CN107729679A - 大型水面舰船生命力易损性评估方法及分析模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大型水面舰船生命力易损性评估方法及分析模型，所述评估方法包括：根据来袭武器的爆炸情况，确定当前来袭武器的类型；根据对应类型的来袭武器确定各类型的来袭武器的命中位置及对应的毁伤载荷类型；根据各类型的来袭武器的命中位置及毁伤载荷类型确定对应的毁伤载荷数值；根据各毁伤载荷数值，对大型水面舰船生命力易损性分析，建立不同损伤载荷对应舰船结构、主动力设备以及电子设备的损伤模型；通过舰船结构与舰船设备之间的逻辑联系，确定结构与设备之间的损伤耦合关系；根据结构与设备之间的损伤耦合关系以及不同损伤载荷对应舰船结构、主动力设备以及电子设备的损伤模型，可确定大型水面舰船生命力易损性情况，简化分析步骤。

Description

大型水面舰船生命力易损性评估方法及分析模型

技术领域

本发明涉及大型水面舰船损伤分析技术领域，特别是涉及一种大型水面舰船生命力易损性评估方法及分析模型。

背景技术

大型水面舰船生命力易损性是反应舰体结构(船壳、舱室、上层建筑等)以及重要设备或者部件易于受武器爆炸毁伤效应造成作战使用损害的可能性，即被损害的概率。毁伤等级和损害程度取决于武器战斗部类型、装药量、炸点位置以及舰船抵御武器毁伤效应所固有的防护结构强度。

大型水面舰船作为最主要海上作战力量，其在复杂海战场环境下的作战性能和生存能力历来受到各国海军装备建设的高度重视，纵观第一次世界大战以来至今发达国家海军主战舰船装备发展谱系，舰船生命力易损性的分析、评估、优化和实践始终作为主线贯穿其中。

但是由于大型水面舰船结构复杂、涉及的设备种类数量繁多，采用全舰实船生命力测试评估耗费大、技术复杂，难以具有通用性，不利于大型水面舰船射击工作的快速高效进行。

发明内容

本发明的目的是提供一种大型水面舰船生命力易损性评估方法及分析模型，可简化分析评估步骤。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种大型水面舰船生命力易损性评估方法，所述评估方法包括：

根据来袭武器的爆炸情况，确定当前来袭武器的类型；

根据对应类型的来袭武器确定各类型的来袭武器的命中位置及对应的毁伤载荷类型；

根据各类型的来袭武器的命中位置及对应的毁伤载荷类型确定对应的毁伤载荷数值；

根据各毁伤载荷数值，对大型水面舰船生命力易损性分析，分别建立不同损伤载荷对应舰船结构、主动力设备以及电子设备的损伤模型；

通过舰船结构与舰船设备之间的逻辑联系，确定结构与设备之间的损伤耦合关系；

根据所述结构与设备之间的损伤耦合关系以及不同损伤载荷对应舰船结构、主动力设备以及电子设备的损伤模型，确定大型水面舰船生命力易损性情况。

可选的，所述当前来袭武器的类型包括水雷、鱼雷、反舰导弹及航空炸弹。

可选的，根据经验公式和/或数值仿真实验确定所述伤载荷数值。

可选的，所述建立不同损伤载荷对应舰船结构、主动力设备以及电子设备的损伤模型具体包括：舰船结构的局部易损性模型和总体易损性模型，主动力设备的冲击易损性模型和破损易损性模型，电子设备的冲击易损性模型、破损易损性模型及电磁脉冲易损性模型。

可选的，所述舰船结构与舰船设备之间的逻辑联系包括：

主动力设备内部逻辑关系、电子设备内部逻辑关系、电子设备-主动力设备逻辑关系、主动力设备-电子设备-结构逻辑关系。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种大型水面舰船生命力易损性分析模型，所述分析模型包括：

