艦艇總體抗沖擊設(shè)計分析

許 軍 劉見華

（1.海軍裝備部駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計研究軍代室 上海 200011；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

0 引 言

抗沖擊能力是艦艇隱形的盾牌，是艦艇生命力的重要組成部分。具有重要戰(zhàn)略地位、造價昂貴的艦艇如何在現(xiàn)代海戰(zhàn)中發(fā)揮其優(yōu)良性能、打贏高科技戰(zhàn)爭，并能提高抗打擊力、保持戰(zhàn)斗力和生命力的問題，一直受到世界各個海軍強國的重視。強化艦艇抗沖擊能力和生命力研究，已成為當(dāng)代和未來艦艇研制的重要發(fā)展趨勢［1］。

提高海軍艦艇裝備的抗沖擊能力是一個系統(tǒng)工程，涉及到基礎(chǔ)研究、試驗技術(shù)、工程設(shè)計、評估體系、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)和管理體制等方面的工作，這就需要我們提高認識、找出差距并投入大量人力和財力，以海軍作戰(zhàn)需求為牽引，順應(yīng)世界新軍事變革和艦艇技術(shù)的發(fā)展趨勢，在跟蹤、引進和借鑒的基礎(chǔ)上加速開展艦艇抗沖擊技術(shù)的研究和試驗工作，逐步制定設(shè)計、建造和評估的規(guī)范和指導(dǎo)性文件，并盡快建立和完善具有中國特色的艦艇抗沖擊管理體制，以縮短我國在艦艇抗沖擊方面與世界海軍強國的差距，實現(xiàn)艦艇裝備的跨越式發(fā)展。

本文主要從艦艇總體抗沖擊設(shè)計的角度，介紹艦艇抗沖擊設(shè)計的基本原則、抗沖擊設(shè)計的流程、抗沖擊建造工藝以及需要注意的問題。

1 抗沖擊設(shè)計基本原則

1.1 船 體

在船體抗沖擊設(shè)計方面，主要遵循以下基本原則［2］:

（1）船體必須能承受大的變形而不發(fā)生斷裂或裂開等破損，盡量使用高強度和高韌性的鋼材，不使用脆性材料（例如鑄鐵）。船體的焊縫應(yīng)與船體母體材料有相匹配的抗沖擊強度，應(yīng)嚴格按焊接工藝施工，盡可能減少焊接應(yīng)力。

（2）船體水密艙壁必須能有效阻止船體結(jié)構(gòu)破口的擴展，船體變形不應(yīng)導(dǎo)致附近范圍內(nèi)艙壁破裂。

（3）船體結(jié)構(gòu)的剛度應(yīng)盡量均勻，避免出現(xiàn)“硬點”；應(yīng)力變化部位的設(shè)計應(yīng)避免應(yīng)力集中；應(yīng)盡量使用縱骨架式結(jié)構(gòu)，沿船長方向的船體剖面模數(shù)應(yīng)盡可能均勻變化。雙層底結(jié)構(gòu)還要注意內(nèi)底的抗沖擊能力。

（4）基座的抗沖擊要求與所支承的設(shè)備相同，基座的設(shè)計應(yīng)首先按照滿足正常使用要求進行，然后從抗沖擊角度校驗，不考慮結(jié)構(gòu)和材料的非線性；若校驗中基座存在有過大的局部應(yīng)力，一般只要重新設(shè)計應(yīng)力過大區(qū)域，以滿足抗沖擊應(yīng)力的要求。在重新設(shè)計過大應(yīng)力基座構(gòu)件的情況下，設(shè)計構(gòu)件的應(yīng)力可大于靜態(tài)屈服強度的1.75倍，但不得大于2倍。

1.2 裝艦設(shè)備、管路和隔離器

在裝艦設(shè)備自身的抗沖擊設(shè)計方面，主要遵循以下基本原則:

（1）裝艦設(shè)備的設(shè)計應(yīng)考慮到通過船體結(jié)構(gòu)傳遞來的垂向、橫向和縱向的沖擊作用、慣性力和由此產(chǎn)生的變形。

（2）設(shè)備應(yīng)采用高強度金屬材料，避免使用脆性和低沖擊韌性的材料，必須使用脆性材料時應(yīng)采取有效的抗沖擊隔離措施。設(shè)備的設(shè)計必須特別注意避免應(yīng)力集中，設(shè)備材料使用要有足夠的截面面積和避免尖缺口、截面突變等引起應(yīng)力集中的因素。

（3）盡量減少與強度無關(guān)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，應(yīng)避免使用懸臂式結(jié)構(gòu)，焊接點應(yīng)盡可能遠離高應(yīng)力區(qū)。

（4）不得采用摩擦力作為在動載荷作用下固定和保持零部件相對位置的手段。利用電磁原理作用的電器元件，應(yīng)考慮到?jīng)_擊作用下保持正常工作位置所必需的電磁吸力。機構(gòu)的杠桿、連桿等可動件應(yīng)盡可能采用動平衡部件，或是單件動平衡或是一組動平衡。

（5）設(shè)備的安裝應(yīng)避免可能出現(xiàn)兩部分的相對移動，必須和連接設(shè)備中的成套設(shè)備（如發(fā)電機組、電動抗壓機等）安裝在剛度較大的公共底座上。

（6）設(shè)備一般應(yīng)在不采用沖擊防護措施的條件下具有規(guī)定的抗沖擊能力，當(dāng)設(shè)備自身的抗沖擊能力不能滿足要求時，必須采取沖擊防護措施，安裝抗沖隔振器?？箾_隔振器應(yīng)按其在艦上的使用部位、沖擊環(huán)境及設(shè)備的動力學(xué)特性確定。

（7）使用抗沖隔振器的設(shè)備與外部連接應(yīng)采用撓性連接，且變形能力能滿足設(shè)備在沖擊載荷作用下的最大位移。使用抗沖隔振器支承的電器、電子設(shè)備的接地跨接線應(yīng)有足夠的松弛長度，不應(yīng)妨礙設(shè)備在沖擊載荷作用下的運動，以防接線端處產(chǎn)生過應(yīng)力。

（8）所有顯控臺的插件板應(yīng)盡量橫向、縱向布置，避免垂向布置。如必須采用垂向布置，應(yīng)加裝有效的抗沖措施。所有系統(tǒng)、設(shè)備都應(yīng)考慮在水下爆炸瞬間停電后又恢復(fù)供電時的影響。

在管路抗沖擊設(shè)計方面，主要有以下基本原則［3-4］:

（1）彈性安裝設(shè)備的引出管路要采用柔性接管。管路應(yīng)考慮到?jīng)_擊作用下的垂向、橫向和縱向運動，管路系統(tǒng)應(yīng)有適當(dāng)?shù)娜蚩箾_擊支撐，質(zhì)量集中處應(yīng)安裝彈性吊架或支架，吊架盡量安裝在該段管路質(zhì)心處。管路系統(tǒng)的支架、吊架的設(shè)置應(yīng)考慮到管路系統(tǒng)在沖擊作用下的運動，以免發(fā)生支撐件或管路的過度變形或破壞、連接件的過載、法蘭接頭的泄漏或管路系統(tǒng)與相鄰設(shè)備和結(jié)構(gòu)的碰撞。

（2）管路應(yīng)避免使用螺紋管接頭，若必須使用該類接頭時，為減小作用在螺紋上的載荷，固定在沖擊作用下有相對運動的結(jié)構(gòu)上的管路應(yīng)有足夠的撓性。管件接頭應(yīng)具備與管路相同的抗沖擊能力。

在抗沖擊隔離器選用方面，主要遵循以下基本原則:

