多種破壞因素下艦船電力系統(tǒng)三維戰(zhàn)損綜合評(píng)估

董 紅 程智斌

海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢 430033

多種破壞因素下艦船電力系統(tǒng)三維戰(zhàn)損綜合評(píng)估

董 紅 程智斌

海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢 430033

分析武器攻擊產(chǎn)生的4種主要破壞因素對(duì)設(shè)備的損傷機(jī)理，對(duì)船體和電力系統(tǒng)進(jìn)行三維數(shù)字建模，采用Matlab編程進(jìn)行蒙特卡羅模擬多種常規(guī)武器攻擊?？紤]多種破壞因素，提出武器多次命中時(shí)電力系統(tǒng)各部分損傷概率和損傷等級(jí)的計(jì)算方法。利用層次分析法確定權(quán)重，綜合評(píng)估電力系統(tǒng)的損傷，提出電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及防護(hù)建議。

破壞因素；電力系統(tǒng)；蒙特卡羅模擬；層次分析法

1 引言

現(xiàn)代艦船電氣化、自動(dòng)化水平越來越高，電力系統(tǒng)也達(dá)到至關(guān)重要的地位。電力系統(tǒng)與艦艇戰(zhàn)斗力、防御力和生命力直接相關(guān)，它就像是經(jīng)絡(luò)和血脈，遍布全船，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行全面細(xì)致的評(píng)估比較困難，但十分必要。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)艦船電力系統(tǒng)生命力進(jìn)行了諸多研究，主要包括損傷機(jī)理、評(píng)估方法等研究［1-3］，其中模糊評(píng)估法［4-6］近年來很流行。模糊評(píng)估法算法較先進(jìn)，對(duì)于艦船電力系統(tǒng)的綜合評(píng)估主要以一維和二維的方法來計(jì)算，并且一般只考慮武器的破壞半徑或進(jìn)水破壞一個(gè)因素，而本文將在三維條件下，考慮4種主要的破壞因素，對(duì)電力系統(tǒng)的戰(zhàn)損率進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，結(jié)果更加詳細(xì)也更加貼近實(shí)際。

2 破壞因素分析

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，水面艦艇受到的常規(guī)武器攻擊主要有來自空中的導(dǎo)彈、炮彈和來自水中的魚雷、水雷，爆炸類型又分為接觸爆炸和非接觸爆炸。無論哪種武器攻擊和哪種爆炸類型，對(duì)艦船系統(tǒng)的破壞因素主要有4種：直接破壞、沖擊振動(dòng)破壞、火災(zāi)破壞和進(jìn)水破壞。下面對(duì)這4種破壞因素分別進(jìn)行分析。

2.1 直接破壞

爆炸破片損傷設(shè)備要同時(shí)具備2個(gè)條件：

1）至少有一個(gè)破片擊中設(shè)備；

2）破片有足夠能量穿過防護(hù)破壞設(shè)備元件。

一般來說破片損傷的設(shè)備，沖擊波也破壞了設(shè)備，此處只考慮沖擊波的破壞。沖擊波破壞作用用3個(gè)參數(shù)來度量：波陣面壓力（或超壓ΔPm）；正壓區(qū)作用時(shí)間t＋；比沖量，即正壓區(qū)壓力函數(shù)對(duì)時(shí)間的積分值。一般我們用超壓來判斷設(shè)備是否損壞。沖擊波超壓經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式［9］：

式中，ω為TNT裝藥量，kg；R為裝備距彈藥裝藥中心的距離，m；

經(jīng)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，超壓對(duì)電子電氣類設(shè)備損傷閥值為 0.05～ 0.11 MPa；對(duì)艦船的損傷閥值為 0.07 ～0.085 MPa（嚴(yán)重破壞）和 0.028 ～0.043 MPa（輕微或中等破壞［10］）。

2.2 沖擊振動(dòng)破壞

接觸爆炸和非接觸爆炸都會(huì)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)破壞，此處只考慮接觸爆炸和水中非接觸爆炸產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)破壞。沖擊振動(dòng)破壞電力系統(tǒng)設(shè)備的方式：

