖緊裝置 221
7.3.3 采用阻尼器 222
7.3.4 采用不可逆裝置 223
7.3.5 利用剛度、質量和運動空間 223
7.4 連接方式設計準則 224
7.4.1 焊接和鉚接 224
7.4.2 螺栓連接 225
7.5 電氣元件設計準則 228
7.5.1 導電體 228
7.5.2 保險絲 228
7.5.3 繼電器 229
7.5.4 電容器 230
7.5.5 變壓器 230
7.5.6 電纜接頭 230
7.5.7 燈具 230
7.6 艦船設備抗沖擊設計實例 231
7.6.1 機柜剛性設計 231
7.6.2 分機加固設計 233
參考文獻 235
“艦船系統工程叢書”序
前言
第1章 緒論 1
1.1 水中爆炸沖擊效應 1
1.2 艦船抗水中爆炸沖擊技術 3
1.3 艦船設備抗沖擊技術 6
1.4 艦船設備抗沖擊技術研究進展 11
1.4.1 艦船設備沖擊環境特性研究 11
1.4.2 艦船設備抗沖擊仿真分析 11
1.4.3 艦船設備抗沖擊試驗 12
1.4.4 艦船設備沖擊防護 15
1.4.5 艦船設備抗沖擊規范 16
參考文獻 19
第2章 艦船設備沖擊環境 21
2.1 沖擊環境特性 21
2.2 沖擊環境描述 24
2.1.1 沖擊響應譜定義 24
2.2.2 沖擊響應譜分類 28
2.2.3 沖擊響應譜處理 29
2.3 設備沖擊環境的譜跌效應 33
2.4 沖擊環境測量 38
2.4.1 簧片測量儀 38
2.4.2 低頻振子 40
2.5 沖擊環境預報 41
2.5.1 沖擊環境預報方法 41
2.5.2 典型沖擊環境預報程序 51
2.6 典型艦船設備沖擊環境 54
2.6.1 美國艦船設備沖擊環境 54
2.6.2 英國艦船設備沖擊環境 55
2.6.3 德國艦船設備沖擊環境 56
2.6.4 北約艦船設備沖擊環境 57
2.6.5 中國艦船設備沖擊環境 58
參考文獻 59
第3章 艦船設備抗沖擊計算分析方法 61
3.1 靜G法 61
3.2 動態設計分析法 62
3.2.1 基本理論 63
3.2.2 分析流程 67
3.2.3 應用實例 67
3.3 時域模擬分析方法 75
3.3.1 基本理論 75
3.3.2 分析流程 77
3.3.3 應用實例 78
3.4 船體-設備一體化分析方法 82
3.4.1 基本理論模型 83
3.4.2 分析流程 84
3.4.3 應用實例 85
3.5 艦船設備抗沖擊計算方法比較 89
參考文獻 90
第4章 艦船設備沖擊動力學建模方法 91
4.1 設備零部件動力學模型 91
4.1.1 設備沖擊動力學模型描述方法 91
4.1.2 簡化為集中質量的構件動力學模型 92
4.1.3 簡化為剛體的構件動力學模型 95
4.1.4 隔離器的動力學模型 96
4.1.5 軸承接觸面的動力學模型 97
4.1.6 設備結合面的動力學模型 100
4.1.7 間隙機構的動力學模型 103
4.1.8 設備附件的動力學模型 104
4.2 利用有限元方法對艦船設備沖擊動力模型建模 106
4.2.1 艦船設備沖擊動力學有限元分析模型的建模要求 107
4.2.2 艦船設備有限元建模方法 107
4.2.3 設備沖擊動力學模型有效性驗證 114
4.2.4 利用有限元方法分析艦船設備沖擊動響應的流程 122
4.3 利用多體系統離散矩陣法對艦船機械設備沖擊動力學模型建模 122
4.3.1 多體系統離散時間傳遞矩陣法 123
4.3.2 艦用機械設備典型元件的離散傳遞矩陣 126
4.3.3 采用離散時間傳遞矩陣法計算時提高精度的方法 132
4.3.4 典型艦船設備沖擊響應分析 134
參考文獻 141
第5章 艦船設備沖擊試驗 143
5.1 試驗考核程序 143
5.1.1 一般要求 143