（1）抗沖擊隔離器件應(yīng)有足夠的承載能力和變形能力以便吸收沖擊能，同時又不發(fā)生觸底且盡量不使用限位器限制變形。

（2）抗沖擊隔離器件應(yīng)有防止在沖擊作用下因彈性元件的損壞而造成安裝設(shè)備與基座分離的措施。

（3）抗沖擊隔離器件應(yīng)通過沖擊強度、沖擊剛度和沖擊阻尼的試驗，并提供其非線性沖擊特性及極限載荷（力、速度、加速度、位移）。

（4）抗沖擊隔離器應(yīng)兼顧聲隱身的要求。

1.3 人 員

在人員抗沖擊防護方面，主要遵循以下基本原則:

（1）艦艇主要戰(zhàn)位應(yīng)采取抗沖擊隔離措施，使艦員的沖擊載荷在允許范圍內(nèi)。

（2）人員處于站姿、坐姿和臥姿時的沖擊傷害部位有所差異，因此需要采取相應(yīng)的防護措施。

（3）人員應(yīng)配備相應(yīng)的防護裝具，以減小二次沖擊效應(yīng)引起的傷害。

（4）人員必須提高抗沖擊防護意識，艦艇可能會由于設(shè)備不可抵抗沖擊載荷而引起設(shè)備零部件脫落，從而引起人員的損傷。

2 抗沖擊設(shè)計流程

艦艇沖擊防護工作應(yīng)貫穿于艦艇的論證、設(shè)計、施工建造、試驗試航、使用以及修理等全壽命周期過程，應(yīng)通過不同研制階段逐步完善及落實各項抗沖擊措施，使新研艦艇的抗沖擊能力滿足戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)要求［5］。

2.1 論證階段

根據(jù)艦艇的作戰(zhàn)需求，提出該型艦應(yīng)達到的總體抗沖擊性能指標(biāo)，并分別提出船體結(jié)構(gòu)抗爆能力、設(shè)備抗沖擊能力和人員的沖擊防護要求。

2.2 設(shè)計階段

實施艦艇抗沖擊頂層設(shè)計研究，對全艦的抗爆抗沖擊指標(biāo)進行研究分解，提出需進行的專項研究課題，提出各項目主要研究內(nèi)容和應(yīng)達到的指標(biāo)并開始專項研究。預(yù)報確定艦艇的沖擊環(huán)境，確定艦上設(shè)備、管路系統(tǒng)、人員的沖擊環(huán)境，提出船體、主要機電設(shè)備、主要管路系統(tǒng)、主要部位人員的沖擊防護技術(shù)措施，平衡及評估各項研究成果及有關(guān)抗沖措施，提出并制定與艦艇總體性能相容的抗沖擊工程方案。

2.3 施工建造階段

總體研究所和系統(tǒng)、設(shè)備承制廠及承造船廠應(yīng)認真協(xié)調(diào)、各負其責(zé)，并配合工廠施工建造，解決與抗沖擊設(shè)計有關(guān)的施工問題，協(xié)調(diào)各項抗沖擊措施落實過程中所產(chǎn)生的矛盾，提出抗沖擊原則工藝要求，修改相應(yīng)施工圖紙和文件，落實全艦抗沖擊措施的實現(xiàn)。施工建造完畢后，應(yīng)進行小結(jié)并編制有關(guān)沖擊防護措施的使用和維護保養(yǎng)說明書。

2.4 試驗、驗收和評估階段

總體研究所會同承造船廠提出抗沖擊評估文件，條件許可時可進行新造艦艇的水下非接觸爆炸考核試驗，以全面考核整艦及各功能系統(tǒng)的抗沖擊能力，從而為后續(xù)艦艇的抗沖擊設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)和參照母型，積累艦艇抗沖擊設(shè)計的經(jīng)驗及有關(guān)資料，系統(tǒng)綜合評估現(xiàn)有抗沖措施效果，并提出后續(xù)艦艇的改進建議。