1）振動(dòng)或沖擊幅值過大，超過允許的范圍；

2）系統(tǒng)的固有頻率與強(qiáng)迫振動(dòng)頻率相同或接近，系統(tǒng)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，即使激勵(lì)幅值不大，但響應(yīng)值會(huì)大大超過激勵(lì)幅值，極可能導(dǎo)致對(duì)產(chǎn)品的破壞；

3）振動(dòng)試驗(yàn)的幅值雖然未超出允許范圍，但由于循環(huán)次數(shù)過多，則會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷。

為了便于進(jìn)行分析計(jì)算，我們采用以下判據(jù)，對(duì)于某一確定武器，某處的沖擊環(huán)境僅與該處爆炸點(diǎn)的距離和方位有關(guān)［9］：

設(shè)爆炸點(diǎn)坐標(biāo)為（x0，y0，z0），某點(diǎn)處的坐標(biāo)為（x1，y1，z1）， 則該點(diǎn)處接觸爆炸沖擊加速度的模型為：

式中，K為與裝藥量等因素有關(guān)的常數(shù)。

該點(diǎn)處非接觸爆炸的沖擊加速度的模型為：

式中，K′為與結(jié)構(gòu)、武器相關(guān)的常數(shù)。我們通過判斷設(shè)備能夠承受的響應(yīng)加速度Ai與沖擊加速度的大小來判斷設(shè)備是否損壞。一般認(rèn)為電子電氣設(shè)備能承受10 g的加速度。機(jī)械設(shè)備能夠承受15 g的加速度，超過這兩個(gè)范圍就認(rèn)為受到損壞。

2.3 火災(zāi)破壞

火災(zāi)破壞是武器接觸爆炸所產(chǎn)生的后續(xù)威脅，由火災(zāi)形成和蔓延的機(jī)制可知，艦艇火災(zāi)與艦艇艙室可燃物的數(shù)量、可燃物的特性（燃點(diǎn)、閃點(diǎn)、燃燒速度）、艙室通風(fēng)狀態(tài)因素、消防系統(tǒng)的配置與效率、艦員消防訓(xùn)練的熟練程度、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)指揮是否得當(dāng)，以及火源等因素有關(guān)。將這些因素進(jìn)行指標(biāo)的歸納與量化，并根據(jù)廣義指標(biāo)體系非線性合成方法，形成一個(gè)新的指標(biāo)，即艦艇艙室火災(zāi)危險(xiǎn)度Poi。該指標(biāo)用來衡量艦艇艙室火災(zāi)危險(xiǎn)性的大小，指標(biāo)值越大則艙室的火災(zāi)危險(xiǎn)性越大，指標(biāo)的取值范圍為［0，1］。具體的火災(zāi)危險(xiǎn)度的計(jì)算模型為［10］：

式中，k1為可燃物著火因子；k2為可燃物負(fù)荷密度因子；k3為可燃物燃燒速度因子；k4為艙室通風(fēng)狀態(tài)因子；k5為消防因子。

2.4 進(jìn)水破壞

當(dāng)武器直接命中艦船接觸爆炸或近距離非接觸爆炸時(shí)，會(huì)在艦體上形成破口，當(dāng)炸點(diǎn)或破口延伸至水線以下時(shí)就會(huì)引起進(jìn)水，破口過大無法堵漏時(shí)，被認(rèn)為艙室內(nèi)設(shè)備尤其是電氣設(shè)備完全損壞失效。

普通炸藥武器接觸爆炸或近距離爆炸時(shí)，其對(duì)艦船的破壞作用，可按下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出破壞半徑Rb：

式中，ωT為 TNT裝藥當(dāng)量，kg；K為艦船結(jié)構(gòu)系數(shù)，一般可取其為 0.37 ～0.44。

普通炸藥武器水中接觸爆炸，對(duì)艦船的破壞半徑 R 為［11］：式中，P0為爆炸點(diǎn)靜水絕對(duì)壓力，kg／cm2；H 為爆炸點(diǎn)處水深，m。

3 三維條件下概率計(jì)算方法步驟

在三維空間里進(jìn)行損傷概率計(jì)算，區(qū)別與一維、二維的損傷概率，需要考慮到船體的三維尺寸、形狀，以及艙室和設(shè)備的位置和大小，更貼近實(shí)際情況，但計(jì)算也更加復(fù)雜［13］。三維概率計(jì)算的關(guān)鍵在于如何確定空間炸點(diǎn)的分布問題，在這里我們采用蒙特卡羅模擬方法。

