各主要海军国家设备抗冲击标准之评述

张晓阳，刘建湖，潘建强，何 斌

（1哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨 150001；2中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）

各主要海军国家设备抗冲击标准之评述

张晓阳1，刘建湖2，潘建强2，何 斌2

（1哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨 150001；2中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）

一个国家海军舰艇的抗冲击能力的强弱，不但与舰船抗冲击技术相关的研究能力、设计能力和试验能力密切相关，而且决定于其所采用的抗冲击标准的指标的高低和执行标准的严格程度。文中重点分析了美国、英国、德国和俄罗斯的设备抗冲击标准，并将这些标准进行了定量比较。可供工程应用作参考。

设备；抗冲击；标准；评述

1 引 言

舰船设备和系统的抗冲击能力是决定舰船战时生命力强弱的重要环节，舰船在非接触爆炸条件下的破坏主要为设备系统的失效。而舰船在战斗中遇到的大量的攻击为非接触爆炸，所以舰船设备的抗冲击能力是舰船整体抗冲击能力的重要指标。为此各海军强国均制订了舰船设备抗冲击标准，规范舰船设备的设计、制造和验收等全过程，以提高舰船抗非接触爆炸的能力。

20世纪50年代以前，舰船设备的抗冲击计算以静力方法计算，冲击输入条件为等效静载荷，设备抗冲击设计的加速度在垂向、横向和纵向分别为15 g、9 g、6 g所对应的等效静载荷[1]。20世纪60年代开始用阶跃速度进行动力学计算，冲击输入条件为阶跃速度的幅值。70年代开始用设计冲击谱作为输入条件进行DDAM方法计算。为了得到设备设计与考核的输入条件，一些海军强国进行了大量的实船爆炸试验，结合抗冲击设计计算方法和失效判据，提出了用于设备抗冲击设计的输入冲击谱，其量值随着现代武器的发展不断地提高。同时，为模拟实船冲击环境，考核装舰设备抗冲击能力，设计了专门的船用设备冲击试验考核装置，如轻型冲击机、中型冲击机、浮动冲击平台和潜艇立体试验舱段等。总体而言，西方海军强国业已建立了一套比较完整的舰船及其设备抗冲击设计和考核的技术体系。然而在舰船设备抗冲击领域一直存在下列疑问：美军标与德国BV043标准所要求的指标孰高孰低？不同国家制订的军用标准的抗冲击要求是否一致？抗冲击要求体系是否协调？本文将试图通过分析美国、英国、德国和俄罗斯的设备抗冲击标准回答这些问题。

2 各国舰船设备抗冲击体系概述

2.1 试验体系概述

Bishop（1993）对几个西方主要海军国家的舰船水下爆炸冲击考核的标准进行了全面的调研[2]。美国、英国、德国、荷兰和法国属于同一个冲击考核体系—全面实战模拟考核体系。美国为实战模拟考核体系的主要代表，首制舰必需进行水下爆炸试验，考核的水下爆炸药量从100 kg到20 t不等；设备的冲击考核从小于100 kg的轻型设备到181 t的重型设备，分4种不同的重量等级，在不同的冲击试验机上进行。潜艇和水面舰的重型设备在不同的冲击平台上考核，重量大于181 t的设备仅按设计冲击谱的要求设计，进行计算考核。英国拥有专门的大型设备爆炸试验驳船，300 t重量以下的设备都可以进行试验考核。荷兰、德国和法国的试验设施也类似。瑞典的海军舰船的冲击考核属于另一个体系—典型试验考核体系。每一型号首制舰的水下爆炸考核只进行了100 kg黑索金药量的考核，装舰设备只对重量小于2 000 kg的在落台冲击机上进行考核，其它设备根据其在舰船上所处的位置以及它的抗冲击等级按设计冲击谱设计，配合进行小型的缩比模型试验和关键部件的试验。虽然试验不如实战模拟体系考核得真实，但经济性好。目前这两个体系有相互交融的趋势。俄罗斯、韩国、日本、巴西和印度也基本上采用实战模拟体系。