5.1.2 試驗程序 144
5.2 試驗工況 145
5.3 試驗測量 149
5.3.1 測量系統要求 149
5.3.2 待測參數選擇 150
5.3.3 傳感器選擇 150
5.3.4 傳感器安裝 156
5.4 試驗數據分析 157
5.4.1 數據預處理 157
5.4.2 沖擊響應譜分析 164
5.5 試驗裝置 167
5.5.1 試驗裝置概況 167
5.5.2 雙波沖擊試驗機原理 171
參考文獻 177
第6章 艦船設備沖擊隔離裝置設計 178
6.1 艦船設備振動沖擊隔離原理 178
6.1.1 振動隔離原理 178
6.1.2 沖擊隔離原理 180
6.1.3 振動隔離與沖擊隔離的區別 181
6.2 隔離裝置設計 183
6.2.1 概述 183
6.2.2 振動隔離設計 187
6.2.3 沖擊隔離設計 190
6.3 隔離元器件設計 197
6.3.1 設計步驟 197
6.3.2 設計實例 199
6.4 振動、沖擊隔離元器件性能測試 202
6.4.1 性能表征參數 202
6.4.2 性能測試方法 203
6.5 新型隔離元器件簡介 206
6.5.1 低頻、大位移、高承載隔離器 206
6.5.2 氣液緩沖平臺 207
6.5.3 抗沖擊地磚 208
6.5.4 橡膠鋼絲繩隔離器 208
6.5.5 復合膠泥管路吊架 209
6.5.6 庫侖阻尼彈簧吊架 209
參考文獻 210
第7章 艦船設備抗沖擊設計準則 211
7.1 艦船設備抗沖擊設計基本準則 211
7.1.1 艦船設備沖擊失效模式 211
7.1.2 艦船設備抗沖擊設計基本準則 212
7.2 結構強度設計準則 213
7.2.1 減小構件重量和增加強度 213
7.2.2 減小構件剛度 214
7.2.3 增加構件能量存儲 215
7.2.4 避免構件應力集中 216
7.2.5 避免構件平行連接 217
7.2.6 限制摩擦力和重力 218
7.2.7 限制構件塑性變形 218
7.2.8 防止出現二次損傷 219
7.3 防止誤動作設計準則 220
7.3.1 采用平衡機構 220
7.3.2 采用鎖緊裝置 221
7.3.3 采用阻尼器 222
7.3.4 采用不可逆裝置 223
7.3.5 利用剛度、質量和運動空間 223
7.4 連接方式設計準則 224
7.4.1 焊接和鉚接 224
7.4.2 螺栓連接 225
7.5 電氣元件設計準則 228
7.5.1 導電體 228
7.5.2 保險絲 228
7.5.3 繼電器 229
7.5.4 電容器 230
7.5.5 變壓器 230
7.5.6 電纜接頭 230
7.5.7 燈具 230
7.6 艦船設備抗沖擊設計實例 231
7.6.1 機柜剛性設計 231
7.6.2 分機加固設計 233
參考文獻 235
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艦船設備抗沖擊技術 節選
第1章 緒論 1.1 水中爆炸沖擊效應 爆炸是炸藥內部高速化學反應使大量能量在有限空間或極短時間內快速釋放或急劇轉化的現象。它通常會在爆炸瞬間產生溫度高達幾千攝氏度、壓力高達數十萬個大氣壓的氣體，并與周圍介質作用，以沖擊波等形式向外傳遞能量。當炸藥在水中起爆時，爆炸產生的爆轟波和氣體壓力直接作用在靜水中，使其壓力在非常短的時間內(微秒級)上升，以超音速球面波的形態傳播。壓力迅速從超音速降到音速，以彈性波的形式向遠離爆心的方向傳播，形成沖擊波作用。爆炸產生的氣體被水圍成氣泡，其內部高壓驅使外部水以小于聲速的速度向外擴散運動，形成滯后流。由于慣性作用，氣泡不斷膨脹，內部壓力也不斷減少，直到外部水靜壓力與氣泡內部壓力之間的壓差使氣泡停止膨脹運動，同時驅使氣泡收縮。