舰船现代冲击理论及应用

　　本书系统介绍水下非接触爆炸冲击环境下，舰船及设备冲击响应特性仿真分析理论与实践。全书共分10章，包括绪论、冲击输入的时域和频域表示、冲击响应特性分析、谱跌和动态设计法的主模态理论、多刚体-弹性体的子结构建模方法、抗冲击设计的有限元缩聚建模、GAP单元在非线性建模中的应用、冲击脉冲和冲击谱的数据分析方法、冲击试验机和冲击脉冲的确定、舰船水下爆炸冲击等。本书的显著特点是：在空间上，将水、船体结构、舰载设备等综合在一起，船体结构强度和设备响应计算直接放在冲击环境之中；在时间上，考虑了爆炸冲击过程和船体弹塑性变形过程的连续性；在理论方法上，综合了理论、试验和数值方法，但以数值方法为主。本书内容全面，取材新颖，注重方法，实用性强。除系统叙述舰船及设备冲击响应特性仿真的相关基本概念、基本方法外，作者还注意结合亲身实践体会介绍应用实例和国内外的有关最新研究成果。 本书可直接指导舰船及设备冲击响应特性分析和防护设计，还可作为高等院校船舶工程、轮机工程等专业以及航空航天、地震、爆炸等领域里的高年级学生和研究生的教学用书，对广大从事爆炸冲击动力学分析、研究、应用和开发的科研人员也有较大的参考价值。 前 言 现代舰船在海战中必然会面临非接触爆炸引起的冲击破坏问题。随着导弹、激光炸弹和水中兵器的发展，爆炸当量和冲击持续时间明显增加，精确制导技术使武器命中率大大提高，舰艇的冲击环境更为恶劣。在非接触爆炸冲击环境下，即使舰艇结构处在安全半径之内，舰载主要机电设备和武器电子设备也可能由于承受过大的加速度或位移而遭到破坏，从而丧失战斗力，处于被动挨打的局面。因此，开展舰艇艇体结构及设备在非接触爆炸作用下的冲击破坏机理及抗冲击性能理论和试验研究，对提高舰艇的生命力和战斗力是至关重要的，具有重大的现实意义和军事应用价值。在这个学科领域，我国目前还缺少有针对性的理论书籍。本书的出版，希望能对我国的舰艇抗冲击性能分析评估、防护设计、理论试验研究、工程应用和教学等起到推动作用。 从水下爆炸作用下舰船及设备的冲击响应的物理过程来看，是从外到里的连续过程，炸药爆炸产生冲击波、形成气泡脉动，然后传递到舰艇结构，进而作用到舰载设备。为了使读者能够从简单到复杂，更直观地理解，本书采取从里到外的描述方法：从舰载设备及支撑简化为一个单自由度系统的受基础激励的冲击问题开始。 按上述思路，本书的第1章为绪论，对冲击现象、冲击特点、抗冲击研究意义、抗冲击的研究历史以及最新发展做了全面的论述。 本书的第2章到第4章是现代冲击基本理论。从单自由度系统开始，讨论冲击信号的时域和频域分析方法，冲击问题和振动问题的区别，冲击响应谱的特性分析以及如何根据冲击响应谱的特性设计冲击隔离器，然后逐步进入到二自由度和多自由度系统。从二自由度系统的冲击问题和单自由度系统的冲击问题的区别引出谱跌的概念，以及由此产生的动态设计分析方法（DDAM法），在详细推导基于模态理论的设备抗冲击动态设计DDAM方法的基础上，还讨论了该方法的最新进展。 第5章是关于多刚体-弹性体和子结构相结合的复杂刚-柔耦合隔离系统的建模方法。冲击响应的多刚体方法是一种经典的方法。当基础是刚性时，该方法计算设备的冲击响应是足够精确的。但是，当基础被考虑为弹性体时（如较大的舰艇最低频率只有1～3Hz左右），则必须考虑谱跌的影响。因此，针对这两种情况，重点讨论了将设备和弹性基础连成一体的多刚体-弹性体和子结构相结合的复杂刚-柔耦合隔离系统的建模方法。 第6章是抗冲击设计的有限元缩聚建模方法。为了考虑基础弹性变形引起的谱跌的影响，除了上面的多刚体-弹性体和子结构相结合的复杂刚-柔耦合隔离系统的建模方法外，提出了整船全局系统建模方法：即将设备安放在船体模型上，同时考虑舰艇的基本结构模态响应，以及设备和船体之间的相互作用，建立包含主要设备在内的整船虚拟冲击模型。这种方法所建立的模型一般规模很大，初始模型存在着大量的局部模态。针对这一问题，本章讨论了几种矩阵缩减方法和相应的迭代计算格式，包括（1）基于刚度矩阵子矩阵普通逆的迭代法；（2）基于矩阵广义逆的迭代法；（3）基于子空间迭代的动力缩聚法，并探讨了主自由度的选择和局部模态的消除的精确性和完备性问题。 