2023年 第18卷 第2期
2023, 18(2): 1-19, 47.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03139
摘要:
海洋环境的复杂性以及兵器攻击中强非线性载荷的作用，使得采用常规材料制造的舰船结构难以满足安全性、隐身性、轻量化和舒适性等综合设计指标要求，而超材料凭借其性能的人工可设计性和性能超颖性，成为解决上述工程需求的有效途径之一。总结近10年来超材料在船舶工程中的理论及应用研究现状，围绕船舶抗爆抗冲击、轻量化、承载和减振降噪等几个方面，重点梳理力学超材料和声学超材料的设计方法与应用研究进展。指出船用超材料的大尺度、高效、低成本制造技术是未来船用超材料应用中亟待突破的方向与瓶颈，船用超材料的高承载性、宽频段带隙设计和低频段带隙设计已成为具有潜力的研究热点。
海洋环境的复杂性以及兵器攻击中强非线性载荷的作用，使得采用常规材料制造的舰船结构难以满足安全性、隐身性、轻量化和舒适性等综合设计指标要求，而超材料凭借其性能的人工可设计性和性能超颖性，成为解决上述工程需求的有效途径之一。总结近10年来超材料在船舶工程中的理论及应用研究现状，围绕船舶抗爆抗冲击、轻量化、承载和减振降噪等几个方面，重点梳理力学超材料和声学超材料的设计方法与应用研究进展。指出船用超材料的大尺度、高效、低成本制造技术是未来船用超材料应用中亟待突破的方向与瓶颈，船用超材料的高承载性、宽频段带隙设计和低频段带隙设计已成为具有潜力的研究热点。
2023, 18(2): 20-27.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02741
摘要:
目的 旨在探究破片侵彻作用下高强聚乙烯（UHMWPE）纤维增强层合板的毁伤响应过程、失效模式转变和能量吸收特性。 方法 采用有限元软件ANSYS/AUTODYN，建立UHMWPE层合板抗破片侵彻数值模型，分析UHMWPE层合板的失效模式转变和能量吸收特性。 结果 破片侵彻作用下UHMWPE层合板的动态响应过程大致可以分为剪切冲塞阶段和拉伸变形阶段。破片入射速度和靶板厚度会直接影响靶板的能量吸收特性。靶板厚度越大，剪切冲塞模式占比越大。在靶板厚度不变的情况下，随着破片侵彻速度的提高，剪切冲塞模式占比越来越大，最终趋于稳定。在破片弹道极限速度以上初始小范围内，靶板吸能随破片入射速度增大有所减小，随后破片速度继续增加会扩大靶板剪切冲塞破坏范围，导致靶板整体吸能量增加。 结论 基于所建立的数值模型能够较好地模拟破片侵彻作用下UHMWPE层合板的动态响应过程，可以为UHMWPE材料在弹道防护领域的应用提供参考。
2023, 18(2): 28-37.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02573
摘要:
目的 研究迎爆面和背爆面面板厚度、壁板折角以及芯层高度对碳纤维增强复合材料梯形波纹夹层结构抗爆性能的影响规律。 方法 首先，基于三维Hashin失效准则，利用软件ABAQUS中的VUMAT用户子程序接口，开发纤维增强复合材料损伤演化的子程序模块；然后，通过与公开文献中的实验进行对比，验证爆炸冲击载荷下基于所开发子程序的碳纤维增强复合材料动态响应仿真方法的有效性；最后，基于该数值方法开展碳纤维增强复合材料梯形波纹板的抗爆性能参数化研究。 结果 结果显示，相比增大迎爆面面板的厚度，增大背爆面面板厚度对夹层板抗爆性能的提升更为明显；芯层壁板折角从45°减小至30°时，其抗爆能力提高了1.3%，而当从60°减小至45°时，其抗爆能力提高了6.3%；芯层高度从8 mm增大至20 mm时，其抗爆能力提高了27.7%。 结论 所做研究可为碳纤维增强复合材料夹层结构的抗爆设计提供参考。
2023, 18(2): 38-47.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02744
摘要:
目的 对不同泊松比蜂窝结构的抗冲击性能进行分析。 方法 基于显式动力有限元方法，分析不同泊松比蜂窝结构在面内冲击载荷作用下的动态力学性能，探究蜂窝结构泊松比对其抗冲击性能的影响规律。选取3类具有负/零/正泊松比的典型蜂窝拓扑结构（内凹六边形、六边形和半内凹六边形），通过改变几何参数使其具有相同的相对密度和不同的泊松比（−2.76 ～3.63），分析结构在低/中/高速动态位移载荷作用下的动态力学性能。 结果 结果显示：零泊松比半内凹六边形蜂窝在压缩变形时不产生横向变形，具有最好的结构稳定性；在不发生结构失稳的前提下，平台应力与泊松比的关联不大；致密应变会随泊松比绝对值的增大而增大；单位体积能量吸收EA随泊松比绝对值的增大而增大。在进行蜂窝结构设计时，如果需要平台应力较大（抵抗变形能力强）的结构，可以选择壁厚/壁长（t/l）较大、胞元倾斜角θ较小的负泊松比内凹六边形蜂窝结构；如果需要较强的EA，可以选择t/l和θ均较小的正泊松比六边形蜂窝结构；如果需要结构有很好的稳定性，可以采用零泊松比半内凹六边形蜂窝结构。 结论 所做研究可为舷侧抗冲击蜂窝结构的选型和几何参数设计提供参考。
2023, 18(2): 48-54, 63.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02737
摘要:
目的 在传统船用碳纤维复合材料层合板层间添加热塑性相材料能有效提升船用复合材料的抗冲击性能，为探究其冲击损伤特性，开展实验研究。 方法 使用光学显微镜观察层合板的热塑性/热固性界面，分析两相材料的结合方式；对不同结构的复合材料层合板进行低、中、高3种不同能量的低速冲击；通过超声C扫描与电子显微镜，对各试件的损伤形貌进行观测，以研究各试件的冲击响应及损伤机理。 结果 结果显示，相较于碳纤维层合板，含热塑性相的船用复合材料层合板具有更好的损伤阻抗；内部嵌膜层合板试件在冲击能量为8和12 J的冲击下，内部分层损伤分别减少了19%和39%，且受到12 J冲击后，内部结构损伤较小，完整性较好。 结论 将PEI热塑性膜嵌于内部能提升层合板的韧性，显著减少内部分层损伤，明显提升内部嵌膜层合板的抗冲击性能。
2023, 18(2): 55-63.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02835
摘要:
目的 为提高无人水下航行器（UUV）、自主式水下航行器（AUV）、空气瓶等外壳防护结构的抗爆抗冲击能力，对水下爆炸和高静水压力载荷下碳纤维增强复合材料（CFRP）圆柱壳的结构响应及其失效模式进行研究。 方法 利用ABAQUS软件和耦合欧拉−拉格朗日法（CEL）方法构建在静水压力和冲击载荷共同作用下CFRP圆柱壳内爆的计算模型，通过与实验结果对比来验证数值模拟方法的有效性，并在此基础上获得CFRP圆柱壳内爆的失效模式和参数化影响。 结果 研究发现，CFRP圆柱壳水下内爆可分为3个阶段：屈曲阶段、壁面接触阶段、失效扩展阶段；减小圆柱壳长径比能提高结构的抗冲击能力，且影响CFRP圆柱壳的失效模式；随着纤维层数的增加，壳结构的静水承载能力和抗冲击能力增长速率增加；增加冲击块速度，壳的壁面界接触和失效扩展越显著，发生的基体断裂更多，且裂纹在圆柱壳长度方向上有明显增大趋势。 结论 所做研究可为水下航行器等结构设计工作提供数据指导，推动复合材料在上述领域中的应用。
2023, 18(2): 64-73.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03006
摘要:
目的 复合材料内部结构形式多样，深入分析组分材料的损伤机理可为复合材料加筋板的极限强度研究提供基础。 方法 首先，采用多尺度方法，对船用玻璃纤维增强塑料（GFRP）复合材料加筋板进行微观、细观和宏观的力学分析，建立短切毡（CSM）、机织粗纱（WR）材料的微观和细观代表性体积单元（RVE）模型；然后，通过微观和细观RVE模型均匀化，获得宏观等效刚度，并采用ABAQUS软件的子程序VUMAT编写复合材料渐进损伤演化模型，分别得到微观和细观模型的损伤演化机理及宏观单层板等效强度。 结果 结果显示，采用多尺度方法可以很好地评估得到复合材料的宏观力学性能；复合材料加筋板的宏观极限强度主要由纤维束的失效决定。 结论 经多尺度分析得到的宏观材料参数可以用于该材料铺层加筋板的极限强度计算，复合材料的细观力学参数化研究可为材料加工工艺影响研究提供分析手段。
