国外舰载设备抗冲击考核研究方法概述
摘 要:舰艇在水下非接触爆炸中,舰载设备的抗冲击能力最弱,各海军强国十分重视舰载设备抗冲击考核研究工作。目前国外对舰载设备的考核研究主要通过冲击机试验、浮动冲击平台试验、仿真计算实验及实船爆炸试验四种方式进行。本文对国外舰载设备的抗冲击考核研究方法进行归纳总结,对国内开展舰载设备的抗冲击考核研究提供参考。
关键词:水下爆炸 舰载设备 抗冲击
中图分类号:U674文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)02(b)-0016-01
舰艇作为现代海战的主要作战平台,很容易受到敌方攻击。从二次世界大战起以美国为首的西方国家进行了大量的舰艇抗冲击试验[2-4]。
美国海军对舰载设备抗冲击有明确要求,MIL-S-901系列军用规范规定凡小于181吨的舰载设备都要进行抗冲击考核,大于181吨的舰载设备则进行仿真计算考核,合格后才能装舰使用。目前国外对舰载设备的考核研究主要使用冲击机试验、浮动冲击平台试验、仿真计算实验及实船爆炸试验四种方式进行。
1 冲击机试验方法
水下爆炸对舰载设备的冲击环境与冲击机对舰载设备的冲击环境严格来说差别较大,但由于水下爆炸试验存在试验成本高、安全性差、对环境损害大、试验条件要求高等问题。陆上冲击机试验不仅能克服上述缺点,同时还有冲击载荷加载准确、试验重复性好,试验组织实施难度小、数据测量采集方便等优点,因此国外对中小型舰载设备的冲击考核研究主要通过陆上冲击机试验的方法进行。
舰载设备冲击机按试验时能承重的设备重量分可分为轻量级击机(LWSM)、中量级冲击试验机(MWSM)、重量级冲击试验机(HWSM)。根据MIL-S-901C要求,质量少于113kg的设备通过轻量级击机进行考核,质量大于113kg小于2043kg的设备通过中量级冲击试验机进行考核,质量大于113kg小于5000kg的设备通过重量级冲击试验机进行考核。同时舰载设备冲击机按试验中冲击作用形式还可分为摆锤、落锤式、液压式冲击机等。
2 浮动冲击平台试验
冲击机试验虽然操作简便,重复性好等优点,但作用于被设备中的冲击环境与实际水下爆炸作用有差别较大,再加上在冲击机上可试验的设备质量受限,国外对大中型设备的冲击设备大都通过浮动冲击平台进行试验。
浮动冲击平台的结构一般设计为矩形的平底驳船,两侧及艏艉是抗冲击围壁,围壁为轻型舷墙。底部、两侧及两端的抗冲击围壁采用高强度钢建造,并用肘板和筋加强。浮动平台一般由二层甲板组成,主甲板为被设备的安装面,试验设备通过基础结构固定于主甲板上。浮动冲击平台的顶部,由圆型的幕布覆盖。
在离浮动冲击平台一定距离和深度上布设装药,这样装药爆炸后使安装在浮动冲击平台上的被试设备不仅能经受水下爆炸第一阶段冲击波作用,同时还能经受第二阶段的气泡脉动作用。
美国海军为提高舰艇抗冲击能力,建设了多型浮动冲击平台,制定了舰载设备的冲击试验要求规定。美国海军研究所在1959年设计和建造了浮动冲击平台可以测试27240kg的设备,在1963年和1972年利用浮动冲击平台对核潜艇发电机组和LM2500燃气轮机进行了冲击隔离试验, 并于1973年美国又建成了当时世界上最大的浮动冲击试验平台,平台的尺度为15.3×9.3×5.5m,被试设备最大尺寸可达14×7.9×9.8m,可对重量为181吨的大型舰载设备进行抗冲击试验。并在当年就进行了8次试验,所用炸药重量达到136kg。
3 仿真计算考核实验
随着现代计算机软硬件性能的不断提高和仿真软技术的突破,为计算机虚拟冲击试验提供了广阔的空间。虚拟冲击试验根据不同的对象采用合适的建模方法和仿真方法。
目前欧美等海军强国主要采用仿真计算和试验相结合的方法对舰艇设备抗冲击进行综合研究,即通过力学建模、数学求解,将冲击计算的结果有计划地用实艇冲击试验结果进行校核,进而修改冲击标准、完善计算模型,最后得到比较接近实际的冲击设计计算方法和相关标准。仿真计算的优势在于试验速度快,成本低,不存在安全性问题,同时还解决实际试验中测点数量少等缺点。所以仿真计算一方面可以作为冲击试验的补充,另一方面也可以作为冲击试验的部分代替,在舰船设备的抗冲击试验中有着不可代替的作用。水下爆炸仿真计算程序中常用的有DYNA、DYTRAN、ABAQUS、AUTODYN和ADINA等程序。同时在这些程序镶入了专门计算水下爆炸的计算模块USA等软件以适应实际需要[9,10]。
4 实船爆炸试验
在水下爆炸试验中,舰船的冲击响应是一种复杂的非线性动态响应过程,包含很多不确定因素,再加上舰船结构十分复杂,因此仿真计算有效性的可靠性还存在很多不足。到目前为至实船爆炸试验还是一种最有效、最可靠考核方法。
美国十分重视实船爆炸试验,二战以后,美国曾在太平洋比基尼群岛对从日本俘获的大量舰船和一批老的报废舰船进行了系列的水中爆炸实验。同时,美国一直坚持首制舰进行水中爆炸验收试验,并将这一要求写入了美国法典,大至航母,小至护卫舰,在交船后都必须进行水中爆炸的例行试验,试验时所有人员都在战位上。《美国海军舰船试验总纲》对实船爆炸的试验方法、测试要点等都有明确的规定,例如炸药当量、爆炸次数、爆炸距离等是严格规定的。美国实船冲击试验一般分科研试验和考核试验,科研试验是利用退役舰艇进行极限破坏试验,为制定修改各种评估标准提供数据;科研考核试验时舰船一般处于航行状态,这种试验状态可有效对舰载设备进行的考核。美国进行实船爆炸试验是很频繁的,如美国海军水中爆炸研究部主任H·M·苏尔撰写的一篇报告中提到“在今后四年里,每年要对将近20艘的船只和潜艇进行冲击试验”。正是由于进行了大量系统、科学而又严谨的爆炸试验,使美国发展和完善了舰船抗冲击设计方法与防护技术[4,10]。
5 结语
在现代海战中,水中兵器爆炸威力越来越大,舰艇的生存环境日益恶劣,提高舰载设备的抗冲击能力是提高舰艇作战能力的重要方法,西方海军强国已有了成功经验。由于种种原因,我国在舰载设备的抗冲击研究方面开展得尚不够充分,在理论研究、试验研究、仿真研究、毁伤评估和规范标准以及抗冲击防护研究等方面与西方海军强国相比差距很大。要改变这种落后状况,目前急需开展舰载设备抗冲击考核方法研究,本文对我国开展这方面研究将提供参考作用。
参考文献
[1]库尔P.水下爆炸.北京:国防工业出版社,1960.
[2]汪玉.舰船现代冲击理论及应用.北京:科学出版社,2005.
[3]叶明范,井峰.舰艇抗冲击综合研究初探[J].2004.
[4]金辉.水下爆炸调研报告[R].91439部队论证报告.2008.