2.2 设计计算方法概述

设备的抗冲击设计经历了等效静态法，动力设计分析方法（又称弹性冲击法）和实时模拟法三个阶段。

等效静态方法（又称冲击设计因子法）是将动载荷等价为一定数量的静载荷，用静态的方法进行强度校核，通常用15倍的静载作为校核载荷。该方法没有考虑设备的高频响应与一阶低频响应的差异，实际上只校核了一阶低频响应的强度。这样，当一阶响应是设备的主要破坏因素时，采用等效静载方法具有很高的精确度，当高频破坏是设备的主要破坏因素时，等效静载法并不适合。为了克服等效静载法的不足，动力设计分析方法（Dynamic Design Analysis Method，DDAM）应运而生（Scavuzzo，2000）[3]。该方法是建立在模态分析理论的基础上，设备的输入载荷是冲击谱。DDAM方法可以分析高阶的破坏模式，但它仍然具有很大的局限性。第一、只能分析线弹性安装的设备；第二、只能分析设备的线弹性破坏；第三、不能考虑冲击载荷在设备中的瞬态波动效应；第四、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DDAM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，对设备在时间域上进行瞬态分析，分析设备是否能正常工作。目前虽然DDAM法仍然被大多数国家作为舰船设备的主要设计方法，但实时模拟法正成为发展的趋势。Shaw（1994）在分析水下爆炸冲击作用下雷达天线桅杆动响应时采用了实时模拟法。目前也常用初始速度和典型速度曲线作为设备冲击输入[4]。

2.3 各类抗冲击标准和规范概述

认识到舰船抗爆的极端重要性，特别是荷兰、美国和法国等国家从英国海军在马岛战争中的损失，注意到现役舰船的抗爆能力不能适应现代战争的要求，曾暂时冻结了原来的海军装备发展计划，纷纷制订了新的舰船设备抗冲击标准。装舰设备的破坏标准在不同的国家有不同的要求，但所有的海军强国都要求装舰设备必须通过冲击考核方能上船，并要求对首制舰进行实船水下爆炸试验考核。具有代表性的为联邦德国1985年颁布的BV043/85和美国1989年颁布的MIL-S-901D。BV新标准大幅度提高了舰船及其设备的抗冲击要求，MIL新标准要求重量小于181 t的装舰设备都要进行冲击试验考核，潜艇上的重型设备还要求在水下冲击平台上进行试验考核（Scavuzzo，2000）。水下冲击平台不但能考核垂向冲击，而且可以考核任意方向的冲击。为了适应提高了的设备冲击考核的要求，近年来各国都对中型冲击机的性能作了改进，荷兰的冲击机（Hijkoop，1993）不再采用锤击法产生基础冲击加速度，而是采用燃烧产生的高压气体产生冲击加速度，这样速度的建立时间比较短，载荷的波形可调[5]。美国也在原来的中型冲击机加装调频安装系统（Cox，Shin 和 McLean，1993；Flynn，Shin 和 McLean，1994），使其在某些所要求的频率上产生更大冲击输入。法国的中型冲击机也具有可调频的功能，并可产生负半正弦波形（Duong，Barthelemy，1994）。为了预报舰船的易损性，北大西洋公约组织对所有主要的装舰设备进行了大量的冲击试验，得到了它们在不同冲击条件下的破坏概率数据库（Greenhorn，1989），为舰船的易损性预报打下了坚实的基础。

综上所述，目前世界主要海军国家的试验考核体系基本上是以实战模拟为主，但在具体的指标和试验方法上还是有差异，有必要进行分析比较。

3 英国冲击标准与美国标准的比较

RNBASP1274/76是1976年由英国皇家海军建造局提出的舰船冲击设计手册。该标准比美国的MIL-S-901C晚约15年，但比MIL-S-901D早13年。

在编制该手册前，英国对各种海军舰船作过大量实船水下爆炸试验。通过对试验资料的分析，已经取得了描述作为设备抗冲击设计依据的各种冲击运动的简单数学表达式。该标准既适用于设计，也适用于试验。在设计中既可以采用频域计算方法，也可以采用时域计算方法，具有广泛的适用性。

