基于海況適應(yīng)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模型驗(yàn)證的一種方法

摘? 要：隨著電子技術(shù)的發(fā)展和我國對海洋開發(fā)的進(jìn)一步深入，對電子裝備面對復(fù)雜海洋環(huán)境下的適應(yīng)性提出了更高的要求和指標(biāo)。該技術(shù)方法通過模型結(jié)合振動(dòng)、顛震和沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、建模，達(dá)到一種對設(shè)備海況適應(yīng)性接近真實(shí)的評價(jià)，能夠在一定程度上反應(yīng)電子裝備的海洋環(huán)境適應(yīng)性，費(fèi)用低廉，效益可觀。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);試驗(yàn)數(shù)據(jù)模型;海況適應(yīng)性

中圖分類號(hào)：U661? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）10-0019-03

Abstract：With the development of electronic technology and the further development of marine development in China，higher requirements and indicators for the adaptability of electronic equipment in the face of complex marine environment are put forward. Through the analysis，processing and modeling of the model combined with vibration，shock and impact test data，this technology can achieve a close to real evaluation of the sea condition adaptability of equipment，and can reflect the marine environment adaptability of electronic equipment to a certain extent，with low cost and considerable benefits.

Keywords：structural design;experimental data model;sea adaptability

0? 引? 言

隨著我國對海洋資源開發(fā)的不斷深入和海洋意識(shí)的不斷提高，我國對深海的探索不斷地加深，特別是軍事船只對深海領(lǐng)域的探索在不斷延伸。軍事裝備在深海作業(yè)不僅需要保證可靠性，而且要適應(yīng)全天候海洋環(huán)境，對其在深海的環(huán)境適應(yīng)性也提出了更高的要求。

在裝備研制過程中，依據(jù)裝備的實(shí)際工作環(huán)境和功能特性，需要滿足在四級(jí)海況或五級(jí)海況（使用減搖鰭）條件下能正常工作，九級(jí)海況條件下不損壞的要求。要想達(dá)到此要求，就需要裝備在搖擺臺(tái)上進(jìn)行實(shí)際的試驗(yàn)測試，但該測試實(shí)驗(yàn)不僅需要高額的經(jīng)費(fèi)支持，而且可能會(huì)對實(shí)際裝備造成不可估量的損壞，無法修復(fù)。

本文提出的基于海況適應(yīng)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模型驗(yàn)證的方法是通過針對性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和減震設(shè)計(jì)，基于常規(guī)振動(dòng)試驗(yàn)和普通的抗沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和評判，通過建立數(shù)據(jù)模型，對真實(shí)海況的適應(yīng)性作出評價(jià)。不僅可以節(jié)約試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，而且可以保證設(shè)備的安全，經(jīng)濟(jì)效益可觀，應(yīng)用前景廣泛。

1? 海況對裝備的影響

海上作業(yè)時(shí)，船舶在海浪中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通常會(huì)導(dǎo)致船體受到波浪的影響而產(chǎn)生上下和左右的波動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)幅度比較大時(shí)，甚至?xí)绊戨娮友b備的可靠性，并對裝備造成一定力量的沖擊。因此，在研制過程中，考慮海況對裝備的實(shí)際影響，就有必要提前做出仿真或者在裝備研制后進(jìn)行相關(guān)的針對性專項(xiàng)試驗(yàn)。

2? 結(jié)構(gòu)及減震設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境使用條件及艦載設(shè)備的特殊性，設(shè)備應(yīng)采用鑄造形式，在保證美觀的前提下，確保滿足整體抗振動(dòng)、抗沖擊、抗顛震及“三防”的要求。

設(shè)備的外殼應(yīng)采用鑄造的加工方式，機(jī)殼前面的窗口用以安裝插箱，側(cè)壁的凸臺(tái)安裝導(dǎo)軌安裝板和匯流條，底部開口作為機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)口，背部兩個(gè)大窗口作為其后門，方便電裝操作;小窗口處安裝兩只風(fēng)機(jī)，作為機(jī)柜的出風(fēng)口，保證機(jī)柜的散熱，頂部開口用以安裝轉(zhuǎn)接板。

四個(gè)插箱通過插箱側(cè)壁的掛釘固定于導(dǎo)軌的托板槽上，設(shè)備底部和背部各安裝有隔振器，保證設(shè)備的抗振性。

設(shè)備應(yīng)采用四個(gè)對稱排布的減震器，設(shè)備總重量約300kg。通過選型，采用市場主流的GWF-80A阻尼隔振器，該減振器具有諧振頻率低、符合艦船使用環(huán)境條件要求等特點(diǎn)，背部采用主流生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的鋼板O型減振器。

設(shè)備內(nèi)插箱單元及獨(dú)立功能模塊，凡用螺釘連接時(shí)，一律要加彈簧墊圈，以防止螺釘松動(dòng)。為了改善受力情況，插箱內(nèi)的布置盡量把重量比較大的模塊靠置在四周，以減輕插箱底板的變形。

3? 模型設(shè)計(jì)

典型海況下?lián)u擺量為正弦振動(dòng)，主要參數(shù)為振幅、振動(dòng)速度和加速度。把四級(jí)、五級(jí)和九級(jí)海況下的縱橫搖對艦船的影響轉(zhuǎn)移到設(shè)備上進(jìn)行考核。

在低頻范圍內(nèi)，振動(dòng)速度與位移成正比，在中頻范圍內(nèi)，振動(dòng)強(qiáng)度與速度成正比，在高頻范圍內(nèi)，振動(dòng)強(qiáng)度與加速度成正比。因此頻率低意味著振動(dòng)體在單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)少，過程時(shí)間長，速度、加速度的數(shù)值相對較小，因此振動(dòng)位移能夠清晰地反映出振動(dòng)的強(qiáng)度大小，而頻率高意味著振動(dòng)次數(shù)多、過程短，尤其是加速度的數(shù)值及變化量大，因此振動(dòng)強(qiáng)度與振動(dòng)加速度成正比。