2023, 18(2): 74-80.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02471
摘要:
目的 针对复合材料上层建筑总纵强度问题，采用有限元分析法开展复合材料上层建筑总纵弯曲特性与设计要求分析。 方法 首先，分析不同长度、不同上层建筑材料等效弹性模量下简化船体模型纵向应变沿高度方向的分布规律，并利用二次函数对纵向应变分布进行非线性拟合；然后，基于拟合的结果提出复合材料上层建筑设计要求，并在结构形式与材料属性两方面对设计要求进行阐述；最后，根据弯矩有效度概念，在国军标的基础上提出不同长度、不同材料下上层建筑完全参与总纵弯曲的判定方法。 结果 分析结果表明，常见的树脂基纤维增强复合材料能够满足上层建筑结构的总纵强度要求；超过0.3倍船长的复合材料上层建筑结构应当计入剖面强度和刚度校核。 结论 所做研究可为未来我国复合材料上层建筑结构的水面舰船设计提供一定的参考价值。
2023, 18(2): 81-89.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02462
摘要:
目的 旨在研究轻质夹芯板弹性波的传播规律与减振降噪机理。 方法 采用有限元方法结合布洛赫定理，对周期性夹芯板色散关系与弯曲波带隙特性进行研究，分析振动传输特性和声传输特性，研究轻质夹芯板减振降噪特性，并对轻质夹芯板振动传递衰减特性进行实验验证。 结果 研究结果表明，由于布拉格（Bragg）散射调制作用，轻质夹芯板在特定频段存在弯曲波带隙，弯曲振动带隙频率范围内具有良好的减振降噪效果。 结论 轻质夹芯板结构参数对弯曲波带隙具有显著的调节作用，为舰船结构振动噪声控制与声隐身设计提供了新的技术途径。
2023, 18(2): 90-96.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03078
摘要:
目的 旨在寻求扩大带隙频率范围，降低带隙起始频率的方法，分析并优化声学超材料的带隙。 方法 分析几何参数与材料参数对声学超材料带隙特性的影响，提出最大化带隙宽度方法。通过归一化带隙参数系数，将多目标优化问题转化为单目标优化问题。基于材料选型优化理论实现组分材料的转换，建立基于轻量化的手性声学超材料带隙参数优化方程。以六韧带手性声学超材料为例，定义散射体、韧带及包覆物等结构设计参数和材料参数为设计变量，开展声学超材料的结构参数−材料选型的综合优化。 结果 优化结果显示，带隙宽度增加了27.7%，下界频率减少了1048 Hz，初步达到了在声学超材料轻量化的基础上扩大带隙频率的目标；开展的有限长手性声学超材料结构的声传输分析验证了带隙优化方法的有效性。 结论 集成了结构参数−材料选型的综合优化可有效达到声学超材料轻量化的目标，研究成果可为新型声学超材料的设计提供技术参考。
2023, 18(2): 97-106.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02518
摘要:
目的 旨在研究声激励下内壁上敷设有多孔纤维吸声材料的环肋单层圆柱壳振动声辐射特性和计算方法。 方法 在Johnson–Champoux–Allard (JCA)等效流体理论模型和多层介质传递矩阵的基础上，推导多层吸声结构吸声系数的理论公式，验证对比用于计算声激励下敷设多孔吸声材料的环肋单层圆柱壳振动声辐射的3种方法（即多孔介质声学实体建模、有限元模型结合理论公式和设置吸声系数阻抗边界）。最后，研究吸声材料厚度、空气背衬层、材料静态流阻和排布顺序对该单层圆柱壳结构吸声效果的影响。 结果 敷设多孔吸声材料可降低圆柱壳结构振动声辐射。基于敷设了多孔吸声材料圆柱壳的吸声系数曲线的分析结果，可以快速有效地预测圆柱壳振动声辐射结果趋势。 结论 通过合理设计吸声材料属性和排布顺序可以有效提高吸声结构吸声性能，从而达到减振降噪的目的。