第7章研究了由限位引起的非线性冲击碰撞问题。为防止变型过大，舰船设备安装的隔振器通常还使用限位器。限位器在冲击过程中的响应是强非线性的，必须加以考虑。本章以舰艇典型的管道系统中的泵为例，探讨了限位器在冲击过程中的非线性特性、有限元建模方法、非线性冲击响应计算分析方法以及限位器间隙对冲击响应的影响，从而对因带有限位器而出现二次冲击的典型舰船机电设备隔冲系统的冲击响应分析进行了有益的尝试。 第8章和第9章讨论了当前最新的冲击试验技术、冲击响应数据的处理方法以及冲击试验设备。其中重点讨论了用冲击响应数据确定冲击谱的数字分析方法和测试方法，以及如何由冲击谱确定冲击输入的方法。 第10章首先讨论了流固耦合水下爆炸的各种数值模拟分析方法的最新进展，然后详细推导了高频和低频双逼i~DAA理论，包括DAA一阶近似方法和DAA2二阶近似方法。再通过湿表面流固耦合方程将水下爆炸过程和船体结构联系起来，从而形成了一个系统的舰船结构及舰载设备抗冲击理论分析体系。 最后，本书以美海军某驱逐舰为实例，详细介绍了抗冲击理论体系的实际应用，其中重点讨论了各种计算和实验之间的误差分析方法及应用。 本书所描述的现代舰船及设备冲击仿真实验理论和方法的特点可以概括为 （1）在空间上，水、船体结构、舰载设备等综合在一起，船体结构强度和设备响应计算直接放在冲击环境之中，由二维空间进入到三维空间。 （2）在时间上，爆炸冲击过程和船体弹塑性变形过程是连续的。 （3）在理论方法上，综合理论、试验、数值方法，但以数值方法为主。 本书是作者近十年来研究工作的总结，希望对舰船领域有关工程技术人员开展冲击防护研究试验工作提供有益的指导和帮助。本书所描述的基础冲击激励下的冲击理论，对航空航天、地震、爆炸等相关领域都有重要的参考价值。本书还可以作为相关专业研究生教材。 最后感谢李俊在博士后工作期间、吴广明等在攻读博士学位期间参加与本书相关内容课题所做的宝贵研究工作。感谢谌勇博士、童宗鹏博士、吴震东硕士和其他学生在本书的图片处理方面所做的工作。感谢国家自然基金（批准号10276040）和国际重大基研研究等基金的支持。感谢海军金矛副司令员为本书作序，感谢海军装备部耿广生副部长、海军装备部舰艇部杨志利部长、姜义庆副部长、姚耀中处长、张继明处长、海军装备研究院丁晓明总工程师、赵永浦所长等领导和同事们对本书写作的大力支持和帮助。 希望本书的出版对我国的舰船抗冲击研究试验工作起到推动作用。由于水平和学识所限，书中肯定有不少疏漏、欠妥与谬误之处，真诚希望读者、专家和同行不吝赐教。

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第1章 绪论
1.1 冲击和水下爆炸现象的特点
1.2 舰艇及其机电设备抗冲击试验研究进展
1.3 舰艇及其机电设备抗冲击仿真研究进展
1.3.1 水下爆炸冲击环境预报和结构冲击响应
1.3.2 舰船机电设备的冲击设计计算方法
1.4 冲击试验和虚拟冲击
1.4.1 设备冲击试验和全舰冲击试验
1.4.2 虚拟冲击及其和冲击试验的关系
1.5 舰船及设备虚拟冲击的若干关键技术问题
参考文献
第2章 冲击输人的时域和频域表示
2.1 振动冲击的基本方程
2.1.1 运动方程式
2.1.2 作用在基础上的冲击输入
2.2 对速度冲击的进一步说明
2.3 冲击信号的频域表示
2.4 典型冲击输入谱
2.5 三折线图谱的逆fourier变换
参考文献
第3章 冲击响应特性分析
3.1 典型冲击输入下的响应
3.2 冲击谱
3.3 冲击问题和振动问题的区别
3.4 冲击谱的特性分析
3.4.1 冲击隔离区(低频率)特性
3.4.2 等冲击区(高频段)特性
3.4.3 冲击放大区特性
3.5 四参数对数冲击谱
3.6 三维冲击谱
3.7 冲击谱与冲击信号fourier谱之间的关系
3.7.1 主冲击谱与冲击信号fourier谱的关系
3.7.2 残余冲击谱与冲击信号fourier谱的关系
3.8 二自由度系统的冲击谱
3.9 隔冲器的性能评价
参考文献
第4章 谱跌和动态设计法的主模态理论
4.1 谱跌及由此产生的ddam法