2.5 使用及修理階段

艦艇在使用或修理過程中，應(yīng)仔細查閱有關(guān)沖擊防護措施的使用和維護保養(yǎng)說明書，按照說明書進行維護和修理，一旦發(fā)現(xiàn)有關(guān)沖擊防護措施發(fā)生變化，應(yīng)立即修復(fù)并對船體結(jié)構(gòu)進行仔細檢驗；如發(fā)現(xiàn)腐蝕嚴重的部位應(yīng)及時進行修理，防止船體結(jié)構(gòu)因銹蝕而影響整艦的抗沖擊能力；檢查有關(guān)設(shè)備的沖擊防護措施，進行維護保養(yǎng)，檢查連接件的固定情況，杜絕松脫情況的發(fā)生；檢查有關(guān)接線外部的絕緣層及上面的塑料管套等，防止局部老化或變硬而影響抗沖擊性能。

3 抗沖擊建造工藝要求

艦艇的抗沖擊性能不僅與設(shè)計有關(guān)，而且還與建造質(zhì)量、建造工藝有密切關(guān)系。艦艇建造時，總體研究所應(yīng)提出抗沖擊原則工藝要求，承造船廠則編制抗沖擊工藝文件，以確保施工建造期間能嚴格落實全艦抗沖擊措施的實現(xiàn)。

3.1 一般要求

（1）承造船廠應(yīng)對施工建造進行全面質(zhì)量管理和質(zhì)量控制，從而有效保證抗沖擊設(shè)計的效果。

（2）與抗沖擊設(shè)計有關(guān)的項目和沖擊防護設(shè)施，應(yīng)嚴格按圖紙要求施工，杜絕漏項、處理不到位、錯用抗沖隔離器等情況發(fā)生，并最終須對所有的項目與設(shè)施逐項進行檢查驗收。

（3）在艦艇建造階段，承造船廠應(yīng)嚴格按照總體設(shè)計、系統(tǒng)和系統(tǒng)設(shè)備承制廠所提出的抗沖擊施工要求，編制抗沖擊工藝，并按評審?fù)ㄟ^的工藝認真施工。

（4）在液艙和上層建筑等部位裝焊封閉前，必須檢查清理遺留的焊條、螺栓、螺母、邊角廢料等雜物，以免產(chǎn)生不必要的二次沖擊。

（5）確?；顒咏Y(jié)構(gòu)（可折板、可拆板、門等）制造和裝配質(zhì)量。

（6）在艦艇下水前應(yīng)檢查固體壓載、通海閥、格子板等緊固情況和裝焊質(zhì)量，未緊固的部件必須采取措施加以緊固。

（7）在艦艇離廠試航前，應(yīng)徹底檢查上層建筑內(nèi)管路系統(tǒng)、甲板舾裝件、可拆板、活動門等緊固情況，未緊固的部件必須采取措施加以緊固。

3.2 船體、設(shè)備和管路系統(tǒng)等的建造工藝要求

（1）船體結(jié)構(gòu)所有焊縫應(yīng)修磨光順，不應(yīng)出現(xiàn)漏焊、虛焊，不允許在船體外表面殘留焊瘤、焊渣及其他雜物。

（2）應(yīng)合理設(shè)計甲板上的舾裝件，在緊固、安裝時要選擇適當(dāng)厚度的隔振橡膠作襯墊，務(wù)求安裝到位、牢固鎖緊。

（3）承造船廠應(yīng)做好軸系、管系、支架布置及設(shè)備間的安全間隙等抗沖擊工藝設(shè)計工作，免受再次撞擊損傷；管路和管系附件不得緊靠船體構(gòu)架，間隙應(yīng)大于20 mm，與設(shè)有低頻減振器的設(shè)備距離一般應(yīng)大于60 mm。

