舰艇总体抗冲击设计分析

2013-01-11刘见华

船舶 2013年6期

许军刘见华

（1.海军装备部驻上海地区舰艇设计研究军代室上海 200011；2.中国船舶及海洋工程设计研究院上海 200011）

0 引言

抗冲击能力是舰艇隐形的盾牌，是舰艇生命力的重要组成部分。具有重要战略地位、造价昂贵的舰艇如何在现代海战中发挥其优良性能、打赢高科技战争，并能提高抗打击力、保持战斗力和生命力的问题，一直受到世界各个海军强国的重视。强化舰艇抗冲击能力和生命力研究，已成为当代和未来舰艇研制的重要发展趋势［1］。

提高海军舰艇装备的抗冲击能力是一个系统工程，涉及到基础研究、试验技术、工程设计、评估体系、标准建设和管理体制等方面的工作，这就需要我们提高认识、找出差距并投入大量人力和财力，以海军作战需求为牵引，顺应世界新军事变革和舰艇技术的发展趋势，在跟踪、引进和借鉴的基础上加速开展舰艇抗冲击技术的研究和试验工作，逐步制定设计、建造和评估的规范和指导性文件，并尽快建立和完善具有中国特色的舰艇抗冲击管理体制，以缩短我国在舰艇抗冲击方面与世界海军强国的差距，实现舰艇装备的跨越式发展。

本文主要从舰艇总体抗冲击设计的角度，介绍舰艇抗冲击设计的基本原则、抗冲击设计的流程、抗冲击建造工艺以及需要注意的问题。

1 抗冲击设计基本原则

1.1 船体

在船体抗冲击设计方面，主要遵循以下基本原则［2］:

（1）船体必须能承受大的变形而不发生断裂或裂开等破损，尽量使用高强度和高韧性的钢材，不使用脆性材料（例如铸铁）。船体的焊缝应与船体母体材料有相匹配的抗冲击强度，应严格按焊接工艺施工，尽可能减少焊接应力。

（2）船体水密舱壁必须能有效阻止船体结构破口的扩展，船体变形不应导致附近范围内舱壁破裂。

（3）船体结构的刚度应尽量均匀，避免出现“硬点”；应力变化部位的设计应避免应力集中；应尽量使用纵骨架式结构，沿船长方向的船体剖面模数应尽可能均匀变化。双层底结构还要注意内底的抗冲击能力。

（4）基座的抗冲击要求与所支承的设备相同，基座的设计应首先按照满足正常使用要求进行，然后从抗冲击角度校验，不考虑结构和材料的非线性；若校验中基座存在有过大的局部应力，一般只要重新设计应力过大区域，以满足抗冲击应力的要求。在重新设计过大应力基座构件的情况下，设计构件的应力可大于静态屈服强度的1.75倍，但不得大于2倍。

1.2 装舰设备、管路和隔离器

在装舰设备自身的抗冲击设计方面，主要遵循以下基本原则:

（1）装舰设备的设计应考虑到通过船体结构传递来的垂向、横向和纵向的冲击作用、惯性力和由此产生的变形。

（2）设备应采用高强度金属材料，避免使用脆性和低冲击韧性的材料，必须使用脆性材料时应采取有效的抗冲击隔离措施。设备的设计必须特别注意避免应力集中，设备材料使用要有足够的截面面积和避免尖缺口、截面突变等引起应力集中的因素。

（3）尽量减少与强度无关的结构质量，应避免使用悬臂式结构，焊接点应尽可能远离高应力区。

（4）不得采用摩擦力作为在动载荷作用下固定和保持零部件相对位置的手段。利用电磁原理作用的电器元件，应考虑到冲击作用下保持正常工作位置所必需的电磁吸力。机构的杠杆、连杆等可动件应尽可能采用动平衡部件，或是单件动平衡或是一组动平衡。

（5）设备的安装应避免可能出现两部分的相对移动，必须和连接设备中的成套设备（如发电机组、电动抗压机等）安装在刚度较大的公共底座上。

（6）设备一般应在不采用冲击防护措施的条件下具有规定的抗冲击能力，当设备自身的抗冲击能力不能满足要求时，必须采取冲击防护措施，安装抗冲隔振器。抗冲隔振器应按其在舰上的使用部位、冲击环境及设备的动力学特性确定。