4.1.1 谱跌分析实例
4.1.2 ddam法中的设计谱与响应谱
4.1.3 ddam方法中的输入速度和加速度
4.2 一维主模态理论
4.2.1 主模态的正交性
4.2.2 对于基础运动的响应及模态组合法
4.2.3 作用在质点上的力
4.2.4 模态质量及振型的归一化
4.3 三维主模态理论
4.3.1 术语的定义
4.3.2 运动方程
4.3.3 振动控制方程
4.3.4 平移惯性力
4.3.5 模态质量和惯性矩
4.3.6 三维主模态理论的实例
4.4 动态设计分析方法最新进展
4.4.1 概述
4.4.2 密集模态问题和多向响应问题
4.4.3 有效应力和应力分类
4.4.4 模态选择的标准
4.4.5 许用应力
4.4.6 f参数
参考文献
第5章 多刚体一弹性体的子结构建模方法
5.1 多刚体一弹性体法建模
5.2 三维复杂刚体一弹性体耦合系统建模
5.2.1 三维复杂弹性耦合隔振系统的描述及建模思想
5.2.2 刚体子系统建模
5.2.3 弹性体子系统建模
5.2.4 刚体子系统与弹性体子系统的综合
5.2.5 弹性体子系统与弹性体子系统的综合
5.2.6 三维复杂弹性耦合隔振系统的动力学方程
5.3 从基座测试阻抗求基座物理模型
参考文献
第6章 抗冲击设计的有限元缩聚建模
6.1 基于变分原理的有限元法
6.2 矩阵缩减和局部模态消除
6.2.1 基于刚度矩阵子矩阵普通逆的迭代法
6.2.2 基于矩阵广义逆的迭代法
6.2.3 基于子空间迭代的动力缩聚法
6.2.4 主自由度的选择和局部模态的消除
6.3 应用举例
参考文献
第7章 gap单元在非线性建模中的应用
7.1 限位器刚度突变引起的接触一碰撞非线性问题
7.1.1 限位器冲击刚度的确定
7.1.2 限位器的限位有限元数学模型
7.1.3 含限位器的设备的冲击响应分析
7.1.4 结论
7.2 gap单元在多刚体静力学问题中的应用
7.3 gap单元在低温真空储罐动态应力响应中的应用
7.3.1 液压真空储罐冲击响应分析的有限元模型
7.3.2 零间隙时的动态应力响应
7.3.3 有间隙时的动态应力响应
参考文献
第8章 冲击脉冲和冲击谱的数据分析方法
8.1 由冲击谱试验数据确定冲击输入
8.1.1 正弦扫描法
8.1.2 快速正弦扫描法
8.1.3 瞬态波组合法
8.1.4 瞬时矩方法
8.1.5 随机冲击重构的karhunen loeve方法
8.2 冲击谱的测试
8.3 冲击谱的数字分析方法
8.3.1 直接积分方法和fft法
8.3.2 smallwood方法
8.3.3 ahlin方法(改进的smallwood方法)
参考文献
第9章 冲击试验机和冲击脉冲的确定
9.1 冲击实验机的分类
9.2 冲击波模拟实验机和冲击响应谱模拟试验机
9.3 强冲击试验机
9.3.1 轻型冲击机
9.3.2 中型冲击机
9.3.3 浮动冲击平台
9.3.4 海军的其他冲击试验装置
9.4 由冲击谱试验数据确定冲击脉冲的波形钳制
9.4.1 前后钳制冲击脉冲的运动学
9.4.2 跌落试验中的前后钳制
9.5 波形发生器
9.5.1 半正弦波形发生器
9.5.2 其他波形发生器
参考文献
第10章 舰船水下爆炸冲击
10.1 爆炸波特性
10.1.1 压力波特性
10.1.2 表面反射和空泡
10.1.3 冲击系数(因子)
10.1.4 波动方程
10.1.5 两种介质间的透射——正入射
10.2 流固耦合的taylor平板理论
10.2.1 应用到空气背衬的自由平板
10.2.2 fsp作用
10.2.3 基于taylor相互作用方程和nastran程序的水面船实例
10.3 mindlin和bleich方法
10.4 双逼近daa法
10.4.1 流固耦合面的压力和速度之间的关系
10.4.2 低频和高频时的流固耦合作用的近似关系
10.4.3 双逼近daa1方法
10.4.4 双逼近daa2方法
10.5 双逼近法计算冲击响应的步骤
10.6 计算响应的误差估计方法
10.7 水面舰艇水下爆炸冲击的计算实例
参考文献
附录 恒等式的证明