3.1 三維數(shù)字建模

獲取艦船三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，主要包括：船體表面數(shù)據(jù)、艙室分布數(shù)據(jù)（長(zhǎng)、寬、高）、設(shè)備三維數(shù)據(jù)。由于船體是不規(guī)則幾何體，我們采用有限元的思路，將船體表面分割成互相連接的小單元［8］。電氣設(shè)備我們可以用一定大小的長(zhǎng)方體表示，電纜用線表示。

3.2 武器威脅模擬

水中武器威脅模擬，我們考慮魚雷的接觸爆炸、水雷的非接觸爆炸。

魚雷炸點(diǎn)的模擬我們可以采取與水面武器接觸爆炸同樣的辦法，不同之處在于炸點(diǎn)分布在水線以下部分船體表面。

由于水雷主要是非接觸爆炸，炸點(diǎn)模擬我們采用艦船周圍一定范圍的水域進(jìn)行模擬。為了方便模擬計(jì)算將水域近似為方形，大小與船體尺寸以及武器有效攻擊范圍有關(guān)，在方形區(qū)域內(nèi)可以很方便地取得三維隨機(jī)數(shù)進(jìn)行蒙特卡羅模擬。

3.3 概率計(jì)算

模擬各種武器的炸點(diǎn)，根據(jù)上述四種破壞因素的判據(jù)來判斷各個(gè)設(shè)備是否損壞，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

1）進(jìn)行N次單次命中攻擊試驗(yàn)系統(tǒng)中第i個(gè)設(shè)備的損傷次數(shù)：

2）系統(tǒng)損傷概率計(jì)算。

進(jìn)行系統(tǒng)損傷概率計(jì)算時(shí)，需要區(qū)分元件之間串聯(lián)還是并聯(lián)，以發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)電站為例進(jìn)行分析計(jì)算，如圖1所示。

元件d1與d2并聯(lián)組成柴油發(fā)電機(jī)組G，G和元件c3串聯(lián)。元件d1、d2、c3損壞電站分別損失的功率占整個(gè)電站功率的百分比為：g1，g2，g3，簡(jiǎn)稱為“功率比”。顯然，g1+g2=g3。在一次攻擊試驗(yàn)中，3個(gè)部件損壞的情況為 u1，u2，u3，ui=0 或 1（i=1，2，3）。并聯(lián)元件d1、d2功率損失算法：

電站（混聯(lián)元件）的功率損失算法：

分系統(tǒng)n功率損失計(jì)算公式：

式中，Kn表示分系統(tǒng)n（見第4節(jié)，本文將電力系統(tǒng)分成3個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算）設(shè)備的數(shù)量；N是試驗(yàn)次數(shù)；uijk表示第j試驗(yàn)中設(shè)備i在第k種破壞因素下的破損情況；gi表示功率比。

系統(tǒng)損傷等級(jí)在這里通過功率損失大小來規(guī)定， 設(shè)置 4級(jí)損傷等級(jí)Q＝｛A，B，C，D｝；A 級(jí)損傷的功率損失75%～100%；B級(jí)損傷的功率損失50%～75%；C級(jí)損傷的功率損失25%～50%；D級(jí)損傷的功率損失0～25%。

3.4 計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)

基于Matlab軟件的計(jì)算機(jī)模擬流程圖，如圖2所示。

4 實(shí)例計(jì)算分析

某艦船電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，該電力系統(tǒng)有前后兩個(gè)電站，均能對(duì)全艦100%供電。兩電站主配電板可以互為共用，主電纜分布在兩舷水線以上靠近甲板處，對(duì)于重要用電設(shè)備采用雙線供電。圖中元件W表示電纜。

電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，本文將電力系統(tǒng)分成三個(gè)部分分別進(jìn)行評(píng)估，避免相互之間的干擾，最后結(jié)合層次分析法進(jìn)行綜合評(píng)估。電力系統(tǒng)分為。發(fā)電系統(tǒng)、供電網(wǎng)絡(luò)、用電載荷。

發(fā)電系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)、主配電板、連接電纜；供電網(wǎng)絡(luò)包括主配電板到分配電板的連接電纜和分配電板；用電負(fù)荷包括分配電板到用電設(shè)備的連接電纜和用電設(shè)備。