通过对各种舰船在水下爆炸作用下动响应资料的归纳总结，其将冲击运动具体规定为7个环境等级，对应水面舰艇和潜艇不同部位安装设备的冲击环境。该标准规定了设备安装基础处船体部位的冲击环境要求。

3.1 英国标准冲击波形函数

标准冲击波形如图1所示，分两段描述。

式中：B为爆炸引起的船体沉降运动速度；T2为冲击脉冲持续时间；μ为阻尼系数；Vm为最大速度。一些常数的取值见表 1，其中 Vm、T1和 T2针对不同的冲击等级、冲击方向和设备的自身刚度条件情况从RNBASP1274/76中查取。

英国冲击标准等级分为 A、B、C、D、E、F、G 七个等级，其中 A、B、C、D 四个等级对应于水面舰艇，有垂向和横向冲击环境，还对刚性设备进行修正。冲击的严酷度从A至D依次下降，分别对应壳板安装、外板加强结构和舱壁安装、甲板安装和上层建筑安装。E、F和G三个等级对应潜艇的设备冲击环境，E级为潜艇壳板安装设备的冲击环境，F级为壳板加强结构和舱壁安装设备的冲击环境，G级为甲板安装设备的冲击环境。NSS1与NSS2分别对应水面舰军辅船1级和2级抗冲击等级。

图1 标准冲击速度脉冲波形Fig.1 The standard figure of pulse relativing to shock velocity

表1 常数取值Tab.1 Values of some constant parameters

表2为英国舰船设备抗冲击指标体系，与船型、安装位置和设备重量都有密切的关系。A级冲击等级是英国舰船中抗冲击等级最高级别，其垂向加速度、速度和位移时程曲线见图2～4，其冲击谱曲线见图5。最大加速度735 g，最大位移7 cm。

表2 英国设备冲击环境的数据汇集Tab.2 The data collection of equipments’shock environments of England

图2 A级垂向加速度时程曲线Fig.2 The acceleration in vertical direction curve relativing to time of grade A items

图3 A级垂向速度时程曲线Fig.3 The velocity in vertical direction curve relativing to time of grade A items

图4 A级垂向位移时程曲线Fig.4 The displacement in vertical direction curve relativing to time of grade A items

图5 A级垂向冲击谱Fig.5 The shock spectrum in vertical direction curve of grade A items

3.2 美国设备抗冲击标准

图6为美国901系列标准中轻型冲击机（LWSM，Light Weight Shock Machine）和中型冲击机（MWSM，Medium Weight Shock Machine）安装板（架）上的冲击环境[6]。对于轻型设备（质量小于 120 kg），其三个方向上的冲击环境都差不多，所以只有一根冲击谱线，其最大谱位移为4 cm,最大谱速度4.6 m/s，最大谱加速度2 000 g。中重量设备（120 kg＜m＜2 700 kg）的冲击试验考核设备中型冲击机的冲击谱，最大谱位移为8 cm,最大谱速度3.3 m/s，最大谱加速度200 g。横向冲击环境为垂向的0.5倍。图7为重量设备（30 000 kg＞m＞2 700 kg）的冲击试验考核设备标准浮动冲击平台（FSP，Floating Shock Platform）的三向冲击谱图，低频段的位移量非常大，该平台可作为半正弦冲击的等效冲击谱发生器。不同方向的冲击谱有非常大的差异，垂向冲击最强，横向次之，艏艉方向最小。图8为大重量设备（181 000 kg＞m＞30 000 kg）的冲击试验考核设备大型浮动冲击平台（LFSP，Large Floating Shock Platform）的三向冲击谱图，基本规律与标准浮动冲击平台一致。不同方向的冲击谱有非常大的差异，垂向冲击最强，横向次之，艏艉方向最小。所以现行的MIL-S-901标准为针对水面舰设备的冲击考核标准，对于潜艇设备不十分合适，横向冲击力度不够，需要开发专用的潜艇设备冲击试验考核装置。美国和俄罗斯以及荷兰都有专门的横向冲击考核平台。

图6 美国的标准轻型冲击机和中型冲击机砧台（板）的冲击谱Fig.6 The shock spectrum of the anvil plate equipped in the LWSM and MWSM of USA