类型确定单元，用于根据来袭武器的爆炸情况，确定当前来袭武器的类型；

损伤确定单元，用于根据对应类型的来袭武器确定各类型的来袭武器的命中位置及对应的毁伤载荷类型；

数值确定单元，用于根据各类型的来袭武器的命中位置及对应的毁伤载荷类型确定对应的毁伤载荷数值；

建模单元，用于根据各毁伤载荷数值，对大型水面舰船生命力易损性分析，分别建立不同损伤载荷对应舰船结构、主动力设备以及电子设备的损伤模型；

关系确定单元，用于通过舰船结构与舰船设备之间的逻辑联系，确定结构与设备之间的损伤耦合关系；

分析单元，用于根据所述结构与设备之间的损伤耦合关系以及不同损伤载荷对应舰船结构、主动力设备以及电子设备的损伤模型，确定大型水面舰船生命力易损性情况。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过确定当前来袭武器的类型以及各类型的来袭武器的命中位置及对应的毁伤载荷类型，确定对应的毁伤载荷数值；进而对大型水面舰船生命力易损性分析，建立损伤模型，通过结构与设备之间的损伤耦合关系，可准确确定大型水面舰船生命力易损性情况，简化分析步骤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例大型水面舰船生命力易损性评估方法的流程图；

图2为本发明实施例大型水面舰船生命力易损性评估方法的具体实施例；

图3是舰船结构生命力易损性模型分析结构图；

图4是舰船主动力设备生命力易损性模型分析结构图；

图5是舰船电子设备生命力易损性模型分析结构图；

图6是舰船结构-设备逻辑联系示意图；

图7是本发明实施例大型水面舰船生命力易损性分析模型的模块结构示意图。

符号说明：

类型确定单元—1，损伤确定单元—2，数值确定单元—3，建模单元—4，关系确定单元—5，分析单元—6。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种大型水面舰船生命力易损性评估方法，通过确定当前来袭武器的类型以及各类型的来袭武器的命中位置及对应的毁伤载荷类型，确定对应的毁伤载荷数值；进而对大型水面舰船生命力易损性分析，建立损伤模型，通过结构与设备之间的损伤耦合关系，可准确确定大型水面舰船生命力易损性情况，简化分析步骤。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，本发明大型水面舰船生命力易损性评估方法包括：

步骤100：根据来袭武器的爆炸情况，确定当前来袭武器的类型；

步骤200：根据对应类型的来袭武器确定各类型的来袭武器的命中位置及对应的毁伤载荷类型；

步骤300：根据各类型的来袭武器的命中位置及对应的毁伤载荷类型确定对应的毁伤载荷数值；

步骤400：根据各毁伤载荷数值，对大型水面舰船生命力易损性分析，分别建立不同损伤载荷对应舰船结构、主动力设备以及电子设备的损伤模型；

步骤500：通过舰船结构与舰船设备之间的逻辑联系，确定结构与设备之间的损伤耦合关系；

步骤600：根据所述结构与设备之间的损伤耦合关系以及不同损伤载荷对应舰船结构、主动力设备以及电子设备的损伤模型，确定大型水面舰船生命力易损性情况。

所述当前来袭武器的类型包括水雷、鱼雷、反舰导弹及航空炸弹。其中，水雷对舰船产生的破坏作用主要是水下爆炸(不同距离和不同当量)对舰船产生的毁伤作用，按照是否接触船体可以划分为接触水下爆炸和非接触水下爆炸，非接触水下爆炸划分为远场、近场两种类型。鱼雷除了能对舰船产生与水雷相似的非侵彻破坏作用外，还包含鱼雷聚能战斗部的侵彻作用。反舰导弹通常为掠海飞行，其对舰船的作用主要划分为3类，第一类为未接触船体的空中爆炸作用，主要对舰船主船体(包括上层建筑)产生破坏；第二类为接触船体的空中爆炸作用，第三类为高速穿甲后的舱内爆炸作用。航空炸弹的破坏与反舰导弹类似。