（4）電纜敷設(shè)建議通常用膠合線，電纜較多時應(yīng)緊密綁扎成索，用壓板或夾子將電纜緊固于機器或船體結(jié)構(gòu)上，電纜端頭應(yīng)保持充分松弛。

4 需要特別注意的問題

目前在艦艇總體抗沖擊設(shè)計中，還有以下問題需要特別注意:

4.1 關(guān)于系統(tǒng)抗沖擊設(shè)計技術(shù)

以往對單一設(shè)備的抗沖擊防護開展研究較多，對系統(tǒng)級、全船級的研究開展較少且具有相當(dāng)難度:如管路系統(tǒng)分布廣，沖擊輸入環(huán)境多樣，難以在實驗室進行沖擊考核；軸系不但沖擊輸入多樣，而且和后傳動、齒輪箱及主機相連，單獨進行沖擊分析存在不確定性。因此，需要研究系統(tǒng)沖擊設(shè)計和防護技術(shù)。

4.2 能直接承受沖擊波作用的結(jié)構(gòu)抗沖擊問題

對于既承受艦船結(jié)構(gòu)傳遞的沖擊載荷，又同時承受水下爆炸沖擊波載荷作用的結(jié)構(gòu)，在抗沖擊設(shè)計時需特別重視，否則后果可能很嚴重。如海底門必須進行抗沖擊計算；海底門的板厚在不小于相鄰船體外板板厚的基礎(chǔ)上，還需考慮沖擊載荷的作用有可能會進一步加強，同時需要改進海水濾器蓋板的固定方式，使其更加牢靠；此外，如艦艇的舵和收放式聲納結(jié)構(gòu)，由于同時承受兩部分載荷的作用，故也應(yīng)予以重視。

4.3 關(guān)于沖擊作用后的維修問題

從艦艇爆炸試驗后的損壞情況來看，很多損壞情況并不嚴重，只要及時發(fā)現(xiàn)并進行艦員級維修，問題便能得到解決，不至于造成嚴重后果。因此，在艦艇設(shè)計時，從艦艇抗沖擊的角度，應(yīng)盡量避免在各個艙室過多裝飾，船上的設(shè)備、管系（除防凍包覆外）等應(yīng)盡可能裸露，以便沖擊損壞時的及時檢查和修理。

5 結(jié) 論

艦艇抗沖擊能力是艦艇作戰(zhàn)能力和生存能力的重要組成部分，是艦艇必須保證的最基本性能。西方海軍強國將抗沖擊性能和艦艇的其他性能等同視之，在研制的每一個階段都有具體的抗沖擊工作實施要求和計劃，從設(shè)計到生產(chǎn)，抗沖擊工作貫穿艦艇研制全過程。

我國抗沖擊研究工作起步較晚、基礎(chǔ)相對薄弱，抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)體系也不夠完善。然而盡管我國與國外海軍強國相比還存在較大差距，但必須在艦艇總體抗沖擊設(shè)計等方面持續(xù)不斷地努力，以實現(xiàn)艦艇抗沖擊能力的跨越式發(fā)展。

［1］劉見華，冒如權(quán)，馬錦華.我國水面艦船抗爆抗沖擊設(shè)計若干問題探討［C］//汪玉.實船水下爆炸沖擊試驗及防護技術(shù).北京:國防工業(yè)出版社，2010.

［2］國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 1060.1-91艦船環(huán)境條件要求機械環(huán)境［S］.1991.

［3］劉見華、鄭榮.淺談艦艇抗沖擊試驗成果的應(yīng)用［C］//汪玉.實船水下爆炸沖擊試驗及防護技術(shù).北京:國防工業(yè)出版社，2010.

［4］丁建軍，張忠宇，田昭麗等.水下爆炸沖擊作用下艦船管路動響應(yīng)研究［J］.船舶，2012（5）:38-42.

［5］葉明，范井峰.艦艇抗沖擊綜合研究初探［J］.船舶，2004（6）:10-12.