在收縮過程中，氣泡內部壓力再次增大。該膨脹收縮過程在氣泡破裂前反復進行，并向水中輻射壓力波，形成水中爆炸特有的氣泡脈動作用。水中爆炸氣泡脈動過程示意圖如圖1-1-1所示。研究與試驗表明，水中爆炸產生的沖擊波能量約占總能量的53%，氣泡脈動能量約占總能量的47%。沖擊波持續時間一般為毫秒級， 圖1-1-1 水中爆炸氣泡脈動過程示意圖 壓力高達幾萬個大氣壓[1]。氣泡脈動持續時間一般為秒級，壓力幅值約為沖擊波壓力的20%。 實際爆炸環境不可能是無限水域，沖擊波會在水面、水底、艦船、堤壩等結構物濕表面發生反射、折射等現象。水中爆炸載荷效應如圖1-1-2所示。當沖擊波傳播到水面時，由于空氣的密度約為海水密度的1/1000，空氣粒子無法激起足夠的動能傳遞來自海水的入射壓力，因此入射壓力波會產生水面反射形成稀疏波，水面上會產生水柱，水面下會因稀疏波的作用形成氣穴。由于自身的浮力作用，氣泡膨脹收縮的同時會不斷向水面遷移直至破裂，在水面上產生氣泡水柱。當沖擊波作用到結構物濕表面時，結構物的迅速運動會使水中局部壓力降為水的汽化壓力，在結構物濕表面附近出現局部氣穴，并對結構物產生砰擊加載作用。氣泡的膨脹收縮會推動水向外快速運動，形成滯后流。當氣泡接近結構濕表面時，在收縮階段會被結構物濕表面強烈吸引，在氣泡內部遠離結構物濕表面的一側形成射流，高速穿過氣泡并撞擊結構物濕表面，產生射流作用。另外，沖擊波和氣泡脈動壓力作用到結構物濕表面時，結構產生動態響應。這種響應又會改變水中壓力作用的分布狀況，形成復雜的流固耦合作用。 圖1-1-2 水中爆炸載荷效應 由于水的密實性，水中爆炸過程不但比空中爆炸更為復雜，而且相同爆炸當量的水下爆炸產生的初始沖擊波峰值是空中爆炸的數倍，傳播速度更快，傳播距離更遠，因此對結構物的沖擊毀傷也更嚴重。在短時、強大的沖擊波作用下，水中結構物主要產生屈服變形、屈曲、破孔，甚至斷裂等破壞現象。氣泡脈動壓力幅值較小、持續時間較長。其脈動壓力和滯后流會對結構物產生總體損傷，氣泡脈動頻率往往接近水中結構物的低頻固有頻率，引起結構物強烈的鞭狀運動而損傷結構總強度。此外，氣泡也可能在結構物濕表面形成高速射流而嚴重損傷局部結構。因此，水中結構物受到水中爆炸沖擊時，會同時受到沖擊波、氣泡脈動、射流、砰擊載荷等多種不同頻率和強度的載荷作用，使總體及局部結構強度嚴重損傷。 1.2 艦船抗水中爆炸沖擊技術 魚雷、水雷等水中武器隱蔽性強、爆炸威力大，主動防御難，戰時會對水面艦船和潛艇構成重大威脅。由于水的不可壓縮性，水下爆炸產生的沖擊，沿著爆源-水-艦船濕表面-艦船結構-設備和人員的路徑迅速傳遞，幾乎無衰減地作用在整個艦船上，引起艦船結構變形、破損，甚至整體斷裂；系統和設備變形、碰撞或擠壓而功能破壞；人員骨骼、內臟損傷，進而造成艦船生存能力和作戰能力下降。艦船水下爆炸沖擊損傷典型案例如圖1-2-1所示。因此，發達國家海軍普遍將沖擊防護能力視為艦船的核心性能指標之一[2]，根據船體結構、設備和人員對爆源在不同爆炸位置時的沖擊損傷情況，發達國家海軍總結形成各種主戰艦船的沖擊損傷范圍(圖1-2-2)。 圖1-2-1 艦船水下爆炸沖擊損傷典型案例 根據水中武器裝藥爆炸中心與艦船的距離，水下爆炸可分為接觸爆炸、近場非接觸爆炸和遠場非接觸爆炸三種類型。水中爆炸分類及代表性攻擊武器如圖1-2-3所示。不同爆炸類型涉及爆轟產物、沖擊波、氣泡等載荷不同程度的聯合作用，爆炸載荷對船體結構的作用形式也明顯不同。接觸爆炸可視為武器與艦船直接接觸爆炸的情況，代表性兵器有觸發式魚雷、錨雷和漂雷。此時，艦船主要受到爆轟產物和沖擊波的聯合作用(爆破型)、射流和自鍛破片的聯合作用(聚能型)，載荷的作用范圍小、強度高，主要引起船體局部結構和艙段變形、破裂，以及爆炸位置附近系統、設備和人員的毀傷。近場非接觸爆炸是裝藥爆炸中心與艦船的距離小于10倍裝藥半徑(或氣泡膨脹*大半徑)的情況，代表性武器為非觸發式魚雷和錨雷。