毁伤载荷为不同类型的当前来袭武器在命中舰船的具体命中位置后，产生的水下爆炸、空中爆炸、侵彻穿甲效应对舰船船体结构、设备产生的连锁链式毁伤效应。即，所述毁伤载荷类型包括水下爆炸、空中爆炸和侵彻穿甲毁伤载荷。可根据经验公式和/或数值仿真实验确定所述伤载荷数值。

所述建立不同损伤载荷对应舰船结构、主动力设备以及电子设备的损伤模型为分别建立舰船结构损伤模型、舰船主动力设备损伤模型以及舰船电子设备损伤模型。

其中，所述舰船结构损伤模型是指在不同程度水下爆炸、空中爆炸和侵彻穿甲毁伤载荷作用下船体结构损伤分析评估模型；所述舰船主动力设备损伤模型是指在不同程度水下爆炸、空中爆炸和侵彻穿甲毁伤载荷作用下舰船主要动力装置的损伤分析评估模型；所述舰船电子设备损伤模型是指在不同程度水下爆炸、空中爆炸和侵彻穿甲毁伤载荷作用下舰船主要电子设备的损伤分析评估模型。

由于舰船受到的威胁载荷类型和程度不同，因此对舰船船体结构产生破坏差异很大，从局部和整体破坏的角度划分为局部损伤和总体损伤。所述舰船结构损伤模型包括舰船结构的局部易损性模型和总体易损性模型(如图3所示)。

针对局部损伤：

(1)水雷接触水下爆炸产生的船体结构局部损伤包括破口、塑性大变形和高速破片侵彻；水雷近场非接触爆炸产生的船体结构局部损伤主要包括破口和塑性大变形；水雷远场非接触爆炸产生的船体结构局部损伤主要包括为塑性大变形。水雷接触水下爆炸产生的结构局部破口半径可通过Keil经验公式或吉田隆经验公式计算得到，塑性大变形(残余变形)可通过能量法进行计算，高速破片速度和分布可通过Grey公式等计算得到。水雷近场非接触爆炸产生的结构局部破口半径和塑性大变形可通过能量法计算得到，远场非接触爆炸产生的结构局部塑性大变形亦可通过能量法计算得到。

(2)鱼雷对舰船船体结构产生的非侵彻破坏作用与水雷计算方法类似，但是需另外考虑鱼雷聚能战斗部的侵彻作用。由于聚能战斗部的水下侵彻机理极为复杂，可通过数值仿真模拟得到其破坏作用，或者首先通过部分已有实验数据外推得到聚能射流在水中的衰减速度后，采用侵彻流体力学的Szendrei模型进行计算损伤程度。

(3)反舰导弹非接触空爆作用对舰船主船体(包括上层建筑)结构局部损伤包括空爆破口、塑性大变形和高速破片侵彻作用，空中塑性大变形和爆炸破口计算可采用吴有生或Rajendran等人提出的近似半经验公式进行计算得到，高速破片侵彻的速度和分布可根据实际装药类型和形状，参考相应的终点效应专著。反舰导弹接触空爆作用对舰船主船体(包括上层建筑)结构局部损伤与非接触爆炸类似，但是计算方法有所不同，考虑到加筋的作用影响可采用等效板厚，可依据朱锡等人提出的方法进行计算得到接触破口尺寸。

(4)反舰导弹最为重要的毁伤方式为侵彻船体外板后的舱内爆炸。首先必须对其引起的局部损伤进行评估分析。其具体分为3个连续过程，第一，反舰导弹整体侵彻引起的局部损伤、舱内爆炸冲击引起的局部损伤和战斗部高速破片引起的局部损伤。反舰导弹整体侵彻引起的局部损伤包括正穿和斜穿甲产生的破口，可采用Landkof模型进行计算得到；斜穿甲可采用Zaid-Paul模型进行计算得到；舱内爆炸冲击波引起的舰船局部破口和塑性大变形分析评估可基于准静态压力和等效冲量方法。第二，然后采用能量法进行计算得到。第三，战斗部高速破片速度和分布可运用Mott模型计算分析。

