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原文传递浮动冲击平台冲击动力特性研究

论文题名：	浮动冲击平台冲击动力特性研究
关键词：	军用舰船;爆炸冲击;舰载设备;结构强度
摘要：	舰载设备具有较好的抗冲击能力对舰船生命力有重要作用。各海军强国为提高设备抗冲击能力，都对关键设备进行冲击试验，同时制定了相应的设备抗冲击标准。体积较小重量较轻的设备可在冲击试验机上进行，而大中型舰载设备则需在浮动冲击平台上进行试验考核。我国在大中型舰载设备的考核规范及考核设施建设上与西方海军强国还存在一定的差距，以海军建设最为发达的美国为例，在设备抗冲击考核规范上，有几经修改完善比较成熟的军标MIL-S-901D，同时有配合标准使用的轻型、中型冲击机和标准、中型、大型浮动冲击平台作为舰载设备的考核工具。相比而言，我国大中型舰载设备的考核规范可靠性及操作性不足，也没有配套的考核工具，只是在个别部门有小型浮动冲击平台和最大考核重量为36t的标准浮动冲击平台，统一性及规范性不强。本文即是在此背景下，开展浮动冲击平台的冲击动力特性研究，揭示浮动冲击平台考核设备的机理，分析浮动冲击平台的冲击环境特性，为大中型浮动冲击平台的结构设计提供指导，寻求浮动冲击平台和实船冲击环境的相似性及对应关系，为我国大中型舰载设备抗冲击考核规范及系统建设提供参考。　　本文首先从舰载设备考核比较完善成熟的德军标BV043/85和美军标MIL-S-901D出发，分析其对设备抗冲击要求及大中型舰载设备考核试验实施流程，同时归纳整理国内外浮动冲击平台硬件建设及技术研究情况，总结应用浮动冲击平台考核舰载设备研究进展，提出我国在大中型舰载设备抗冲击考核中尚需解决的科学和工程问题，从而为后续的研究工作奠定基础。浮动冲击平台作为舰载设备的考核工具，对其冲击响应进行分析时主要有冲击环境和自身结构强度两大问题。针对冲击环境问题，在对浮动冲击平台提供给设备的冲击环境进行分析时就不可避免的要使用冲击谱，因此根据现阶段研究成果，对冲击谱的原理及特性进行了深入系统研究，阐明冲击谱的基本概念和物理原理，解释对相对位移谱、相对速度谱和绝对加速度谱与伪速度谱之间的关系，分析冲击谱与 Fourier谱的对应关系。根据主从系统的耦合理论对冲击谱的谱跌现象进行解释，分析冲击谱的主要特性，服务于浮动冲击平台和实船的冲击环境研究。针对浮动冲击平台的自身结构强度问题，首先对浮动冲击平台在水下爆炸下的冲击响应进行分析。根据考核规范中工况药包的设定及冲击波的传播特性，计及冲击波的水面截断效应及平台底部的局部空化现象，给出平台在球面冲击波作用的垂向刚体运动计算方法。通过数值仿真计算及相关试验数据，验证了计算模型的合理性及仿真计算的有效性，同时得出浮动冲击平台在水下爆炸下的冲击响应主要为刚体运动，因此浮动冲击平台在保证冲击环境输出时，可增大结构的强度及刚度，保证自身的结构强度满足重复试验要求。根据浮动冲击平台冲击响应分析结果，结合美军标 MIL-S-901D及德军标BV043/85，参考美国中型浮动冲击平台结构形式，通过系统识别的方法对我国尚未投入建设的中型浮动冲击平台进行了结构设计。得到浮动冲击平台的冲击响应后，根据MIL-S-901D规范中规定的浮动冲击平台考核设备工况，对美国标准浮动冲击平台和设计的中型浮动冲击平台模型的冲击环境进行计算分析，并与德国BV043/85规范中设备考核要求的冲击环境进行对比，分析MIL与BV规范对设备抗冲击要求的异同。同时为满足弹性安装设备的频率安装要求，对美国MIL-S-901D中的甲板模拟器辅助装置进行原理解读，分析甲板模拟器和设备质量及安装频率对浮动冲击平台冲击环境的影响，提出浮动冲击平台动态试验仿真技术和浮动冲击平台试验标定方法。为深入探讨浮动冲击平台考核设备的机理，考虑了为满足弹性安装设备安装频率要求的甲板模拟器辅助结构，对浮动冲击平台及其被试设备的冲击响应进行理论及数值分析。同时基于基础激励的多自由度系统数学模型，建立可对舰载设备在水下爆炸冲击环境下响应计算的多自由度理论分析方法，研究冲击谱参数及激励力频率对不同重量不同类型舰载设备冲击响应的影响，并通过数值仿真方法验证了理论分析的合理性。为研究浮动冲击平台和实船冲击环境的相似性及对应关系，首先对尺寸和规模与浮动冲击平台较为相近的舰船舱段冲击响应及板架变形规律进行了试验研究及理论分析，将复杂船体外壳等效为Taylor平板，基于本文提出的刚体运动求解方法，探讨了刚体运动对舰船总体响应的影响。同时将舰船舱段及浮动冲击平台冲击响应及冲击环境的异同进行对比，分析两者差异。综合前面分析结果，可以看出浮动冲击平台和实船在载荷输入、自身结构形式和冲击响应上均有一定的差异，从而导致两者提供给舰载设备的冲击环境也就有所不同。根据对不同排水量的舰船在水中爆炸冲击波作用下的冲击环境特点及低通滤波效应的研究结果，结合冲击谱对设备冲击响应影响特性，从统计学角度，对不同工况下浮动冲击平台与设备连接处的冲击谱参数应用 Fisher方法与舰船不同位置的谱参数进行判别分析，建立了浮动冲击平台和实船冲击环境的对应关系。
作者：	王军
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	姚熊亮
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文