艦船主要受爆轟產物、沖擊波、氣泡脈動二次壓力波、射流的部分或聯合作用。載荷作用距離近、強度高，主要引起艦船結構局部變形破損或整體振蕩斷裂，以及部分系統、設備和人員的損傷。遠場非接觸爆炸是裝藥爆炸中心與艦船的距離大于10倍裝藥半徑(或氣泡膨脹*大半徑)的情況，代表性武器為沉底水雷。此時，艦船主要受到沖擊波和氣泡脈動二次壓力波的聯合作用，載荷作用范圍廣、強度低，不但會對艦船造成局部破壞，而且會引起全船整體結構、系統、設備和人員廣泛而顯著的損傷。 圖1-2-2 艦船的沖擊損傷范圍 圖1-2-3 水中爆炸分類及代表性攻擊武器 艦船抗水中爆炸沖擊技術是研究水面艦船和潛艇在受到魚雷、水雷、深水炸彈等各種水中武器爆炸攻擊作用下的沖擊損傷與防護技術，主要由沖擊防護裝置研制技術、艦船抗沖擊優化設計技術、艦船抗沖擊性能評估技術和艦船沖擊試驗技術等內容組成。作為一項軍事專用技術，涵蓋艦船總體、船體結構、系統、設備和人員等所有組成要素，貫穿于艦船裝備總體論證、方案設計、技術設計、施工設計、建造、試驗和作戰使用全壽命周期，涉及軍方、總體設計單位、設備廠所、船廠和部隊等，包含抗沖擊指標要求論證、抗沖擊優化設計、抗沖擊性能評估、沖擊試驗考核等工作，需要爆炸力學、沖擊動力學、材料學、計算機仿真等多學科專業的支撐，是一項基礎研究、技術科研和工程應用緊密結合的綜合性技術。艦船抗水中爆炸沖擊技術在裝備型號研制中應用如圖1-2-4所示。 圖1-2-4 艦船抗水中爆炸沖擊技術在裝備型號研制中應用 水中爆炸沖擊對不同級別艦船的毀傷效果有顯著差別，需要綜合考慮艦船的作戰性能，有重點地開展艦船抗水中爆炸沖擊工作。實際上，由于重量和空間等客觀條件限制，無論水面艦船還是潛艇均無法無限提高其抗沖擊能力。艦船抗近場爆炸和接觸爆炸沖擊能力主要通過對艦船局部范圍結構和系統設備加強的方式提高，這就對艦船總布置空間提出更高要求。中小型水面艦船的自身條件決定了其很難承受水中接觸爆炸和近距離非接觸爆炸攻擊。一枚重型魚雷擊中或接近目標爆炸時，往往可能造成艦船的嚴重損壞或沉沒，因此中小型水面艦船的水中爆炸研究以抗遠場爆炸沖擊技術為主。對于大中型水面艦船(尤其是航母、大型驅逐艦)和潛艇(尤其是核潛艇等)，雖然排水量較大，自身具備一定的抗沖擊能力，但如果機艙、彈藥庫或龍骨下方薄弱部位遭受接觸或近場非接觸爆炸攻擊，也可能進水沉沒。因此，大中型水面艦船在滿足遠場爆炸抗沖擊要求條件下，可進一步提高抗近場爆炸和接觸爆炸沖擊能力。綜上所述，開展艦船抗遠場爆炸沖擊技術研究是開展各類艦船抗沖擊工作的基礎。艦船抗遠場爆炸沖擊能力已成為世界各國海軍進行艦船沖擊防護設計和性能考核評估的主要標準和依據。 1.3 艦船設備抗沖擊技術 本書所述的艦船設備指艦船上安裝的設備、裝置、系統(統稱為設備)。艦船設備種類繁多、數量龐大(例如，航母上有高達1700萬個設備，驅逐艦上有100萬個以上設備)，包括推進動力、軸系、管路等機械設備，發電機、配電柜等電氣設備，導彈、艦炮、魚雷、水雷等武器裝備，以及導航、指控、通信、雷達、聲吶等電子信息設備。典型的艦船設備如圖1-3-1所示。這些系統、設備尺寸重量差別很大(例如，重型燃氣輪機重達30t以上，小型電子設備僅有1kg左右)，安裝部位不同(從底艙至桅桿)，安裝位置不同(設備基座、艙壁和舷外濕表面)，安裝方式不同(彈性安裝或剛性安裝)，相互關聯構成系統，實現艦船航行、作戰、生命力保障及應急救生等各項功能。 按照對艦船安全和連續作戰能力的重要性，設備可分為A級、B級和C級。A級設備是對艦船安全和連續作戰能力必需的設備。例如，艦船遭受沖擊作用時和沖擊作用后，繼續保持下列能力所需要的設備。
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