艦船現(xiàn)代沖擊理論及應(yīng)用

　　本書系統(tǒng)介紹水下非接觸爆炸沖擊環(huán)境下，艦船及設(shè)備沖擊響應(yīng)特性仿真分析理論與實(shí)踐。全書共分10章，包括緒論、沖擊輸入的時(shí)域和頻域表示、沖擊響應(yīng)特性分析、譜跌和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法的主模態(tài)理論、多剛體-彈性體的子結(jié)構(gòu)建模方法、抗沖擊設(shè)計(jì)的有限元縮聚建模、GAP單元在非線性建模中的應(yīng)用、沖擊脈沖和沖擊譜的數(shù)據(jù)分析方法、沖擊試驗(yàn)機(jī)和沖擊脈沖的確定、艦船水下爆炸沖擊等。本書的顯著特點(diǎn)是：在空間上，將水、船體結(jié)構(gòu)、艦載設(shè)備等綜合在一起，船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和設(shè)備響應(yīng)計(jì)算直接放在沖擊環(huán)境之中；在時(shí)間上，考慮了爆炸沖擊過程和船體彈塑性變形過程的連續(xù)性；在理論方法上，綜合了理論、試驗(yàn)和數(shù)值方法，但以數(shù)值方法為主。本書內(nèi)容全面，取材新穎，注重方法，實(shí)用性強(qiáng)。除系統(tǒng)敘述艦船及設(shè)備沖擊響應(yīng)特性仿真的相關(guān)基本概念、基本方法外，作者還注意結(jié)合親身實(shí)踐體會(huì)介紹應(yīng)用實(shí)例和國內(nèi)外的有關(guān)最新研究成果。 本書可直接指導(dǎo)艦船及設(shè)備沖擊響應(yīng)特性分析和防護(hù)設(shè)計(jì)，還可作為高等院校船舶工程、輪機(jī)工程等專業(yè)以及航空航天、地震、爆炸等領(lǐng)域里的高年級(jí)學(xué)生和研究生的教學(xué)用書，對(duì)廣大從事爆炸沖擊動(dòng)力學(xué)分析、研究、應(yīng)用和開發(fā)的科研人員也有較大的參考價(jià)值。 前 言 現(xiàn)代艦船在海戰(zhàn)中必然會(huì)面臨非接觸爆炸引起的沖擊破壞問題。隨著導(dǎo)彈、激光炸彈和水中兵器的發(fā)展，爆炸當(dāng)量和沖擊持續(xù)時(shí)間明顯增加，精確制導(dǎo)技術(shù)使武器命中率大大提高，艦艇的沖擊環(huán)境更為惡劣。在非接觸爆炸沖擊環(huán)境下，即使艦艇結(jié)構(gòu)處在安全半徑之內(nèi)，艦載主要機(jī)電設(shè)備和武器電子設(shè)備也可能由于承受過大的加速度或位移而遭到破壞，從而喪失戰(zhàn)斗力，處于被動(dòng)挨打的局面。因此，開展艦艇艇體結(jié)構(gòu)及設(shè)備在非接觸爆炸作用下的沖擊破壞機(jī)理及抗沖擊性能理論和試驗(yàn)研究，對(duì)提高艦艇的生命力和戰(zhàn)斗力是至關(guān)重要的，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和軍事應(yīng)用價(jià)值。在這個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，我國目前還缺少有針對(duì)性的理論書籍。本書的出版，希望能對(duì)我國的艦艇抗沖擊性能分析評(píng)估、防護(hù)設(shè)計(jì)、理論試驗(yàn)研究、工程應(yīng)用和教學(xué)等起到推動(dòng)作用。 從水下爆炸作用下艦船及設(shè)備的沖擊響應(yīng)的物理過程來看，是從外到里的連續(xù)過程，炸藥爆炸產(chǎn)生沖擊波、形成氣泡脈動(dòng)，然后傳遞到艦艇結(jié)構(gòu)，進(jìn)而作用到艦載設(shè)備。為了使讀者能夠從簡單到復(fù)雜，更直觀地理解，本書采取從里到外的描述方法：從艦載設(shè)備及支撐簡化為一個(gè)單自由度系統(tǒng)的受基礎(chǔ)激勵(lì)的沖擊問題開始。 按上述思路，本書的第1章為緒論，對(duì)沖擊現(xiàn)象、沖擊特點(diǎn)、抗沖擊研究意義、抗沖擊的研究歷史以及最新發(fā)展做了全面的論述。 本書的第2章到第4章是現(xiàn)代沖擊基本理論。從單自由度系統(tǒng)開始，討論沖擊信號(hào)的時(shí)域和頻域分析方法，沖擊問題和振動(dòng)問題的區(qū)別，沖擊響應(yīng)譜的特性分析以及如何根據(jù)沖擊響應(yīng)譜的特性設(shè)計(jì)沖擊隔離器，然后逐步進(jìn)入到二自由度和多自由度系統(tǒng)。從二自由度系統(tǒng)的沖擊問題和單自由度系統(tǒng)的沖擊問題的區(qū)別引出譜跌的概念，以及由此產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法（DDAM法），在詳細(xì)推導(dǎo)基于模態(tài)理論的設(shè)備抗沖擊動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)DDAM方法的基礎(chǔ)上，還討論了該方法的最新進(jìn)展。 第5章是關(guān)于多剛體-彈性體和子結(jié)構(gòu)相結(jié)合的復(fù)雜剛-柔耦合隔離系統(tǒng)的建模方法。沖擊響應(yīng)的多剛體方法是一種經(jīng)典的方法。當(dāng)基礎(chǔ)是剛性時(shí)，該方法計(jì)算設(shè)備的沖擊響應(yīng)是足夠精確的。