CN116186881A - 一种基于实战化的舰船防护效能评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于军用舰船防护效能评估领域，并具体公开了一种基于实战化的舰船防护效能评估方法。包括：将舰船的防护效能评估划分成为舰船结构防护、防火防护和防护损管三个系统分别进行评估；并设定完整舰船的防护效能为100％，结合三个系统的具体组分，评估实战条件下三部分受损舰船防护效能的剩余量，以比例的形式，定量评估舰船防护效能。同时考虑到实战条件反映时间短的特点，建立数据库，将实战受损原因和数据库对比，快速做出决策。本发明拓展了舰船防护效能的范围，考虑了绝大部分在实战条件下会影响舰船生存能力的因素，同时提高了实战条件下的反映速度，可处理多类舰船在多种损伤下的防护效能评估问题，适用范围较广。

Description

一种基于实战化的舰船防护效能评估方法
技术领域
本发明属于军用舰船防护效能评估领域，具体涉及一种基于实战化的舰船防护效能评估方法。
背景技术
军用舰船在实战背景下面对来自空中，水上以及水下的多重威胁，各类制式武器口径多样，杀伤原理也各不相同。舰炮炮弹多依靠弹片杀伤舰员，数量多速度快难以防御；携带半穿甲战斗部的反舰导弹不仅产生大量弹片，剧烈的爆炸会严重损坏船体结构以及各类设备，造成的次生灾害如火灾可能造成更严重的损伤，达到使被命中舱室完全丧失战斗力的效果，严重的情况下甚至造成浮力和总纵强度大量损失，造成舰船进水倾斜或沉没；鱼雷水雷等武器攻击舰船水线以下的船体，在冲击波和气泡脉动载荷的联合作用下，使舰船做“鞭状运动”严重降低船体总纵强度，极易造成船体断裂从而导致沉没。随着各类反舰武器的快速发展，现代舰船对防护效能的要求越来越高，在实战条件下舰船受损是大概率事件，如何快速根据舰船的“伤情”重新评估舰船的防护效能，对舰船损管提供指导性建议，以及对舰船的作战行动提供参考是舰船防护效能评估的重要课题。
军用舰船防护包括多项内容，舰船浮力体防护，局部舱室防护，防火系统，损管以及浮态和装载对防护效能的影响。军用舰船多使用纵骨架式构型，由龙骨、纵骨、纵舱壁以及甲板等纵向强力构件组成舰船纵向结构。在纵向结构的基础上，沿横向布置肋骨、横梁以及横舱壁，构成型材纵横交错的纵骨架式构型。在纵骨架式构型外焊接外板是军用舰船浮力体的最终构型。舰船防护首先是对舰船浮力体的防护，保护舰船不断裂或者沉没，这就要求舰船浮力体保持足够的总纵强度以及浮力。舰船总纵强度主要取决于舰船纵骨架式框架的剩余强度，舰船浮力取决于舰船浮态、舱室进水情况。因此在实战条件下，评估受损浮力体的防护效能在于评估纵骨架式构型型材的失效情况以及舱室进水情况。军用舰船搭载的作战系统布置在特定的舱室中，如垂发系统，舰炮系统，机库等有相对独立的防护舱壁，这些舱壁是舰船局部防护的重点，保护局部舱室的同时与纵骨架式构型结合增强总体防护效能。在实战条件下，这些舱壁失效会导致局部系统的防护效能大幅下降，对相邻的局部系统产生风险。损管包括损管器具和人员，是舰船防护的有生力量。损管系统的器具分布在舰船各舱室，损管人员相对集中于特定舱室。舰船浮态和武器装载也会影响舰船防护效能，舰船浮态会极大影响总纵强度和浮力分布从而影响防护效能，武器装载和分布则影响局部防护的需求从而影响整体防护效能。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于实战化的舰船防护效能评估方法，可以较好地处理实战环境下舰船防护效能评估的问题。