4.1 層次分析法及加權(quán)平均計(jì)算

確定目標(biāo)：電力系統(tǒng)損傷概率評(píng)價(jià)，記為A；評(píng)價(jià)因素：發(fā)電系統(tǒng)、供電網(wǎng)絡(luò)、用電負(fù)荷，分別記為 u1，u2，u3∈U。 定義判斷矩陣 P（又稱 A－U 判斷矩陣）：

式中，uij表示因素ui對(duì)uj的相對(duì)重要性數(shù)值，uij取1表示因素ui與uj同等重要；uij取3表示因素ui比uj稍微重要；uij取5表示因素ui比uj明顯重要；uij取7表示因素 ui比 uj更加重要；uij取 9表示因素 ui比 uj極端重要；uij取 2、4、6、8 分別表示相鄰判斷［13］。 設(shè)

根據(jù)判斷矩陣P求各評(píng)價(jià)因素重要性排序，即權(quán)數(shù)分配。利用和積法求得權(quán)系數(shù)：W＝（0.615，0.319，0.066）T。 加權(quán)平均計(jì)算電力系統(tǒng)損傷概率：

4.2 蒙特卡羅模擬計(jì)算

假設(shè)該艦艇在某海域執(zhí)行任務(wù)受到威脅的武器主要有：250 k g TNT級(jí)導(dǎo)彈、400 k g TNT級(jí)魚雷和500 k g TNT級(jí)水（錨）雷。設(shè)定以下幾個(gè)假設(shè)。

1）每次命中之后認(rèn)為艦船的浮態(tài)保持不變，忽略因破損造成的進(jìn)水傾斜等浮態(tài)變化；

2）前一次攻擊損壞的設(shè)備在后一次攻擊中仍在破損范圍之內(nèi)的不重復(fù)記入損壞；

3）任意設(shè)備一旦損壞，就認(rèn)為該設(shè)備的功率完全喪失；

4）每次攻擊都認(rèn)為是非接觸爆炸或在船體表面的接觸爆炸，不考慮武器在船體內(nèi)部爆炸的情況。

對(duì)3種武器進(jìn)行1～10次命中編程模擬試驗(yàn)各10 000次，部分計(jì)算結(jié)果如圖4～圖15。圖中縱坐標(biāo)為概率，橫坐標(biāo)為命中次數(shù)［14］。

5 結(jié)果分析及結(jié)論

由于篇幅限制，本文未列出全部計(jì)算結(jié)果，只完整地列出了導(dǎo)彈攻擊時(shí)的計(jì)算結(jié)果。采用本方法我們可以很清楚直觀地看到系統(tǒng)各個(gè)部分的受損情況，以及受損的原因，便于對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估分析。

1）隨著武器命中次數(shù)的增加，系統(tǒng)發(fā)生A級(jí)損傷的概率越來越高，而其它各級(jí)損傷的概率是先增加后減小。在實(shí)際戰(zhàn)爭(zhēng)中，大型艦船被命中次數(shù)一般在1～3次之間，應(yīng)當(dāng)盡可能提高艦船在這個(gè)區(qū)間的生命力，讓高等級(jí)損傷盡量少地出現(xiàn)，從結(jié)果看該艦電力系統(tǒng)生命力較高。

2）從結(jié)果圖中可以看到?jīng)_擊振動(dòng)作用對(duì)系統(tǒng)的破壞很顯著，尤其是受水下武器攻擊時(shí)，它作用范圍廣。在低命中次數(shù)時(shí)，水下武器攻擊更容易造成系統(tǒng)A級(jí)損傷，安裝性能優(yōu)良的減振器，提高設(shè)備的抗振性能，十分必要，能夠大大降低電力系統(tǒng)的損毀概率。

3）主配電網(wǎng)絡(luò)布置在兩舷水線以上，生命力較高，它受到的威脅主要是水面武器導(dǎo)彈，主要損傷模式是直接破壞和火災(zāi)破壞。在布置電纜時(shí)可以在保持兩舷電纜距離的同時(shí)將電纜移往中間，可以減少武器直接破壞的概率提高生命力。