（7）使用抗冲隔振器的设备与外部连接应采用挠性连接，且变形能力能满足设备在冲击载荷作用下的最大位移。使用抗冲隔振器支承的电器、电子设备的接地跨接线应有足够的松弛长度，不应妨碍设备在冲击载荷作用下的运动，以防接线端处产生过应力。

（8）所有显控台的插件板应尽量横向、纵向布置，避免垂向布置。如必须采用垂向布置，应加装有效的抗冲措施。所有系统、设备都应考虑在水下爆炸瞬间停电后又恢复供电时的影响。

在管路抗冲击设计方面，主要有以下基本原则［3-4］:

（1）弹性安装设备的引出管路要采用柔性接管。管路应考虑到冲击作用下的垂向、横向和纵向运动，管路系统应有适当的三向抗冲击支撑，质量集中处应安装弹性吊架或支架，吊架尽量安装在该段管路质心处。管路系统的支架、吊架的设置应考虑到管路系统在冲击作用下的运动，以免发生支撑件或管路的过度变形或破坏、连接件的过载、法兰接头的泄漏或管路系统与相邻设备和结构的碰撞。

（2）管路应避免使用螺纹管接头，若必须使用该类接头时，为减小作用在螺纹上的载荷，固定在冲击作用下有相对运动的结构上的管路应有足够的挠性。管件接头应具备与管路相同的抗冲击能力。

在抗冲击隔离器选用方面，主要遵循以下基本原则:

（1）抗冲击隔离器件应有足够的承载能力和变形能力以便吸收冲击能，同时又不发生触底且尽量不使用限位器限制变形。

（2）抗冲击隔离器件应有防止在冲击作用下因弹性元件的损坏而造成安装设备与基座分离的措施。

（3）抗冲击隔离器件应通过冲击强度、冲击刚度和冲击阻尼的试验，并提供其非线性冲击特性及极限载荷（力、速度、加速度、位移）。

（4）抗冲击隔离器应兼顾声隐身的要求。

1.3 人员

在人员抗冲击防护方面，主要遵循以下基本原则:

（1）舰艇主要战位应采取抗冲击隔离措施，使舰员的冲击载荷在允许范围内。

（2）人员处于站姿、坐姿和卧姿时的冲击伤害部位有所差异，因此需要采取相应的防护措施。

（3）人员应配备相应的防护装具，以减小二次冲击效应引起的伤害。

（4）人员必须提高抗冲击防护意识，舰艇可能会由于设备不可抵抗冲击载荷而引起设备零部件脱落，从而引起人员的损伤。

2 抗冲击设计流程

舰艇冲击防护工作应贯穿于舰艇的论证、设计、施工建造、试验试航、使用以及修理等全寿命周期过程，应通过不同研制阶段逐步完善及落实各项抗冲击措施，使新研舰艇的抗冲击能力满足战术和技术要求［5］。

2.1 论证阶段

根据舰艇的作战需求，提出该型舰应达到的总体抗冲击性能指标，并分别提出船体结构抗爆能力、设备抗冲击能力和人员的冲击防护要求。

2.2 设计阶段

实施舰艇抗冲击顶层设计研究，对全舰的抗爆抗冲击指标进行研究分解，提出需进行的专项研究课题，提出各项目主要研究内容和应达到的指标并开始专项研究。预报确定舰艇的冲击环境，确定舰上设备、管路系统、人员的冲击环境，提出船体、主要机电设备、主要管路系统、主要部位人员的冲击防护技术措施，平衡及评估各项研究成果及有关抗冲措施，提出并制定与舰艇总体性能相容的抗冲击工程方案。

2.3 施工建造阶段

总体研究所和系统、设备承制厂及承造船厂应认真协调、各负其责，并配合工厂施工建造，解决与抗冲击设计有关的施工问题，协调各项抗冲击措施落实过程中所产生的矛盾，提出抗冲击原则工艺要求，修改相应施工图纸和文件，落实全舰抗冲击措施的实现。施工建造完毕后，应进行小结并编制有关冲击防护措施的使用和维护保养说明书。

2.4 试验、验收和评估阶段

总体研究所会同承造船厂提出抗冲击评估文件，条件许可时可进行新造舰艇的水下非接触爆炸考核试验，以全面考核整舰及各功能系统的抗冲击能力，从而为后续舰艇的抗冲击设计提供设计依据和参照母型，积累舰艇抗冲击设计的经验及有关资料，系统综合评估现有抗冲措施效果，并提出后续舰艇的改进建议。