2023, 18(2): 107-113.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02588
摘要:
目的 旨在基于复合材料试样水声插入损失实测值，通过反演算法获得高强度聚氯乙烯（PVC）泡沫的水声模量值，进而提高复合材料水声插入损失计算精度。 方法 首先，通过压缩、平拉等力学试验，得到高强度PVC泡沫材料的静弹性模量，再利用传递矩阵方法计算得到夹芯复合材料的插入损失，并分析得出插入损失计算值与基于脉冲声管法的实测值存在较大差异的原因是芯材弹性模量输入值偏低。然后，基于插入损失实测值，采用遗传算法反演计算出５组泡沫材料的水声模量值。 结果 定量计算结果表明，高强度PVC泡沫的水声模量值高于静弹性模量值，水声模量对压缩模量比值的平均值为1.24，对拉伸模量比值的平均值为1.36。 结论 在对基于高强度PVC泡沫的夹芯复合材料水声性能进行计算时，材料弹性模量输入值应在静力模量实测值基础上正向修正，从而降低误差。
2023, 18(2): 114-120.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02527
摘要:
目的 为了研究复合材料层合板连接节点的振动传递特性，提出一种采用有限元功率流法并结合功率流可视化技术的分析方法。 方法 首先，验证用有限元实体单元功率流描述板壳振动的有效性；然后，引入功率流传递率评价指标，提出有限元模型功率流传递率的计算方法，并以导纳功率流法计算结果为参照来验证其有效性；最后，建立嵌入式连接和螺钉连接这2种复合材料层合板的连接模型，计算其功率流传递率曲线和典型功率流矢量图。 结果 对比验证结果表明，2种连接模型的振动传递路径和功率流传递率存在明显差异。 结论 有限元功率流法直观反映了连接结构的振动传递能力及振动能量传递路径，可为复合材料结构设计提供参考。
2023, 18(2): 121-126, 159.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02385
摘要:
目的 因对于钛合金耐压夹层圆柱壳这种新型耐压结构研究得较少，其芯层拓扑形式有待优化确认，需开展芯层拓扑优化。 方法 首先，选择一个壁厚较大的无加筋圆柱壳作为分析对象，采用ANSYS轴对称单元计算结构的应力；然后，沿圆柱壳厚度方向划分为上、中、下3个区域，将中部区域的结构设为设计变量，并建立其芯层结构形式的两阶段拓扑优化数学模型；最后，基于Matlab建立遗传算法主控程序，针对无加筋圆柱壳芯层的布置，分别仅沿轴向、轴向与径向布置形式两个阶段进行拓扑优化，以验证上述耐压夹层圆柱壳加筋形式的合理性。 结果 优化方案芯层拓扑形式为等间距设置，垂直连接内壳和外壳的肋板。 结论 静水压力载荷下的耐压夹层圆柱壳结构是一种合理的耐压结构形式。
2023, 18(2): 127-139.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02362
摘要:
舰船抗爆和抗冲击技术概念宏观，内涵广泛，对其认识理解、设计研究都需要技术体系的顶层划分和牵引。首先，基于武器攻击对舰船的爆炸毁伤类型，对舰船抗爆与抗冲击这两个概念进行划分；然后，基于舰船总体抗爆抗冲击设计技术需求，区分不同的研究对象及技术的基础理论，提出包含6大类型的舰船抗爆抗冲击技术体系的划分方案，即水上/水下防护结构设计、新型抗爆结构与毁伤分析、设备系统及人员抗冲击、舰船抗爆抗冲击试验验证及技术标准规范；最后，分别对舰船抗爆和抗冲击技术内涵进行详细阐述。所做研究可为我国舰船抗爆抗冲击技术体系的形成提供一个初步构想，供从事舰船抗爆抗冲击设计、研究及管理人员参考。
舰船抗爆和抗冲击技术概念宏观，内涵广泛，对其认识理解、设计研究都需要技术体系的顶层划分和牵引。首先，基于武器攻击对舰船的爆炸毁伤类型，对舰船抗爆与抗冲击这两个概念进行划分；然后，基于舰船总体抗爆抗冲击设计技术需求，区分不同的研究对象及技术的基础理论，提出包含6大类型的舰船抗爆抗冲击技术体系的划分方案，即水上/水下防护结构设计、新型抗爆结构与毁伤分析、设备系统及人员抗冲击、舰船抗爆抗冲击试验验证及技术标准规范；最后，分别对舰船抗爆和抗冲击技术内涵进行详细阐述。所做研究可为我国舰船抗爆抗冲击技术体系的形成提供一个初步构想，供从事舰船抗爆抗冲击设计、研究及管理人员参考。