图7 美国标准浮动冲击平台内底板的冲击谱曲线Fig.7 The shock spectrum curve of the inner soleplate equipped in the FSP of USA

图8 美国大型浮动冲击平台内底板的冲击谱曲线Fig.8 The shock spectrum curve of the inner soleplate equipped in the LFSP of USA

从响应谱曲线上来看，似乎美国的装舰设备的试验考核强度不如英国的标准高，因为美国标准与英国标准以及后面要讲到的德国BV标准不一样，冲击环境计量所取的基准点为船体结构，不含基座结构，而基座结构在与设备组成的系统一阶固有频率处会放大冲击响应，对于刚性安装设备，MIL-S-901规定其一阶安装频率在50～70 Hz之间。图9为典型的中型冲击机设备安装基础处的冲击响应谱，我们可以看到，在55 Hz安装频率处，其最大谱速度达到10 m/s以上。

图9 典型的中型冲击机设备安装基础处的冲击响应谱Fig.9 The shock spectrum curve of equipment foundation in the MWSM

从图5和图9的比较可以看到，在对图5的冲击谱曲线进行折减后，在低频段（约＜10 Hz），美国标准的位移谱值比英国标准高；在10～30 Hz区间，英国标准的谱值高；在50～80 Hz区间，谱值相当，美国的谱值略高；在100 Hz以上的高频段，英国标准谱值高。该频段的冲击谱通常不是设备破坏的主要载荷频段，尤其在频率高于200 Hz以后。

另外通过比较美国和英国的标准，还可以得出下列差异：

（1）英国的标准体系比较复杂，但更合理，不同船型、不同部位采用不同设计和试验考核标准。而美国在设计时对于不同的部位和不同的船型采用不同的设计值，但在试验考核时，不考虑安装部位的差异。在标准中也不考虑船型的差异。由于美国建有多个潜艇设备水下爆炸试验考核舱段，所以，在具体实施过程中，估计会对潜艇设备还有专门的试验考核方法；

（2）美国的所有装舰设备的试验考核的强度均与英国A级设备的试验考核强度相当，从这一观点出发，美国的装舰设备的抗冲击强度更高；

（3）对于低频安装设备，美国标准的要求更高；

（4）对于上层甲板或上层建筑内安装的设备，美国标准的考核强度偏低，所以美国目前已经研制成功设备冲击考核的调频装置，提高15～30 Hz之间考核冲击谱的量值。

4 美国标准与德国BV043/85标准比较

我们所熟悉的联邦德国的设备冲击标准为BV043，最早的为1973版本，后来出了1985年修订版本[7-8]。基于英国马岛战争的经验教训，冲击环境有较大幅度的提高。通过努力，关于联邦德国设备冲击环境的数据，仅能得到某水面舰船冲击环境的两张图，其为水面舰船中大于2 000 t战斗舰船的设备冲击环境。经分析共有三种安装区域：即I、II和III，分别对应船壳机座和主甲板以下隔舱壁、下甲板和主甲板隔壁、上层建筑。I号安装区域冲击烈度最强，加速度幅值大，持续时间短。II号安装区域为甲板安装，冲击烈度中等。III号安装区域的冲击加速度最小，但位移最大。

时域的冲击加速度可以为双三角形和双半正弦形式，双三角形加速度数据的形式如图10所示。通常存在下列关系：

图10 双三角形时域曲线Fig.10 The double triangle curve relativing to time of shock acceleration

表3为BV043/85规范中最为严酷的冲击环境数据，从表中看到，底板上横向和垂向冲击加速度和速度相差不十分悬殊，但位移相差比较大。甲板和上层建筑的垂向和横向冲击环境的加速度、速度和位移都相差比较大。

表3 BV043/85规范中部分冲击环境数据Tab.3 Some data of equipments’shock environments in criterion BV043/85

表4 BV043/85规范中部分冲击环境数据（冲击谱）Tab.4 Some data of equipments’shock environments in criterion BV043/85(shock spectrum)