(5)现代航空炸弹的毁伤方式分析与反舰导弹一致。

针对总体损伤：

水雷、鱼雷、航空炸弹和反舰导弹破坏均可引起舰船总体损伤。水雷或者鱼雷对舰船的总体损伤作用一方面主要是非接触远场或者近场爆炸条件水下爆炸气泡脉动引起的鞭状动力响应效应导致的总纵强度丧失，另一方面主要是接触爆炸导致的破损舰船在极限海况下的总纵剩余强度问题不足。反舰导弹引起的舱内爆炸总体损伤是与局部损伤耦合在一起的，由于单个或多个舱室破坏严重会使舰船的总纵强度损失较为严重。因此，总体损伤评估方面可按上述3个方面进行。具体地：

(1)非接触远场爆炸或者近场爆炸条件下水下爆炸气泡脉动引起的鞭状动力响应效应，判断损伤是否满足：M₀+M_s+M_w≥M_u，M₀为船体的静水弯矩，M_s为船体的波浪弯矩，M_w鞭状动力响应产生的附加弯矩，M_u为船体极限弯矩，可采用Wang等人提出的水弹-塑性动力学模型进行分析。

(2)接触爆炸导致的破损舰船在极限海况下的总纵剩余强度损伤评估，首先在舰船结构的局部易损性模型分析基础上得到接触爆炸破口尺寸和舱室数量，在确定破口尺寸的基础上，采用Smith方法得到破损截面极限强度，可采用法国船级社MARS2000程序进行计算。

(3)反舰导弹引起的舱内爆炸总体损伤基于前述得到局部损伤耦合破坏面积S₀，按照A₀≥S_u准则确定破坏舱室区域，如果A₀限定在单个舱室内，则按破口面积A₀计算极限强度，如A₀横跨多个舱室，则以[A₀/(AC₁+AC₂+…AC_N)]+1来确定破损舱室数，AC₁…AC_N为响应舱室破损面积,然后采用Smith方法得到破损截面极限强度，同样可采用法国船级社MARS2000程序进行计算。

如图4所示，舰船主动力设备生命力易损性主要划分为2个方面，第一是远场或者近场爆炸引起的高冲击加速度对设备基座和设备损坏(冲击易损性)，第二是爆炸冲击波或者破片的直接损伤(破损易损性)。即主动力设备的损伤模型包括主动力设备的冲击易损性模型和破损易损性模型。

(1)远场或者近场爆炸引起的高冲击加速度对设备基座和设备损坏,通过基于德国海军的抗冲击规范BV-043/85或者GJB-1060.1(舰船环境条件要求-机械环境)规定的冲击环境作为设计横准，刚性和柔性安装机舱中的设备在给定爆炸参数下的冲击环境(加速度谱值)通过吴用舒公式估算或者有限元分析进行计算得到，如超过BV-043/85或者GJB-1060.1规定要求，即认为该设备失效，然后采用多层次模糊综合评判方法进行易损性评估。

(2)爆炸冲击波或者破片对舰船主动力装置造成的直接损伤按照3种命中方式(左舷/右舷水下直接命中、空中直接命中)，基于舰船结构损伤模型得到实际攻击武器的破坏半径R⁰，然后按照网格积分方法得到易损性概率。

如图5所示，舰船电子设备生命力易损性主要划分为3个方面，除冲击易损性和破损易损性之外，还有遭受电磁脉冲时的易损性，冲击易损性和破损易损性的计算方法与舰船主动力设备生命力易损性的一致，电磁易损性则需要另外予以考虑。即，电子设备的损伤模型包括电子设备的冲击易损性模型、破损易损性模型及电磁脉冲易损性模型。