实现本发明通过以下技术方案实现，一种基于实战化的舰船防护效能评估方法的方法，包含以下步骤：
一种基于实战化的舰船防护效能评估方法，包括以下步骤：
S1将舰船的防护效能评估划分成为舰船结构防护、防火防护和防护损管三个系统，将完整舰船的防护效能定为100％，通过评估受损舰船的各系统的防护剩余量来定量评估舰船防护效能；
S2构建所述舰船的结构模型，防火布置模型，损管布置模型，然后根据初始的舰船浮态和武器装载工况以及反舰武器的数量，型号和命中位置，依次模拟求解结构防护剩余，防火防护剩余，防护损管剩余；
S3根据所述舰船的防护技术的模拟结论，设置各类典型工况进行模拟计算，将模拟结汇总成数据库，在实战条件下将舰船实际受损与数据库模型对比，快速做出决策。
进一步的，步骤S1中，采用定量的方法评估舰船防护效能各系统的剩余量，其具体包括以下步骤：
S11在防护结构效能评估中，以完整舰船的极限强度和局部极限强度为100％，模拟计算得受损舰船的极限强度和局部强度占完整强度的比例定量表述了防护结构剩余的防护效能；
S12在防火防护效能评估中，以完整舰船的防火覆盖层面积、防护等级和防火门等总量为100％，模拟计算得受损舰船剩余的防火覆盖层面积、防护等级和防火门等总量占完整防火系统的比例定量描述了防火防护剩余的防护效能；
S13在防护损管效能评估中，以完整舰船的损管器具、人员和行动能力为100％，模拟计算得受损舰船剩余损管器具、人员和行动能力占完整系统的比例定量描述防护损管剩余的防护效能。
步骤S2中，采用有限元方法计算舰船结构损伤得到受损舰船结构模型，在该模型基础上结合防火覆盖层的布置得到防火效能计算模型；结合损管系统模型，得到受损损管系统模型和人员行动力计算模型。步骤S2具体包括以下步骤：
S21采用有限元方法计算舰艇结构模型受损，以反舰武器等效的TNT或者破片作为激励，设置边界条件和失效条件，结合舰载武器的防护需求量判断第一阶段受损是否引起武器殉爆，结合武器殉爆作为激励，使用有限元方法模拟计算舰船结构模型的受损情况；
S22首先判断防火覆盖层被削弱的情况，然后利用受损舰船结构模型结合防火系统布置，以火灾和烟气为激励，使用模拟方法计算舰船防火防护的受损情况；
S23利用受损舰艇结构模型，首先判断损管器具和人员损失情况，在此基础上，模拟计算损管人员在受损舰艇中的行动能力。
优选的，根据实战条件下的舰船浮态、武器防护需求量、舰船装载、假想的反舰武器当量、数量、损伤模式和命中位置全面的模拟实战条件下舰船可能的受损情况，并建立数据库，在实战条件下可以快速对比舰船受损情况进行评估和决策。
本发明有益效果：
本发明提出了一种基于实战化的舰船防护效能评估方法，考虑了在实战条件下导致繁多的舰船受损原因，对比与单一的因素分析，集成了绝大部分影响舰船防护效能的因素，在系统化的分析下能找出受损舰船防护效能损失以及船舶潜在的风险。本发明以完整舰船的防护效能为100％，致力于评估防护效能各组成部分被反舰武器打击后的防护剩余量，以此评估实战条件下受损舰船的防护效能。同时考虑到战场环境下评估和决策的时间短，建立数据库与实际战损快速匹配，为损管工作提供关键信息，做到快速评估与决策。
附图说明
图1是本发明方法的程序流程图；
图2是本发明方法逻辑示意图；
图3是实施例舰船的总纵强度需求量示意图；
图4是实施例舰船的局部舱室完整和受损的二维模型示意图；
图5是实施例舰船的目标舱室防火模拟的示意图；