但是，當(dāng)基礎(chǔ)被考慮為彈性體時(shí)（如較大的艦艇最低頻率只有1～3Hz左右），則必須考慮譜跌的影響。因此，針對(duì)這兩種情況，重點(diǎn)討論了將設(shè)備和彈性基礎(chǔ)連成一體的多剛體-彈性體和子結(jié)構(gòu)相結(jié)合的復(fù)雜剛-柔耦合隔離系統(tǒng)的建模方法。 第6章是抗沖擊設(shè)計(jì)的有限元縮聚建模方法。為了考慮基礎(chǔ)彈性變形引起的譜跌的影響，除了上面的多剛體-彈性體和子結(jié)構(gòu)相結(jié)合的復(fù)雜剛-柔耦合隔離系統(tǒng)的建模方法外，提出了整船全局系統(tǒng)建模方法：即將設(shè)備安放在船體模型上，同時(shí)考慮艦艇的基本結(jié)構(gòu)模態(tài)響應(yīng)，以及設(shè)備和船體之間的相互作用，建立包含主要設(shè)備在內(nèi)的整船虛擬沖擊模型。這種方法所建立的模型一般規(guī)模很大，初始模型存在著大量的局部模態(tài)。針對(duì)這一問題，本章討論了幾種矩陣縮減方法和相應(yīng)的迭代計(jì)算格式，包括（1）基于剛度矩陣子矩陣普通逆的迭代法；（2）基于矩陣廣義逆的迭代法；（3）基于子空間迭代的動(dòng)力縮聚法，并探討了主自由度的選擇和局部模態(tài)的消除的精確性和完備性問題。 第7章研究了由限位引起的非線性沖擊碰撞問題。為防止變型過大，艦船設(shè)備安裝的隔振器通常還使用限位器。限位器在沖擊過程中的響應(yīng)是強(qiáng)非線性的，必須加以考慮。本章以艦艇典型的管道系統(tǒng)中的泵為例，探討了限位器在沖擊過程中的非線性特性、有限元建模方法、非線性沖擊響應(yīng)計(jì)算分析方法以及限位器間隙對(duì)沖擊響應(yīng)的影響，從而對(duì)因帶有限位器而出現(xiàn)二次沖擊的典型艦船機(jī)電設(shè)備隔沖系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)分析進(jìn)行了有益的嘗試。 第8章和第9章討論了當(dāng)前最新的沖擊試驗(yàn)技術(shù)、沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)的處理方法以及沖擊試驗(yàn)設(shè)備。其中重點(diǎn)討論了用沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)確定沖擊譜的數(shù)字分析方法和測(cè)試方法，以及如何由沖擊譜確定沖擊輸入的方法。 第10章首先討論了流固耦合水下爆炸的各種數(shù)值模擬分析方法的最新進(jìn)展，然后詳細(xì)推導(dǎo)了高頻和低頻雙逼i~DAA理論，包括DAA一階近似方法和DAA2二階近似方法。再通過濕表面流固耦合方程將水下爆炸過程和船體結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，從而形成了一個(gè)系統(tǒng)的艦船結(jié)構(gòu)及艦載設(shè)備抗沖擊理論分析體系。 最后，本書以美海軍某驅(qū)逐艦為實(shí)例，詳細(xì)介紹了抗沖擊理論體系的實(shí)際應(yīng)用，其中重點(diǎn)討論了各種計(jì)算和實(shí)驗(yàn)之間的誤差分析方法及應(yīng)用。 本書所描述的現(xiàn)代艦船及設(shè)備沖擊仿真實(shí)驗(yàn)理論和方法的特點(diǎn)可以概括為 （1）在空間上，水、船體結(jié)構(gòu)、艦載設(shè)備等綜合在一起，船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和設(shè)備響應(yīng)計(jì)算直接放在沖擊環(huán)境之中，由二維空間進(jìn)入到三維空間。 （2）在時(shí)間上，爆炸沖擊過程和船體彈塑性變形過程是連續(xù)的。 （3）在理論方法上，綜合理論、試驗(yàn)、數(shù)值方法，但以數(shù)值方法為主。 本書是作者近十年來研究工作的總結(jié)，希望對(duì)艦船領(lǐng)域有關(guān)工程技術(shù)人員開展沖擊防護(hù)研究試驗(yàn)工作提供有益的指導(dǎo)和幫助。本書所描述的基礎(chǔ)沖擊激勵(lì)下的沖擊理論，對(duì)航空航天、地震、爆炸等相關(guān)領(lǐng)域都有重要的參考價(jià)值。本書還可以作為相關(guān)專業(yè)研究生教材。 最后感謝李俊在博士后工作期間、吳廣明等在攻讀博士學(xué)位期間參加與本書相關(guān)內(nèi)容課題所做的寶貴研究工作。感謝諶勇博士、童宗鵬博士、吳震東碩士和其他學(xué)生在本書的圖片處理方面所做的工作。感謝國家自然基金（批準(zhǔn)號(hào)10276040）和國際重大基研研究等基金的支持。感謝海軍金矛副司令員為本書作序，感謝海軍裝備部耿廣生副部長、海軍裝備部艦艇部楊志利部長、姜義慶副部長、姚耀中處長、張繼明處長、海軍裝備研究院丁曉明總工程師、趙永浦所長等領(lǐng)導(dǎo)和同事們對(duì)本書寫作的大力支持和幫助。 希望本書的出版對(duì)我國的艦船抗沖擊研究試驗(yàn)工作起到推動(dòng)作用。由于水平和學(xué)識(shí)所限，書中肯定有不少疏漏、欠妥與謬誤之處，真誠希望讀者、專家和同行不吝賜教。

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