电磁脉冲以设定方向、脉冲波束角和强度对舰船目标进行设定面积的覆盖，从而达到毁伤效果。通过将电磁脉冲损伤划分为干扰级、轻度、中度、重度和完全破坏5个等级，确立每个等级的相应损伤阀值。舰艇受到电磁脉冲的评估可采用投射面积模型：lnU＝(kP_a/P_b)ln(S_i/S)。U为遭受电磁脉冲打击后的损伤概率；k为电磁屏蔽系数；P_a为电磁脉冲武器作用在舰船上的功率密度；P_a为不同损伤等级的功率密度阀值；S_i为电磁脉冲作用面积；S为舰船水线面以上面积。

在武器对舰船的毁伤过程中，舰船结构、设备并不是相互孤立的过程，整个损伤过程伴随着结构-设备之间的相互耦合作用，因此需要对结构-设备的逻辑联系进行分析。在分析内部与相互的逻辑联系时具体划分，舰船结构与舰船设备之间的逻辑联系包括：主动力设备内部逻辑关系、电子设备内部逻辑关系、电子设备-主动力设备逻辑关系、主动力设备-电子设备-结构逻辑关系。

主动力设备内部逻辑关系：将舰船主动力装置按照主机(燃气轮机、柴油机等)、传动设备(齿轮箱、离合器等),轴系(传动轴等)、隔振装置、管路等进行分类，根据舰船主动力设备布置图，标明主动力分类设备的位置，将整个主动力设备视为一个串并联系统，将其易损性为：

其中，D′为整个主动力设备损坏，A₁′，A₂′…A_N′为独立组的损坏，A_1,1′，A_1,2′…A_N′分别为独立组中各个部件的损坏，A_1,1′，A_1,2′…A_N，N′之间的关系为并联或者串联。各个部件可为主机、齿轮箱、传动轴、管路装置等。

电子设备内部逻辑关系：由于电子设备除冲击损伤、破损损伤外还包括电磁脉冲损伤。针对冲击损伤和破损损伤，其内部逻辑关系分析与主动力设备内部逻辑关系一致；针对电磁脉冲损伤，同样基于可靠性理论，考虑采用故障树进行分析。

电子设备-主动力设备逻辑关系：电子设备一般安装在上层建筑内，而主动力设备一般安装于机舱内，两者之间耦合关系不紧密。一般主动力设备的损伤不会引起电子设备的损伤，反之亦然，可以认为两者之间是并联关系。

主动力设备-电子设备-结构逻辑关系：主动力设备、电子设备安装于船体结构上，武器毁伤能量一次命中通过船体结构传递给主动力设备和电子设备，当主动力设备发生损伤时，由于丧失动力推进能力和电子探索能力，被二次命中的可能性加大，当船体结构二次命中时，又进一步加重了主动力设备和电子设备的损伤程度，因此是一个反复循环迭代耦合的过程。具体分析时，如图6所示，首先针对巡航工况下的一次命中损伤进行分析，得到剩余整船生命力,然后以此状态下的船体结构、主动力设备和电子设备受损后状态作为基点，按步骤100至步骤600重新计算二次打击下的易损性特征，如此反复迭代直至整个舰船生命力完全丧失。

本发明方法简单，使用方便，可通过简单经验公式或者数值模拟得到毁伤载荷值，之后通过毁伤传递链条和船体结构-设备之间的耦合关系分析评估整个大型水面舰船的生命力易损性特征，避免了直接进行全舰生命力易损性分析评估或者全舰实船生命力测试评估，显著降低了计算量和分析难度。本发明适用范围广，实施过程简单。

本发明还提供一种大型水面舰船生命力易损性分析模型。如图7所示，本发明大型水面舰船生命力易损性分析模型包括类型确定单元1、损伤确定单元2、数值确定单元3、建模单元4、关系确定单元5及分析单元6。