图6是实施例损管人员在受损舰船中行动能力模拟的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和一个具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当强调，此具体实施例仅作为示例以解释本发明，并不用于限定本发明的范围和应用。
如图1和图2所述，一种基于实战化的舰船防护效能评估方法，步骤如下：
第一步：设定防护效能评估的基础工况
设定典型装载下不同浮态的舰船模型作为防护效能评估的基础工况，典型装载包括两部分信息，武器装载信息，包括舰载武器装备数量、质量、位置和防护需求量；浮态信息，包括舰船艏、舯、艉吃水，舱室进水量，舰船压载量，浮力储备量以及所有自由液面分布信息。
第二步：设定防护效能评估激励输入
根据假想的反舰武器型号，数量以及命中方式，在FEM软件中设置武器当量、数量、损伤模式和命中位置等作为激励输入。反舰武器TNT当量换算包括两点，首先对装药的类型根据爆热进行换算，然后根据爆炸条件和装药形状在进行换算。对于爆热为Qvi的某一炸药装药，装药质量为ωi时，其TNT当量为ωe＝(Qvi/QvT)ωi,式中QvT为TNT的爆热。反舰武器的毁伤模式确定了输入激励的类型，例如半穿甲式反舰导弹的主要毁伤元包括冲击波、破片和准静态气体压力；鱼雷的主要毁伤元包括冲击波和气泡脉动载荷；舰炮的毁伤元包括破片和冲击波，主要是破片毁伤。
第三步：模拟计算结构防护效能
使用FEM软件ABAQUS计算舰船结构受损，得到舰船受损剩余结构中间模型，结合舰船舰载系统和武器的防护量，判断由于弹药或设备爆炸引起的二次灾害，结合二次灾害的激励输入获得舰船受损剩余结构模型。在此基础上判断受损后舱室进水和舰船重量分布。使用船舶稳性计算软件NAPA计算受损后新的舰船浮态，在受损后的浮态下，结合重量分布计算船舶所受剪力和弯矩的分布，反映了总纵强度和局部强度的需求量，如图3所示。使用FEM软件计算舰船剩余防护结构所能承受的剪力和弯矩极限，反映了总纵强度和局部强度的剩余量。由于浮态改变会大幅影响船舶所受剪力和弯矩的分布，对比总纵强度和局部强度的剩余量和需求量调整船舶浮态，可以规避剩余强度薄弱的部分。浮态调整后，在新的浮态下，使用FEM软件计算总纵强度和局部强度，反映受损后结构防护效能。在防护结构效能评估中，以完整舰船的极限强度和局部极限强度为100％，模拟计算得受损舰船的极限强度和局部强度占完整强度的比例定量表述了防护结构剩余的防护效能，如图4所示。
第四步：模拟计算防火防护效能
由于爆炸冲击波和弹片破坏速度快、时间短、对舰船防火覆盖层产生破坏，在冲击波载荷下，防火覆盖层会被削弱，破片载荷会击穿部分防火覆盖层。如图5所示，利用第三步获得的舰船受损剩余结构模型作为防火模拟的基础，结合受损的舰船防火涂覆盖层布置，以及反舰武器和二次灾害作为激励输入，使用火灾模拟软件CFAST模拟计算舰船被命中后火灾起始状态和蔓延情况；结合武器和设备的防火需求量，模拟火灾和烟气引起的次生灾害。获得舰船最终的防火覆盖层和防火门剩余量，从而反映舰船剩余防火防护效能。在防火防护效能评估中，以完整舰船的防火覆盖层面积、防护等级和防火门等总量为100％，模拟计算得受损舰船剩余的防火覆盖层面积、防护等级和防火门等总量占完整防火系统的比例定量描述了防火防护剩余的防护效能。
第五步：模拟防护损管效能
损管效能评估包括器具的剩余量评估和人员剩余量和行动能力评估。利用第三步获得的舰船剩余受损结构模型作为损管效能模拟的基础，结合完整舰船损管器具布置和人员分布计算得损管器具和人员的剩余量；使用人员疏散撤离模拟软件Pathfinder模拟计算人员在受损舰船中的行动能力，结合反映防护损管效能剩余，如图6所示。在防护损管效能评估中，以完整舰船的损管器具、人员和行动能力为100％，模拟计算得受损舰船剩余损管器具、人员和行动能力占完整系统的比例定量描述防护损管剩余的防护效能。