图11至图13分别为垂向冲击的加速度、速度和位移，图14至图16分别为横向冲击加速度、速度和位移。图17和图18分别为垂向和横向的不同区域的冲击谱。从图中看到，冲击谱与英国的标准具有相同的形式，没有明显的等速度段，冲击速度与BV043/73标准相比有较大幅度的提高。区域I的冲击环境与英国B修正级差不多，区域II与C修正级相当，区域III与D修正级相当，但位移量比英国的标准冲击环境大。

图11 垂向加速度时程曲线Fig.11 The acceleration in vertical direction curve relativing to time

图12 垂向速度时程曲线Fig.12 The velocity in vertical direction curve relativing to time

图13 垂向位移时程曲线Fig.13 The displacement in vertical direction curve relativing to time

图14 横向加速度时程曲线Fig.14 The acceleration in horizontal direction curve relativing to time

图15 横向速度时程曲线Fig.15 The velocity in horizontal direction curve relativing to time

图16 横向位移时程曲线Fig.16 The displacement in horizontal direction curve relativing to time

图17 联邦德国舰船设备垂向冲击环境要求（大于2 000 t）Fig.17 Request of Shock environments in vertical direction of the equipments equipped in vessel of Germany(weight＞2 000 t)

图18 联邦德国舰船设备横向冲击环境要求（大于2 000 t）Fig.18 Request of Shock environments in horizontal direction of the equipments equipped in vessel of Germany(weight＞2 000 t)

5 与俄罗斯标准的比较

俄罗斯标准中对于舰用设备进行考核时根据重量将设备分为两种类型，分别为轻型设备和重型设备。轻型设备的重量为小于200 kg（含200 kg），重型设备的重量为大于200 kg。

俄罗斯标准中对于轻型设备的考核采用标准的冲击机和标准锤高进行冲击试验，按设备的抗冲击能力分成两级，分别为I级和II级，对于抗冲击能力为I级的设备需在不安装减振器条件下满足考核条件，试验时摆锤高度为1.5 m，三个互相垂直的方向各冲击一次；抗冲击能力为II级的设备可在安装减振器条件下满足考核条件，试验时摆锤高度为0.5 m，三个互相垂直的方向各冲击一次。对于轻型设备的考核，在试验实施、采用的考核方法等方面和美军标基本一致，但冲击环境的严酷度要低一些。

对于重型设备的冲击环境时域波形根据设备的不同部位采用不同的波形，共分三种波形：

（1）脉冲E。幅值和持续时间均相同的两个半正弦波，该冲击环境针对设备的安装基础。首先根据设备的质量和安装频率确定冲击载荷幅值，脉冲E幅值（g）和设备质量（kg）呈幂函数关系，设系数为A，幂指数为B。表5列出了不同安装频率条件下的系数和指数值。然后根据设备的冲击加速度确定脉冲E的持续时间。脉冲E幅值和持续时间呈指数衰减关系，设y为脉冲E幅值，单位为g；T为脉冲E半正弦波持续时间，单位为ms，公式为y=164.2e-0.0445T，根据确定的冲击载荷幅值和持续时间对设备进行考核。表6列出了设备在船上不同安装部位的冲击载荷幅值。安装位置1表示无舷侧构件的船底安装，安装位置2表示外板安装，安装位置3表示甲板、平台和上层建筑以上安装，安装位置4表示主纵舱壁中上部。表7列出了典型设备重量的脉冲E幅值、持续时间及积分后的速度、位移峰值。在刚性、60 Hz及10 Hz处的加速度值相当于基础冲击环境的低、中及高频段谱值。

表5 不同安装频率条件下系数和指数值Tab.5 Values of coefficient and exponential in vary equipped frequency

表6 脉冲E冲击载荷取值Tab.6 Values of shock load of pulse E

表7 典型设备垂向冲击环境值（时域曲线）Tab.7 Values of shock environment in vertical direction of the typical equipments(time region)

续表7

（2）脉冲K。幅值和持续时间均不相同的两个半正弦波，该冲击环境针对设备的安装基础，脉冲K仅给出一种加速度波形，且不分安装部位，说明俄罗斯标准中对于垂向和横向的冲击环境是一致的。图19为基础冲击载荷的加速度、速度和位移时程曲线，图20为冲击谱曲线。