2.5 使用及修理阶段

舰艇在使用或修理过程中，应仔细查阅有关冲击防护措施的使用和维护保养说明书，按照说明书进行维护和修理，一旦发现有关冲击防护措施发生变化，应立即修复并对船体结构进行仔细检验；如发现腐蚀严重的部位应及时进行修理，防止船体结构因锈蚀而影响整舰的抗冲击能力；检查有关设备的冲击防护措施，进行维护保养，检查连接件的固定情况，杜绝松脱情况的发生；检查有关接线外部的绝缘层及上面的塑料管套等，防止局部老化或变硬而影响抗冲击性能。

3 抗冲击建造工艺要求

舰艇的抗冲击性能不仅与设计有关，而且还与建造质量、建造工艺有密切关系。舰艇建造时，总体研究所应提出抗冲击原则工艺要求，承造船厂则编制抗冲击工艺文件，以确保施工建造期间能严格落实全舰抗冲击措施的实现。

3.1 一般要求

（1）承造船厂应对施工建造进行全面质量管理和质量控制，从而有效保证抗冲击设计的效果。

（2）与抗冲击设计有关的项目和冲击防护设施，应严格按图纸要求施工，杜绝漏项、处理不到位、错用抗冲隔离器等情况发生，并最终须对所有的项目与设施逐项进行检查验收。

（3）在舰艇建造阶段，承造船厂应严格按照总体设计、系统和系统设备承制厂所提出的抗冲击施工要求，编制抗冲击工艺，并按评审通过的工艺认真施工。

（4）在液舱和上层建筑等部位装焊封闭前，必须检查清理遗留的焊条、螺栓、螺母、边角废料等杂物，以免产生不必要的二次冲击。

（5）确保活动结构（可折板、可拆板、门等）制造和装配质量。

（6）在舰艇下水前应检查固体压载、通海阀、格子板等紧固情况和装焊质量，未紧固的部件必须采取措施加以紧固。

（7）在舰艇离厂试航前，应彻底检查上层建筑内管路系统、甲板舾装件、可拆板、活动门等紧固情况，未紧固的部件必须采取措施加以紧固。

3.2 船体、设备和管路系统等的建造工艺要求

（1）船体结构所有焊缝应修磨光顺，不应出现漏焊、虚焊，不允许在船体外表面残留焊瘤、焊渣及其他杂物。

（2）应合理设计甲板上的舾装件，在紧固、安装时要选择适当厚度的隔振橡胶作衬垫，务求安装到位、牢固锁紧。

（3）承造船厂应做好轴系、管系、支架布置及设备间的安全间隙等抗冲击工艺设计工作，免受再次撞击损伤；管路和管系附件不得紧靠船体构架，间隙应大于20 mm，与设有低频减振器的设备距离一般应大于60 mm。

（4）电缆敷设建议通常用胶合线，电缆较多时应紧密绑扎成索，用压板或夹子将电缆紧固于机器或船体结构上，电缆端头应保持充分松弛。

4 需要特别注意的问题

目前在舰艇总体抗冲击设计中，还有以下问题需要特别注意:

4.1 关于系统抗冲击设计技术

以往对单一设备的抗冲击防护开展研究较多，对系统级、全船级的研究开展较少且具有相当难度:如管路系统分布广，冲击输入环境多样，难以在实验室进行冲击考核；轴系不但冲击输入多样，而且和后传动、齿轮箱及主机相连，单独进行冲击分析存在不确定性。因此，需要研究系统冲击设计和防护技术。

4.2 能直接承受冲击波作用的结构抗冲击问题

对于既承受舰船结构传递的冲击载荷，又同时承受水下爆炸冲击波载荷作用的结构，在抗冲击设计时需特别重视，否则后果可能很严重。如海底门必须进行抗冲击计算；海底门的板厚在不小于相邻船体外板板厚的基础上，还需考虑冲击载荷的作用有可能会进一步加强，同时需要改进海水滤器盖板的固定方式，使其更加牢靠；此外，如舰艇的舵和收放式声纳结构，由于同时承受两部分载荷的作用，故也应予以重视。