2023, 18(2): 140-148.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02442
摘要:
目的 旨在利用解析法求解环肋圆锥壳的振动方程，对环肋圆锥壳的振动特性进行理论研究。 方法 首先，对圆锥壳分段处理，将圆锥壳沿母线方向、环向和法向的位移分别写成幂级数解的形式，并推导出幂级数项前系数的递推关系式； 然后，采用梁模型模拟不同环肋数对圆锥壳振动响应特性的影响；接着，将圆锥壳分段及其环肋边界条件、位移和内力矩阵进行组装求解，得到在外部简谐力激励下圆锥壳的振动响应特性，并将所得结果与ANSYS有限元数值方法的计算结果进行对比，验证所提计算方法的有效性。最后，运用所提理论方法进行环肋圆锥壳的振动特性分析。 结果 结果显示，圆锥壳安装的环肋可明显抑制圆锥壳的振动，具体表现为响应幅值降低、固有频率升高，且在相同频段内共振峰数量减小；增大壳体厚度会引起壳体振动响应幅值降低以及固有频率升高；此外，增大半锥角、轴线长度和环肋数均可降低环肋圆锥壳的振动响应幅值。 结论 研究表明，所用方法对环肋圆锥壳振动的理论研究具有一定意义。
2023, 18(2): 149-159.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02540
摘要:
目的 旨在探究面内剪力对加筋板极限强度的影响规律，以及侧向压力与面内剪力之间是否会产生耦合效应。 方法 建立一系列加筋板有限元模型，采用ABAQUS软件进行面内剪力与纵向轴压载荷联合作用下的数值仿真分析，然后对计算结果进行无量纲化处理，并基于最小二乘法对联合载荷作用下的加筋板极限状态曲线/方程进行拟合。 结果 结果显示，面内剪力对加筋板轴压极限强度的影响规律得以明确，得到了考虑剪切载荷作用的加筋板极限状态方程。 结论 所做研究可为面内剪力作用下加筋板的纵向轴压极限强度修正提供参考。
2023, 18(2): 160-167, 217.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02520
摘要:
目的 现有基于有限元强度计算的结构优化研究大多采用改写单元节点信息文件来实现参数化建模的方法，为解决在船体剖面结构优化过程中难以考虑型材数量变化的问题，提出一种基于参数化几何建模分析和人工蜂群（ABC）算法的船舯剖面结构优化方法。 方法 首先，在Matlab平台编写蜂群算法，并基于ABAQUS内核语言Python建立能够在其CAE模块中生成几何模型的脚本文件；其次，建立能够提交有限元计算和读取结果的Python脚本文件，通过将算法每次生成的解改写到脚本对应位置完成几何模型的更新，后台调用ABAQUS并依次运行脚本文件；最后，将计算结果返回到Matlab平台中进行校核，完成参数化几何建模与有限元分析。 结果 以4600 TEU集装箱船在总纵弯矩作用下的舱段剖面结构优化为例验证了该方法的可行性，得到集装箱船舱段结构减重达18.7%。 结论 经对比分析，在设定条件下基于有限元的优化方法比基于规范的优化方法更加充分。
2023, 18(2): 168-175.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02531
摘要:
目的 由于薄板在焊接时极易产生失稳变形，从而影响建造周期、成本及材料使用性能，因此需通过施加外部拘束实现对薄板对接接头焊接失稳变形的控制。 方法 首先，进行外部拘束下的薄板对接焊试验，使用光学面扫描方法测量其焊后面外变形；同时，建立自由状态和外部拘束状态下的有限元模型，使用热弹塑性有限元（TEP FE）方法分析两种状态下薄板对接焊的热力学现象；最后，研究不同外部拘束分布对接头焊接失稳变形的影响，并从纵向塑性应变和纵向收缩力的角度分析其控制焊接失稳变形的原因。 结果 试验对应模型的面外变形结果与测量结果吻合良好，且小于自由状态下的面外变形结果；施加外部拘束使焊缝及其附近金属的纵向塑性应变减小，薄板所受的纵向收缩力减小。 结论 研究结果验证了外部拘束能有效地控制焊接失稳变形，且外部拘束的分布不同对焊接失稳变形的控制效果不同。