4） 比較圖 13、圖 14、圖15，電力系統(tǒng)在受魚雷、水雷攻擊時(shí)的損傷概率，比受導(dǎo)彈攻擊要小很多，主要原因是魚雷、水雷對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的損傷較小，但是實(shí)際上電力系統(tǒng)的生命力并沒有圖14、圖15中那么強(qiáng)大。因?yàn)槠渌O(shè)備再完好，發(fā)電系統(tǒng)損壞了，電力系統(tǒng)的功率損失也是100%。加權(quán)平均計(jì)算在此存在一定的局限性。

本文給出了三維條件下4種破壞因素作用的電力系統(tǒng)損傷概率的計(jì)算評(píng)估方法，進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算。本方法計(jì)算結(jié)果詳盡細(xì)致，可以得出系統(tǒng)各部分的損傷概率以及破壞等級(jí)分布，便于對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行全面的評(píng)估，能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的設(shè)計(jì)及防護(hù)提出合理意見。結(jié)合不同武器權(quán)重，還能接進(jìn)行多種武器攻擊下的系統(tǒng)戰(zhàn)損評(píng)估。

［1］ SIEGRIST K.Reliabili t y of systems with Markov transfer of control ［J］.IEE E Trans.Software Eng，1988，14 （7）：1049-1053.

［2］ ZAHEDI F，ASHRAFI N.Software reliability allocation based on structure，utility，price，and cost ［J］.IEEE Trans.Software Eng，1991，17（4）：345-355.

［3］ 易祥烈，邱金水.艦艇電力系統(tǒng)生命力評(píng)估中的圖論分析法［J］.船海工程，2007，36（3）：107-109.

［4］ 崔魯寧，浦金云.多種武器攻擊下艦船電力系統(tǒng)生命力的模糊綜合評(píng)判 ［J］. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，15（6）：97-100.

［5］ 程智斌，張耀祖.電力系統(tǒng)生命力綜合評(píng)估［J］.船舶工程，1994（2）：31-34.

［6］ 陳聰，浦金云.多種評(píng)判函數(shù)在艦艇電力系統(tǒng)生命力模糊評(píng)估中的應(yīng)用［J］.船海工程，2007，36（3）：110-112.

［7］ 叢望，唐嘉亨.接觸爆炸下艦船電力系統(tǒng)生命力的研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，16（2）：54-59.

［8］ 楊樹國.艦船電力系統(tǒng)生命力評(píng)估方法的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2000.

［9］ 唐志剛，電力推進(jìn)系統(tǒng)和電站最佳安全性的設(shè)計(jì)［J］.船電技術(shù)，1998，18（1）：52-59.

［10］夏家武，浦金云.艦艇艙室火災(zāi)危險(xiǎn)性的評(píng)估方法［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，14（2）：34-38.

［11］浦金云，邱金水.艦船生命力［M］.北京：海潮出版社，2005.

［12］姚敏強(qiáng)，程智斌.武器任意攻擊角下艦艇的不沉性概率計(jì)算［J］.中國艦船研究，2009，4（1）：47-51.

［13］藎壚.實(shí)用模糊數(shù)學(xué)［M］.北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1989.

［14］石全，米雙山.裝備戰(zhàn)傷理論與技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.1.

Three-Dimensional Assessm ent of Warship Electrical System Subjected to Multiple Dam age Factors

Dong Hong Cheng Zhi－bin
College of Naval Architecture and Power，Naval University of E ngineering，Wuhan 430033，China

The re are fourmajor factors affecting the shipboard equipmentwhich subjected to battle damages under shock load of weapon attack.This paper establish ed a three－dimensionalmodel of ship hull and electric al system.Using the Matlab software，a Monte－Carlo simulation of ship under multiple weapon attackswas carried out.Method for calculating the damage probability and damage level of various portion of electric al system was proposed taking into account themultiple damage factors.The damages to the warship electric al system were evaluated as the assessmentweights were confirmed by Hierarchical Analysis Process.Suggestions were also provided for designing and protection of the electric al system.

damag e factor； electric al system； Monte Carlo simulation； Analytical Hierarchy Process

U665.12

A

1673－3185（2010）04－66－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.04.015

2009－07-16

董 紅（1983－），男，碩士研究生。研究方向：船舶動(dòng)力及熱力系統(tǒng)的科學(xué)管理。E-mail：wwh119＠163.com

程智斌（1960－），男，副教授。研究方向：艦船生命力及戰(zhàn)場(chǎng)搶修