其中，所述类型确定单元1用于根据来袭武器的爆炸情况，确定当前来袭武器的类型；

所述损伤确定单元2用于根据对应类型的来袭武器确定各类型的来袭武器的命中位置及对应的毁伤载荷类型；

所述数值确定单元3用于根据各类型的来袭武器的命中位置及对应的毁伤载荷类型确定对应的毁伤载荷数值；

所述建模单元4用于根据各毁伤载荷数值，对大型水面舰船生命力易损性分析，分别建立不同损伤载荷对应舰船结构、主动力设备以及电子设备的损伤模型；

所述关系确定单元5用于通过舰船结构与舰船设备之间的逻辑联系，确定结构与设备之间的损伤耦合关系；

所述分析单元6用于根据所述结构与设备之间的损伤耦合关系以及不同损伤载荷对应舰船结构、主动力设备以及电子设备的损伤模型，确定大型水面舰船生命力易损性情况。

相对于现有技术，本发明大型水面舰船生命力易损性分析模型与上述大型水面舰船生命力易损性评估方法的有益效果相同，在此不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种大型水面舰船生命力易损性评估方法，其特征在于，所述评估方法包括：

根据来袭武器的爆炸情况，确定当前来袭武器的类型；

根据对应类型的来袭武器确定各类型的来袭武器的命中位置及对应的毁伤载荷类型；

根据各类型的来袭武器的命中位置及对应的毁伤载荷类型确定对应的毁伤载荷数值；

根据各毁伤载荷数值，对大型水面舰船生命力易损性分析，分别建立不同损伤载荷对应舰船结构、主动力设备以及电子设备的损伤模型；

通过舰船结构与舰船设备之间的逻辑联系，确定结构与设备之间的损伤耦合关系；

根据所述结构与设备之间的损伤耦合关系以及不同损伤载荷对应舰船结构、主动力设备以及电子设备的损伤模型，确定大型水面舰船生命力易损性情况。

2.根据权利要求1所述的大型水面舰船生命力易损性评估方法，其特征在于，所述当前来袭武器的类型包括水雷、鱼雷、反舰导弹及航空炸弹。

3.根据权利要求1所述的大型水面舰船生命力易损性评估方法，其特征在于，根据经验公式和/或数值仿真实验确定所述伤载荷数值。

4.根据权利要求1所述的大型水面舰船生命力易损性评估方法，其特征在于，所述建立不同损伤载荷对应舰船结构、主动力设备以及电子设备的损伤模型具体包括：舰船结构的局部易损性模型和总体易损性模型，主动力设备的冲击易损性模型和破损易损性模型，电子设备的冲击易损性模型、破损易损性模型及电磁脉冲易损性模型。

5.根据权利要求1所述的大型水面舰船生命力易损性评估方法，其特征在于，所述舰船结构与舰船设备之间的逻辑联系包括：

主动力设备内部逻辑关系、电子设备内部逻辑关系、电子设备-主动力设备逻辑关系、主动力设备-电子设备-结构逻辑关系。

6.一种大型水面舰船生命力易损性分析模型，其特征在于，所述分析模型包括：

类型确定单元，用于根据来袭武器的爆炸情况，确定当前来袭武器的类型；

损伤确定单元，用于根据对应类型的来袭武器确定各类型的来袭武器的命中位置及对应的毁伤载荷类型；

数值确定单元，用于根据各类型的来袭武器的命中位置及对应的毁伤载荷类型确定对应的毁伤载荷数值；

建模单元，用于根据各毁伤载荷数值，对大型水面舰船生命力易损性分析，分别建立不同损伤载荷对应舰船结构、主动力设备以及电子设备的损伤模型；

关系确定单元，用于通过舰船结构与舰船设备之间的逻辑联系，确定结构与设备之间的损伤耦合关系；

分析单元，用于根据所述结构与设备之间的损伤耦合关系以及不同损伤载荷对应舰船结构、主动力设备以及电子设备的损伤模型，确定大型水面舰船生命力易损性情况。