第六步：数据库建立与实战应用
将第五步中模拟计算得到的结果进行汇总，形成数据库。在实战条件下，将舰船“伤情”与数据库工况对比，快速评估舰船防护效能，为损管和作战提供参考。

Claims (5)

1.一种基于实战化的舰船防护效能评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1将舰船的防护效能评估划分成为舰船结构防护、防火防护和防护损管三个系统，将完整舰船的防护效能定为100％，通过评估受损舰船的各系统的防护剩余量来定量评估舰船防护效能；
S2构建所述舰船的结构模型，防火布置模型，损管布置模型，然后根据初始的舰船浮态和武器装载工况以及反舰武器的数量，型号和命中位置，依次模拟求解结构防护剩余，防火防护剩余，防护损管剩余；
S3根据所述舰船的防护技术的模拟结论，设置各类典型工况进行模拟计算，将模拟结汇总成数据库，在实战条件下将舰船实际受损与数据库模型对比，快速做出决策。
2.根据权利要求1所述的一种基于实战化的舰船防护效能评估方法，其特征在于，步骤S1中，采用定量的方法评估舰船防护效能各系统的剩余量，其具体包括以下步骤：
S11在防护结构效能评估中，以完整舰船的极限强度和局部极限强度为100％，模拟计算得受损舰船的极限强度和局部强度占完整强度的比例定量表述了防护结构剩余的防护效能；
S12在防火防护效能评估中，以完整舰船的防火覆盖层面积、防护等级和防火门等总量为100％，模拟计算得受损舰船剩余的防火覆盖层面积、防护等级和防火门等总量占完整防火系统的比例定量描述了防火防护剩余的防护效能；
S13在防护损管效能评估中，以完整舰船的损管器具、人员和行动能力为100％，模拟计算得受损舰船剩余损管器具、人员和行动能力占完整系统的比例定量描述防护损管剩余的防护效能。
3.根据权利要求1所述的一种基于实战化的舰船防护效能评估方法，其特征在于，步骤S2中，采用有限元方法计算舰船结构损伤得到受损舰船结构模型，在该模型基础上结合防火覆盖层的布置得到防火效能计算模型；结合损管系统模型，得到受损损管系统模型和人员行动力计算模型。
4.根据权利要求3所述的一种基于实战化的舰船防护效能评估方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下步骤：
S21采用有限元方法计算舰艇结构模型受损，以反舰武器等效的TNT或者破片作为激励，设置边界条件和失效条件，结合舰载武器的防护需求量判断第一阶段受损是否引起武器殉爆，结合武器殉爆作为激励，使用有限元方法模拟计算舰船结构模型的受损情况；
S22首先判断防火覆盖层被削弱的情况，然后利用受损舰船结构模型结合防火系统布置，以火灾和烟气为激励，使用模拟方法计算舰船防火防护的受损情况；
S23利用受损舰艇结构模型，首先判断损管器具和人员损失情况，在此基础上，模拟计算损管人员在受损舰艇中的行动能力。
5.根据权利要求4所述的一种基于实战化的舰船防护效能评估方法，其特征在于，根据实战条件下的舰船浮态、武器防护需求量、舰船装载、假想的反舰武器当量、数量、损伤模式和命中位置全面的模拟实战条件下舰船可能的受损情况，并建立数据库，在实战条件下可以快速对比舰船受损情况进行评估和决策。
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