图19 设备基座时域加速度、速度和位移曲线Fig.19 The acceleration,velocity and displacement curve relativing to time of equipment foundation

（3）脉冲F。一个半正弦波脉冲，脉冲幅值和持续时间确定和脉冲E一致，该冲击环境也针对设备本身。

从以上可以看出俄罗斯标准和其它标准的主要区别有：

（1）脉冲E和脉冲F的冲击环境适用于设备是刚性或单层线弹性安装的考核，脉冲K的冲击环境适用于设备是非线性或多层线性安装的考核；

（2）脉冲E给出了设备不同安装频率条件下的冲击谱谱值（设备安装基础处），对于中型和重型设备，和美国的标准考核的刚性、60 Hz和10 Hz处谱值比较，低频段10 Hz处谱值基本相当，中频段和高频段谱值均比美国标准要低；

图20 设备基座冲击谱Fig.20 Shock spectrum curve of equipment foundation

（3）脉冲K仅给出了一个唯一的设备安装基座的冲击谱，不考虑和设备质量的折减关系，不考虑不同安装部位的差异，也不考虑不同冲击方向的差异，谱值设置的技术性较差。低频段谱位移为5 cm，中频段谱速度为2 m/s，高频段谱加速度为110 g，较美国标准谱值要小。

6 结 论

通过对美国、英国、德国和俄罗斯设备冲击标准的评述分析可以得到如下结论：

（1）美国装舰设备的抗冲击试验考核标准与德国和英国现行标准相比，公布的冲击谱值取值点不同，美国取在基座根部，英国和德国取在设备安装基础处。如果取相同点进行比较，则在中频段基本相当，在低频段美国的高于德国和英国的标准，在高频段相当。美国标准虽然不尽合理，但最为严格，试验考核的可操作性强；

（2）英国与德国的标准相类似，设备的抗冲击类别划分比较细，抗冲击要求比较合理，但试验考核的技术性较强，操作性差一些；从冲击谱上看，英国标准比德国标准要求更高；

（3）俄罗斯的标准既有对设备的抗冲击指标提加速度要求，类似于BV043/73，也有提设备安装基础处冲击环境要求的，对于不同的设备用不同的指标。

[1]刘建湖.舰船非接触水下爆炸动力学的理论与应用[D].无锡:中国船舶科学研究中心,2002.

[2]Bishop J H.Underwater Shock Standards and Tests for Naval Vessels[R].AD-A268812,1993.

[3]Scavuzzo R J,Raftopoulos D D.An Analysis of Spectrum Dip in Underwater Shock[J].The Shock and Vibration Bulletin,1970(40):76-87.

[4]Shaw R C.Structural Evaluation of TACAN/JTIDS/CDF Antenna Mast Assembly[R].AD-A285327,1994.

[5]Hijkoop G,Korse T H,Lemmen P P M,Romeijn E,Kalkman P.On the development of a high performance shock test machine for navy underwater shock[C].Proceedings of the 64th Shock and Vibration Symposium,1993,1:483-492.

[6]MIL-S-901D.Military Specification Shock Tests,H.I.(High-Impact)Shipboard Machinery,Equipment,and Systems,Requirements for[S].1989..

[7]BV043/85冲击安全性.联邦德国国防军建造规范[S].1985.

[8]BV043/73冲击安全性.联邦德国国防军建造规范[S].1973.

Review on anti-shock criteria for equipments in some primary navy countries

ZHANG Xiao-yang1,LIU Jian-hu2,PAN Jian-qiang2,HE Bin2

(1 College of Ship Building Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;
2 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

Navy vessel’s anti-shock ability in one country,not only lies on abilities of research,design and test relativing to vessel’s anti-shock technique,but also lies on adoptive anti-shock criteria and their implementation.This paper analyzes mainly that anti-shock criteria for equipments in USA,England,Germany and Russia,and compares quantificationally these criteria.The results are useful for engineering application.

equipment;anti-shock;criterion;review

U662.1

A

1007-7294（2011）11-1322-13

2011-06-07

张晓阳（1979-），男，工程师，哈尔滨工程大学船舶工程学院博士生；刘建湖（19639-），男，中国船舶科学研究中心研究员。