振 动 与 冲 击
第 26 卷 第 3 期 JO U R N A L O F V IB R A TIO N A N D SH O C K V ol.26 N o.3 2007
冲击载荷作用下舰艇管路系统全局参数灵敏度分析
收稿日期: 2006 - 04 - 28 修改 稿收到 日期 :2006 - 06 - 07
第一作者 陈 刚 男,博士后,1974 年 4 月生
陈 刚
1
, 汪 玉
2
, 毛 为民
3
, 李兆俊
1
, 吴广明
4
(1. 海军装备研究院博士后工作站,北京 100073; 2. 海军装备研究院舰船论证研究所,北京;
3. 海军工程大学振动噪声研究所,武汉; 4. 中国船舶重工集团公司第 701 研究所,上海)
摘 要
为了分析影响舰艇管路系统冲击位移动响应的主要因素,进而为保证管路系统冲击载荷作用下的安全性
提供措施建议,采用 Sobol’法对冲击载荷作用下一个二维的管路系统材料的弹性模量、密度,管壁厚、内径,以及支承刚度
及位置,冲击作用间隔时间等参数进行了全局灵敏度分析,得出了单个或多个参数联合对管路系统冲击位移动响应的影
响,并甄别出影响管路系统冲击动响应的关键参数。
关键词: 冲击动响应,管路系统,全局灵敏度,动力有限元法,Sobol’法
中图分类号: O 3035 文献标识码:A
战场环境条件下,舰艇不可避免地会遭到各种水
中兵器的攻击。其中非接触水下爆炸导致的强烈的冲
击载荷会使舰艇内部的机电设备、人员、武备系统等会
出现大面积的冲击破坏,特别是管路系统,极易遭到冲
击损伤,导致舰艇战斗力和生命力降低。美国海军海
上系统司令部(NAVSEA)在积累了大量的实战和实船
水下爆炸试验的数据和经验的基础上,在常见的舰艇
战斗损伤分类中将管路系统的冲击破坏涵盖其中。因
此,舰艇管路系统的冲击破坏是一个不容忽视的问题。
目前,我国舰艇管路系统的设计方法比较成熟,主
要考虑的是以下问题:管材质、设计压力和强度、空间
布置、流速、防火防污防腐、阀件设计、挠性管件设计、
支承件设计及液压强度试验和密封性试验等。其中,
挠性接管和支承件的设计在管路系统抗冲击问题中的
地位和作用逐渐得到加强。但是,舰艇管路系统抗冲
击设计仍不规范。例如,在技术设计阶段,设计单位对
于大型管路系统(如主机进排气管) 虽然会考虑使用挠
性接管及支承件,但由于没有成熟可靠的设计方法和
手段,目前挠性接管及支承件的设计主要根据经验进
行,挠性接管及支承件的物理参数的选择缺乏足够的
依据,其位置仅反映在原理图中,施工设计时根据实际
放样还会有一定的调整;而对于小型管路系统,其支撑
的形式、参数、位置和数量等则由船厂现场解决。
舰艇管路系统分布范围广泛,遍及全船。影响管
路系统冲击动响应的参数也很多,除了复杂的外部冲
击激励(具有多点、多相位、多幅值、多频段的特点)外,
还有管路支撑的位置、刚度、阻尼,以及集中质量的大
小和位置等
[1]
。在工程中,管路系统还可能包含有一
些不确定的参 数(如 不重要的支承的刚度、阻尼等)。
此外,目前我国还缺乏必要的舰艇冲击环境数据,对舰
艇管路系统的冲击载荷还缺乏规律性的认识和了解。
这些对于准确计算舰艇管路系统冲击动响应和正确评
价其抗冲击能力都造成了一定的困难。
在形成我国的舰艇管路系统抗冲击设计方法和管
路系统抗冲击能力评估手段的起步阶段,对包括挠性
接管、弹性或柔性支承件等在内的抗冲击元器件的配
置(物理参数、安装位置和数量等)对管路系统的冲击
动响应的贡献和影响的大小(即灵敏度)进行研究是必
要的。因此,本文提出了用参数灵敏度的分析方法应
用到冲击载荷作用下的管路系统中,建立了管路系统
冲击载荷作用下的理论模型并进行了参数灵敏度分
析,从而得出一个或多个参数联合对管路系统冲击动
响应的影响,并甄别出影响管路系统冲击动响应的关
键参数。
1 管路系统冲击动力学理论模型
舰艇管路系统冲击载荷作用的动力系统模型如图
1 所示。模型由输入、动力系统和输出构成。本文将讨
论的参数作为不确定参数,存在于输入和系统这两个
环节中
。
图1 动力系统模型
实际的舰艇管路系统空间分布广,形状复杂,在建
立动力学方程时,系统的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩
阵不易直接给出。本文主要目的是探讨参数灵敏度的
分析方法在冲击载荷作用下的管路系统中的应用,关
注的重点是概念和方法,为便于数学处理,因此本文首
先从简单的管路系统模型入手。考虑图 2 所示的管路
系统模型,它简化为平面内只考虑弯曲变形的梁模型,
采用动力有限元法建立该系统的冲击动力学模型。0