2023, 18(2): 176-183.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02553
摘要:
目的 为分析多功能钻井船月池封闭或开放状态下月池结构对船体阻力性能的影响，开展带月池结构的钻井船模型水池试验。 方法 以某多功能钻井船为例，研究在规则波和不规则波下的船舶运动响应。试验中，通过挂钩连接拉力传感器测量船模在静水和波浪中的阻力，利用加速度传感器分析船首、舯和船尾的加速度特性。 结果 结果表明：在轻载工况及月池开放时，船舶阻力较大； 在设计载重工况及月池封闭时，船舶静水阻力较大。在规则波下，月池封闭使船尾加速度降低了58.2%，船首阻力降低了46.7%， 垂荡运动响应最大幅值减小41.8%；在不规则波下，船首阻力峰值约为船尾的10倍，相比于月池封闭时，在相同时间内月池开放时阻力峰值出现的次数更多。 结论 研究表明，设计载重工况的差异使船体水线面面积改变，影响了船舶静水阻力，而月池封闭不仅降低了船舶运动加速度及阻力，而且有效改善了纵摇及垂荡运动响应幅值，这为带月池结构的钻井船结构型式的设计提供了数据支撑。
2023, 18(2): 184-193.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02533
摘要:
目的 为了保障复杂未知环境下自主式水下机器人（AUV）的安全，防止意外触底，提出AUV近底动态安全领域模型，建立分级应急响应措施。 方法 建立AUV垂直面运动模型并通过超越试验对比验证，求解主动安全领域及被动安全领域距离，建立AUV近底航行动态安全领域模型，基于该模型设计AUV应急控制系统与应急策略。基于实时纵倾和对底高度状态，计算当前及未来危险系数，通过分配权重系数求得综合危险系数，用于指导AUV应急响应决策。 结果 通过分析湖试定深和定高航行试验，当河床高度相距AUV主动安全领域边界较近时，综合危险系数与河床高度的相关性较强，反之则较弱。结果表明，AUV应急控制系统在起伏地形下作业时能减少应急决策虚警，而在近底航行作业时又能减少应急决策漏警，从而实现在复杂起伏地形下近底航行时的合理应急决策。 结论 基于垂直面运动方程建立的近底安全领域模型与应急响应策略能够用于AUV水下航行近底危险实时预测，可提高AUV水下自主航行的安全性。
2023, 18(2): 194-203.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02483
摘要:
目的 针对传统避雷针防护效能评估方法难以对其防护概率进行高效评估的现状，基于电气几何模型和引雷空间理论发展一种避雷针防护概率数值评估高效算法，实现避雷针对空间任意点防护概率的高效计算。 方法 首先，根据上下行先导的拦截过程确定避雷针与保护物的引雷空间边界；然后，再由雷击距画出受雷曲面与暴露弧，通过分析受雷曲面和暴露弧的不同特征，量化评估避雷针的引雷风险与接闪效能；最后，综合避雷针引雷与防雷两方面特性建立防护概率的数值评估模型。为检验该方法的准确性，分析避雷针防护概率变化的一般规律，并将结果与已有的分析方法进行对比。 结果 结果表明，该方法的评估结果与经典雷电先导发展模型理论的雷击模拟结果相符。 结论 该方法量化程度高，可以实现避雷针对空间任一点防护概率的高效计算，有助于防雷设计工作。
2023, 18(2): 204-210.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02449
摘要:
目的 针对现有线路阻抗稳定网络（LISN）在电磁脉冲防护能力上的不足，提出一款适用于电气电子设备脉冲电流注入（PCI）试验的LISN。 方法 通过PSpice时域和频域仿真，结合工程设计要求，针对PCI试验中脉冲电流峰值高、上升快等特点，在现有基础上改良LISN的电路拓扑和物理结构，使其同时具有良好的纳秒脉冲防护性能和阻抗稳定能力，并设计开展脉冲电流防护性能测试和阻抗曲线测试试验。 结果 试验验证结果表明，该LISN可以使电流衰减到注入的脉冲电流值的1/60；试验结果与GJB 151B—2013中5 μH型LISN的阻抗曲线之间的误差小于5%。 结论 该LISN具有较好的阻抗稳定能力和去耦能力，可用于电气电子设备的PCI试验，以保护电源并提高试验的可重复性。
2023, 18(2): 211-217.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02436
摘要:
目的 航行运动产生的姿态变化会导致对自身雷达散射截面积（RCS）概率密度发生变化，因此有必要掌握舰船在各种运动工况时对掠入射下自身的RCS概率密度的影响程度。 方法 利用准静态的思路，构建水动力和电磁散射特性联合仿真模型及计算流程，选取掠入射下10 GHz连续波作为探测雷达波威胁，对不同统计时间、海况、航速、航向等参数下的舰船本体RCS概率分布进行对比和分析。 结果 结果表明，对数正态分布模型可较好地模拟船模静态RCS分布特性，统计时间大于250 s后动态RCS概率分布基本稳定；在低海况下及随浪或顶浪航行时动态RCS概率分布曲线存在“毛刺”现象。 结论 研究表明，航速对舰船RCS概率密度分布的影响可以忽略；浪向角对舰船RCS概率密度分布的影响在较高海况时才明显；海况增加使得RCS分布概率曲线越来越顺滑；统计时间对RCS概率密度分布的影响较大，需积累足够的数据进行试验或仿真才能准确掌握舰船RCS概率分布特性。
2023, 18(2): 218-226.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02475
摘要:
目的 针对中型邮轮初步设计阶段确定尺度时影响因素多、参考资料少的问题，提出一种基于尺度与性能指标拟合简化的多目标优化方法。 方法 首先，对国际在航邮轮尺度进行分析，高精度拟合中型邮轮尺度特征参数，并结合最新公约要求，确定尺度优化范围。然后，分析邮轮尺度参数对空间、阻力、稳性、耐波性的影响程度，建立目标表达方式；并基于遗传算法原理，确定鲁棒性、工程适应性高的多目标优化算法，以某中型邮轮初步设计尺度优化为目标，建立多目标优化模型并展开研究。最后，分析多目标优化得到的Pareto解集，优选目标邮轮的初始尺度。 结果 基于遗传算法实现的优化程序，在某中型邮轮初步设计阶段进行了工程实践应用，为该邮轮提供了合理的初始尺度。 结论 简化的多目标优化模型为中型邮轮初步设计阶段主尺度决策提供了一种解决方案；多目标优化得到的Pareto集，不同解针对邮轮阻力、稳性等不同的技术性能指标有不同的侧重点，工程中可根据设计需求选择适用解。
2023, 18(2): 227-234.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02559
摘要:
目的 针对推进轴系一阶纵向振动控制难题，采用碟簧负刚度动力吸振器进行振动控制并进行试验验证。 方法 建立推进轴系纵向振动负刚度动力吸振器试验台架，根据所需控制的轴系一阶纵振模态，设计并研制负刚度动力吸振推力轴承，然后开展不同转速、不同静推力、不同负刚度下的振动传递试验，从而获得推力轴承基座和轴系上的振动加速度响应数据。 结果 结果显示，所研制的负刚度动力吸振推力轴承能以1.6%的吸振器质量使轴承座上一阶纵振轴系的振动响应下降7.8 dB；在轴系固有频率变化5%、静推力变化40%的情况下，负刚度动力吸振器仍能保证3.3 dB的控制效果；在非最优负刚度下，不会恶化轴系和轴承座的振动响应。 结论 研究表明负刚度动力吸振可有效抑制不同转速下轴系一阶纵振处的振动传递。
2023, 18(2): 235-242, 250.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02539
摘要:
目的 针对传统的船舶推进轴系确定性振动分析存在安全性与可靠性不足的问题，开展轴系在不确定性激励下的振动响应分析。 方法 采用基于非概率凸模型过程的非随机振动分析方法，以区间上下界的形式描述不确定性激励和振动响应，降低对大量激励样本数据的依赖。与相关文献的计算结果对比，验证所编求解二自由度系统响应边界程序的正确性，并基于在此，探究轴系的不确定振动问题。 结果 当轴系受到螺旋桨[−30 N，30 N]的横向激励力激励时，在轴承处产生了量级约为10−6 m的位移响应，表明轴系受到某一区间的激励，则必会产生某一区间的响应。 结论 将基于非概率凸模型过程的非随机振动分析方法应用于船舶推进轴系不确定性振动分析领域，可求得轴系受到不确定性激励时的振动位移响应边界，并可在激励样本较少的情况下为提高轴系系统动态响应预测的稳健性提供有益参考。
2023, 18(2): 243-250.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02662
摘要:
目的 针对计入螺旋桨水动力的舰船轴系校中计算，传统方法通常容易忽略船体伴流场的影响，使得螺旋桨水动力计算的结果与真实值之间存在较大偏差，从而导致轴系校中精度下降。 方法 以某舰船长轴系为对象，建立桨−轴−船一体化有限元模型及其伴流场流域模型，利用CFD数值仿真的叠模方法计算螺旋桨水动力；采用流固耦合法将流体计算结果作用于螺旋桨表面，进行轴系校中计算，并得到螺旋桨水动力对轴系整体挠曲线及各轴承状态参数的影响规律。在此基础上，引入多目标优化算法开展轴系多目标优化校中，来解决轴系末端四套轴承间载荷差值过大的问题。 结果 考虑螺旋桨水动力后，轴系尾部挠度变化减小，越靠近螺旋桨处的轴承其载荷所受影响越大，载荷值随进速系数的增大而减小；对比多目标优化前后的轴系校中状态，轴系各轴承之间的载荷差值明显减小，轴系运行状态得到改善。 结论 所提方法提高了计入螺旋桨水动力的轴系校中计算精度，可为轴系校中质量的提升提供参考。
2023, 18(2): 251-259.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02714
摘要:
目的 为了更好地分析和解决舰船电力系统故障重构问题，并建立以负载失电量、开关操作次数为优化目标的舰船电力系统故障重构模型，提出一种改进灰狼优化算法来对其求解。 方法 针对灰狼优化算法的不足，首先加入Tent混沌映射；其次，用余弦函数改进收敛因子，使收敛因子初期维持较大的值缓慢减小，后期提高衰减速率；然后，加入非支配排序和拥挤度计算改进决策狼选择策略；最后，将灰狼个体进行离散化处理，使其可用于舰船电力系统故障重构问题。 结果 舰船电力系统网络故障重构算例表明，在负载和发电机故障这两种情况下，所提方法得到的Pareto解集中负载失电量、重构开关操作次数与改进差分进化算法、改进粒子群算法及改进遗传算法相比均较小，并在最佳迭代次数即寻优速度上具有一定的优势。 结论 所提方法能获得更好的系统重构方案，可克服传统灰狼优化算法收敛速度慢、初始化种群多样性较差、容易陷入局部最优等问题，更好地保证舰船安全稳定的运行。
2023, 18(2): 260-270.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02446
摘要:
目的 为了满足船舶与水下航行器等对电子器件高效热管理的需求，开展波纹壁树状微通道圆盘热沉的构形设计研究。 方法 提出波纹壁树状微通道圆盘热沉的设计原型，基于构形理论，在给定热沉体积和液冷微通道体积的约束条件下，以综合考虑传热和流动压降的复合性能指标（PEC）最大化为目标，对波纹壁的振幅和波长进行构形设计。 结果 结果表明：与直通道热沉相比，波纹壁能增大换热表面积，且凹穴处能够产生涡，因而能够有效降低最高温度。当入口雷诺数为700，900或1100，增大波纹壁的振幅时，热沉最高温度降低了13.5 K，但是压降损失明显增大；减小波纹壁的波长，热沉最高温度降低了4.7 K，压降损失增幅较小；在给定波长较大时，均存在最优振幅使复合性能指标取得极大值；在给定波长较小时，随着振幅的增加，复合性能指标单调递增。 结论 波纹壁能够显著提升树状微通道圆盘热沉的传热性能。通过构形设计能够获得复合性能最佳的最优几何结构。
