舰船设备抗冲击能力的可靠性分析

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［８－９］，下文中利用应主要于中频段的等谱速度Ｖｓ敏感［８］
性能评估的基础，从目前文献中可知，舰船系统抗冲击性能评估基本未考虑设备抗冲击能力的随机性，设备毁伤概率一般采用两种分析方法，一是将设备抗冲击能力值作为确定量，将冲击环境作为随机量，采用０－１准则判断设备状态，利用ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法将设备毁伤频率作为毁伤概率；二是考虑设备毁伤的模糊性，将设备处于完好和毁坏两种极端状态的上下边界阈值人为模糊化后，以隶属度来描述设备完好或毁坏的概率。然而第一种方法无法估计特定工况下舰船设备系统毁伤的可能性，而后一种方法对设备抗冲击能力值的上下边界阈值机隶属函数形式过于主观，给评估结果带来很大任意性。由于材料、工艺、保管条件、使用环境等内部因素的差异性，将会导致设备破坏响应阈值在一定范围内随机波动，因此设备抗冲击能力值Ｖｄ具有随机性。我
［５－６］
对典型动力设备，如柴油机、齿轮箱，采用数值
基金项目：中国博士后科学基金（２０１００４８１４９４）收稿日期：２０１１－１０－０８修改稿收到日期：２０１１－１２－３０第一作者冯麟涵女，博士后，１９８２年１月生
（ＮａｖａｌＡｃａｄｅｍｙｏｆＡｒｍａｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１６１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｈｏｃｋｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｍａｒｉｎｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｓｈｏｕｌｄｂｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｄｕｒｉｎｇｄｅｓｉｇｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｐｈａｓｅｓｏｆｓｈｉｐｓｙｓｔｅｍｓ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｖａｒｉｏｕｓｓｔｏｃｈａｓｔｉｃｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｓｈｏｃｋｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ｔｈｅｉｒｓｈｏｃｋｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｂｉｌｉｔｙｉｓｏｆｒａｎｄｏｍｎｅｓｓ．Ｈｅｒｅ，ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｔｏｏｂｔａｉｎｓｈｏｃｋｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｂｉｌｉｔｙｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｂａｓｅｄｏｎｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅｓｈｏｃｋｒｅｓｐｏｎｓｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｗｉｔｈａｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋａｌｇｏｒｉｔｈｍ．，ｔｈｅｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｉｔｓｓｈｏｃｋｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｂｉｌｉｔｙｗｅｒｅＴａｋｉｎｇａｔｙｐｉｃａｌｍａｒｉｎｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｓａｓｔｕｄｙｉｎｇｏｂｊｅｃｔａｎａｌｙｚｅｄｕｔｉｌｉｚｉｎｇＭｏｎｔｅＣａｒｌｏＭｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｃｏｕｌｄｂｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｓｈｉｐｓｙｓｔｅｍｓｈｏｃｋｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｄｅｓｉｇｎａｎｄａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｐｂｏａｒｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｓｈｏｃｋｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｂｉｌｉｔｙ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ舰船设备的抗冲击能力是整个舰船抗冲击性能的重要组成要素，特别是一些关键设备的抗冲击能力更是决定了舰船在战斗中的生存能力。目前国内主要采用冲击试验或动力学分析方法对舰船设备抗冲击设计进行校核，分析设备能否抵抗标准规范中所约定的冲击载荷，但是对设备抗冲击最大承受能力，即设备抗冲击极限载荷研究不多，而在国外这一值作为设备性能技术指标在出厂时即给出。这种现状也导致了国内开展舰船系统抗冲击安全性评估时缺乏基本的输入数据