振動(dòng)位移具體反映了間隙的大小，振動(dòng)速度反映了能量的大小，振動(dòng)加速度反映了沖擊力的大小。因設(shè)備與艦體為剛性連接，所以可以直接把橫搖、縱搖和垂搖轉(zhuǎn)化為加速度，與設(shè)備的振動(dòng)、顛震和抗沖擊的加速度進(jìn)行比對，驗(yàn)證設(shè)備能否滿足海況的要求。

振動(dòng)加速度量值是單峰值，單位是重力加速度（g）或者米/秒平方（m/s2）。根據(jù)位移與振幅、頻率的關(guān)系可知：

根據(jù)微積分的基本原理可知：對y求一階導(dǎo)數(shù)可得出當(dāng)前的速度，對y求二級(jí)導(dǎo)數(shù)可得到當(dāng)前的加速度。因此加速度的計(jì)算公式為：

因此最大的加速度為：

取重力加速度g=9.8m/s2

因此以上公式可以簡化為：

因此，通過該模型分析計(jì)算，對復(fù)雜海況的適應(yīng)性就可以轉(zhuǎn)化為裝備在水平面的實(shí)際投影和縱橫搖的振動(dòng)頻率。

4? 已知試驗(yàn)數(shù)據(jù)

裝備振動(dòng)試驗(yàn)嚴(yán)酷等級(jí)如表1所示。

在試驗(yàn)過程中，裝備外觀無損傷，且沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞、緊固件松動(dòng)、元器件脫焊等現(xiàn)象，主要考核裝備在艦船振動(dòng)條件下工作的適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)的完好性。

顛震試驗(yàn)的具體要求和條件如下：（1）顛震加速度幅值：7g;（2）脈沖持續(xù)時(shí)間：>16ms;（3）沖擊速率：30rpm;（4）總沖擊次數(shù)：1000次（通電顛震次數(shù)不得小于500次）;（5）試驗(yàn)方向：Z軸向。

在試驗(yàn)過程中，裝備外觀無損傷，且沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞、緊固件松動(dòng)、元器件脫焊等現(xiàn)象，主要考核裝備在艦船作戰(zhàn)、航行時(shí)受到的波浪引起的重復(fù)性低強(qiáng)度沖擊條件下的工作適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)的完好性。

裝備的沖擊試驗(yàn)嚴(yán)酷等級(jí)如表2所示。

試驗(yàn)結(jié)果為合格，通過實(shí)際試驗(yàn)可以驗(yàn)證裝備的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)符合抗沖擊試驗(yàn)的相關(guān)條件。

5? 數(shù)據(jù)對比

根據(jù)裝備在振動(dòng)、顛震和抗沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行轉(zhuǎn)化，得出振動(dòng)試驗(yàn)中三個(gè)軸向（X、Y、Z）所承受的最大加速度為1.28g，持續(xù)時(shí)間為2小時(shí)，顛震試驗(yàn)中Z軸向所承受的最大加速度為7g，持續(xù)時(shí)間為1小時(shí)。

依據(jù)艦船適應(yīng)復(fù)雜海況的要求和具體指標(biāo)，得到以下數(shù)據(jù)：（1）四級(jí)海況下Z方向最大位移幅度為1000mm，最大頻率為0.2Hz，最大加速度為0.16g。X方向最大位移幅度為1590mm，最大頻率為0.125Hz，最大加速度為0.099g。Y方向最大位移幅度為1590mm，最大頻率為0.2Hz，最大加速度為0.254g。（2）五級(jí)海況下Z方向最大位移幅度為1900mm，最大頻率為0.2Hz，最大加速度為0.304g。X方向最大位移幅度為1560mm，最大頻率為0.125Hz，最大加速度為0.09g。Y方向最大位移幅度為1598mm，最大頻率為0.2Hz，最大加速度為0.255g。

6? 結(jié)? 論

四級(jí)和五級(jí)海況下Z、X和Y方向下加速度均小于振動(dòng)試驗(yàn)加速度（1.28g）和顛震試驗(yàn)的加速度（7g），滿足四級(jí)和五級(jí)海況下正常工作的要求。

九級(jí)海況下，設(shè)備屬于艙內(nèi)設(shè)備，外殼采用鑄造的加工方式，機(jī)柜底部和背部各安裝有隔振器，各單元均做了減震設(shè)計(jì)，且與艦體剛性連接，因此在船艦體不受損的情況下，能夠保證設(shè)備不損壞。

通過數(shù)據(jù)模型的建立以及同類型產(chǎn)品在海軍多年的實(shí)際使用情況均驗(yàn)證了設(shè)備已經(jīng)具備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以滿足四級(jí)、五級(jí)海況條件下正常工作狀態(tài)、九級(jí)海況下由于設(shè)備采用鑄件加工以及減震設(shè)計(jì)而不損壞的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張鈺，劉忠樂，張志強(qiáng).高海況下無人水下航行器的橫搖運(yùn)動(dòng)分析 [J].數(shù)字海洋與水下攻防，2018，1（2）：50-54+75.

[2] 蔣頡，傅江妍，韓正君.水面艦艇在高海況航行時(shí)的安全性分析 [J].艦船科學(xué)技術(shù)，2015，37（1）：6-10.

[3] 江興平.關(guān)于船舶抗大風(fēng)浪的探討 [J].上海海運(yùn)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000（1）：66-70.

作者簡介：張連成（1972-），男，漢族，河南周口人，專用測試設(shè)備項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，二級(jí)技師，本科，研究方向：系統(tǒng)檢測專業(yè)。