（ｋ） — — ｇ（ｘ，Ｖ）＝ＸＸ（ｘ，Ｖ）＝０ｓｋ－ｋｓ
，设备各失效模式的极限状态方程为：（ｋ）ｇ（Ｖ）＝ＸＸ（Ｖ）＝０（ｋ＝１，２，…，ｍ）（１）ｄｋ－ｋｓ
ＸＸ（Ｖ）分别为考核部件冲击阈值和冲击响应式中：ｋ，ｋｓ
１２］离等，一般几何尺寸的分布特征符合正态分布［，而设
备中光滑配合表面，如轴径、孔径等，由于其公差较小，基本作为常量处理。２２考虑随机因素的舰船设备抗冲击能力极限状态函数根据定义，设备抗冲击能力所对应的响应状态，为冲击响应（应力、变形、配合情况等）达到最大允许值。考虑各种随机因素对设备抗冲击能力的影响，即设备失效模式的极限状态方程可由式（１）修正为：
。现在普遍做法是由工程设计人员或研究人员引
［２－４］
入一定假定，将相关标准的冲击环境考核值作为设备自身的抗冲击能力值，但这种假设直接影响到评估结果的准确性，一定程度上也制约了我国舰船抗冲击性能设计的发展。随着人们对设备抗冲击能力值重要性的认识，国内目前也已开展了相关工作，计晨等
振动与冲击第３２卷第１期ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＶＩＢＲＡＴＩＯＮＡＮＤＳＨＯＣＫＶｏｌ．３２Ｎｏ．１２０１３

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舰船设备抗冲击能力的可靠性分析
ＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｓｈｏｃｋｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｈｉｐｂｏａｒｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓＦＥＮＧＬｉｎｈａｎ，ＷＡＮＧＹｕ，ＺＨＡＮＧＬｅｉ
（ｋ）域Ｄｆ为：（ｋ）Ｄｆ＝ＵＤｆｋ＝１ｍｋ —
（ｋ＝１，２，…，ｍ）
（４）
式中：Ｘ，Ｘ（ｘ，Ｖ）分别为设备考核部件冲击响应的最大ｋｓ
（ｋ）允许量值以及冲击响应量，失效域则以Ｄ＝ｆ（ｋ） — — ｛ｇ（ｘ，Ｖ）｝，（ｋ＝１，２，…，ｍ）表示，其中ｘ＝ ≤０ｓ
［１］
手段对其抗冲击能力进行了定量分析。而早在上世纪美国海军在实船试验时发现，除了冲击作用外，设备制造与安装工艺，以及材料特性的变
７］化等方面，都会对设备冲击响应起着显著的影响［，上
述这些因素是具有一定随机性，设备自身的抗冲击能力也伴有明显的随机特性，因此国外标准中设备冲击失效判据的制定考虑了这种随机性。但如何定量考虑这种影响资料并不多，也造成人们对设备抗冲击能力的随机性重视不够，将设备抗冲击能力值作为确定量或利用模糊数学的隶属函数人为模糊化，使评估结果带有很大主观性。因此，分析舰船设备抗冲击能力以及可能的分布形式具有重要的工程意义。因此，本文讨论了舰用设备抗冲击能力可靠性定义，考虑影响设备冲击响应的各种随机因素，采用数值计算与基于改进神经网络的设备冲击响应预报模型相ｏｎｔＣａｒｌｏ法，结合的方法，降低数值计算开支，并结合Ｍ统计分析设备抗冲击能力分布特性。基于该方法，本文选取典型舰用增压锅炉为研究对象，分析了其刚性安装和弹性安装情况下的抗冲击能力分布。
值，可包括应力、应变、位移、速度、加速度等。考核部件一般选取设备抗冲击薄弱环节，可通过经验及数值试验确
（ｋ）（ｋ）定。各模式的失效域表示为Ｄ｛ｇ（Ｖ）｝（ｋ＝ ≤０ｆ＝ｓ１，２，…，ｍ），其中Ｖｓ为设备承受的冲击载荷。
考虑到设备本身构件出现冗余情况较少，将设备失效模式视为串联关系，则设备失效域Ｄｆ与每个模式失效
［１１］［１０］
力可靠性指为设备具备某个抗冲击能力的概率。２１影响舰船设备抗冲击能力的随机因素分析影响舰用设备冲击响应的因素中，主要考虑设备材料性能和几何尺寸的随机性。舰船设备大多采用金属材料制备，其机械性能指标必然具有分散性；几何尺寸指的是部件几何特征和装配时接触面之间的距
第１期冯麟涵等：舰船设备抗冲击能力的可靠性分析
１４１
１舰船设备抗冲击能力
１１设备抗冲击能力定义设备抗冲击能力指的是设备自身能够承受外部冲击载荷的能力，也是设备本身的固有特性。通过前期研究，可将设备抗冲击能力定义为在冲击作用过程中和结束后，舰用设备功能具有一定的可用性，其冲击响应（应力、变形、配合情况等）达到最大允许值所对应的虚拟理论载荷。设备抗冲击能力不仅与其自身的动力学特性有关，还与理论载荷形式有关，目前普遍将设计冲击谱作为设备冲击载荷的标准描述方式。故本文中设备抗Ｄ，Ｖ，Ａ）来描述。舰船设冲击能力采用设计冲击谱（ｓｓｓ备的安装频率大多在十几Ｈｚ到几十Ｈｚ之间，设备响
冯麟涵，汪玉，张磊
（海军装备研究院，北京１００１６１）
摘要：在进行舰船设备系统抗冲击设计及优化分析中，必须要确定舰船设备的抗冲击能力值，而影响设备冲击响
应的多种随机因素使设备抗冲击能力具有随机性。提出了考虑各种随机因素影响的设备抗冲击能力可靠性的定义和分析方法，结合神经网络建立了设备冲击响应预测模型，在数值冲击试验基础上，结合ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法分析了典型舰船设备抗冲击能力的统计特征。分析方法和结果可为今后舰船设备及系统的抗冲击性能分析、舰船系统抗冲击性能评估提供参考。关键词：舰船设备；抗冲击能力；可靠性中图分类号：Ｕ６６４．１文献标识码：Ａ
１１］们根据结构可靠性的经典定义［，定义设备抗冲击能
冲击谱速度Ｖ左右频率ｓ定量描述设备抗冲击能力值，可参照德军标确定。１２设备抗冲击能力值的确定舰船设备结构复杂、非线性元素多，在冲击作用下具有多损伤模式且非线性程度高。由于设备在冲击作用下的失效模式是突发失效，故失效机制采用首次超越失效机制。根据定义，设备抗冲击能力所对应的响应状态，即为冲击响应（应力、变形、配合情况等）达到最大允许值。借鉴可靠性理论中的应力－强度干涉模型