0 引　言

易损性是系统的一种特性，这种特性导致系统功能降级或者运行能力降低，常与装备易感性、可靠性、修复性、生命力等特性进行关联研究。国外易损性与武器威力分析（简称V/L分析）主要研究武器弹药的毁伤机理与装备的抗毁特性，该特性广泛应用于军事、民用和工业领域，涵盖军事装备、建筑物、基础设施、交通运输、能源设施、通信网络^[1]等各种类型。舰艇易损性研究通常将物理模型、仿真技术和现场数据融合，考虑舰艇的结构特性、材料属性、防御措施等因素，模拟不同威胁和攻击情景下的响应和损伤情况。易损性研究逐步向体系、实景方向发展，不仅考虑单个装备的易损性，还关注舰艇与周围环境、其他装备间相互作用和影响。同时，试验和仿真数据驱动的统计分析和机器学习技术的广泛应用，也将会逐步提高模型的准确性和预测能力。

舰艇易损性研究复杂且具有挑战性，可以理解为易损性分析、建模和评估等方面，影响其发展的主要因素包括：

1）舰艇易损性分析包括舰艇结构功能组成、结构和材料特性分析，攻击武器类型、攻击角度、攻击能量分析，防护部位和损管措施设计分析等，主要获取目标易损性数据，包括舰艇的结构、材料、强度和防护措施等，结合历史经验信息和同类型试验测试数据等支撑易损性建模和评估。

2）舰艇易损性模型构建涉及目标几何模型、计算模型、弹目交会效应、毁伤树、毁伤等级等，主要是分析集成易损性数据，关联耦合成可用于评估的模型，其中最为复杂的是多物理场的弹目交会效应分析和功能损伤结果判定，涉及故障模式分析、结构力学、材料学、热力学、流体动力学、计算机等。

3）舰艇易损性评估通常需要模拟真实的战斗场景和攻击情况，涉及目标实际复杂生存环境、爆炸效应和攻击模式等，目前主要依赖于计算机仿真和数值模型，仿真模型的准确性、局限性和假设条件有待进一步验证。舰艇易损性评估需要任务需求、作战环境、敌对威胁等，对功能毁伤的要求可能是实时动态变化的。图1为舰艇易损性的一种动态表征。

“二战”以来，国外相关研究机构综合运用了工程学、物理学、数学建模和计算机仿真等多学科的知识和技术，将装备设计数据和实际使用经验信息进行融合，开展校核和验证工作，在一定程度上确保了易损性分析的准确性和可信性^{[3 − 5]}。以下主要总结其组织机构、方法技术、工具手段、发展趋势等方面内容，了解其如何支撑装备设计和武器弹药效能发挥。

1 北约国家易损性研究的组织机构和标准规范研究

美国联合出版物（JP 3-07.2等）、军标（MIL-STD-1629、2072等）约定国防部各司令部及下属单位的易损性评价（评估）工作，是可分析建筑、实体、演习、港口、船舶、住所、设施或其他场所在受到袭击时，能够抵御、降低或抑制威胁能力的研究^[6]。

美国海军易损性、毁伤效能评估执行及管理工作涉及多个部门和机构，协作制定政策、规范和标准，提供技术支持和咨询，监督和指导易损性评估和防护工作开展，图2为负责海军易损性、毁伤效能评估的主要部门或者机构。

此外，北约制定了系列指导文件和标准（见图3），包括评估手册、设计规范和评估方法等，包括具体工作流程和标准化要求；成立专门的机构和研究团队，负责项目的规划、资源分配、合同管理、质量控制，确保评估结果的准确性和可靠性；对数据收集、分析方法、模型建立和验证等方面的审核和审查，以保证研究质量；开展易损性研究国际合作（联合演习等），参与标准和指南的制定。比如，NATO STANAG 4748是北约发布用于易损性研究的标准，提包括标准化的框架和分析评估方法，支持舰艇几何描述特征、材料特性和力学参数分析、损伤模式和损伤参数分析、损伤后果和生存能力评估、数据规范集成和接口互通 ^{[7 − 8]}。

以上标准和手册作为易损性分析的指导和参考，是国防部门和国际组织发布的权威文件，有助于研究人员在舰艇易损性领域进行数据交换、共享经验和结果验证。

2 国外易损性的主要研究方法

易损性研究是一个复杂的过程，涉及多项技术和方法，图4为一些常见的易损性研究技术和方法。

这些步骤可以根据具体的易损性分析需求和建模的实际情况进行调整和扩展，综合运用工程分析、计算机模拟、试验和经验等方法评估舰艇易损性。

2.1 数字模型构建方法

舰艇数字模型构建是将情报数据融合、集成、清晰展示的有效载体。一种是通过目标识别迅速构建三维模型；另一种是通过长期情报积累，将目标模型构建存储，形成目标库。

1）识别舰艇的特征和属性，确定具体舰种和舰型，包括：

雷达和光学识别、无人机和卫星图像识别、数据库和模式识别（基于情报积累，利用舰艇数据库和模式识别技术将观察到的舰艇特征与已知舰艇类型进行比对和匹配，通过建立舰艇特征数据库和开发识别算法来实现）。此外，结合智能算法和和机器学习模型，反推目标结构和功能构成，进一步提升舰艇目标识别和模型构建能力。

2）根据舰艇信息，构建不同颗粒度的几何模型

针对不同需求开展的不同维度、不同颗粒度的装备模型研究，构建可用于清晰反映装备特性的二维、三维数字模型，如图5所示。基于装备类型、多渠道资料，分别构建可用于理论分析和快速计算的工程计算模型，构建可用于全面、真实反应装备物理力学特性信息的有限元仿真模型等，颗粒度涵盖设备、结构、整船。以CAD软件为主，包括3Dmax软件建模，逐步向有限元模型转变，比如Abaqus、Foran、Ansys、Catia、LS-Dyan、Hypermesh、Solidworks等有限元工具软件。通过上述工具可将目标模型进行几何信息、性能属性进行加载，赋予舰艇结构属性用于毁伤效应分析。

2.2 结构功能分解与功能毁伤逻辑建立方法

一般采用WBS工作分解、FMEA、风险矩阵等方法获取对于舰艇结构功能映射关系，主要是舰艇结构、作战功能、动力功能、电力功能等，如图6所示^[2]。

美军标（MIL-STD-1629）中的DMEA方法可评估舰艇系统和结构的损伤模式和影响，并结合FTA方法给出故障逻辑表征（简称为毁伤树或者杀伤树）：

1）识别和确定影响舰艇功能的各种损伤模式，包括舰体结构的受损、火灾、水上进水、爆炸冲击等。

2）评估损伤模式对舰艇性能和功能的影响，包括结构强度的降低、稳定性的减弱、系统故障、功能丧失等。

3）确定可能影响损伤模式和后果的因素，包括外部环境条件、作战情景、攻击威胁、舰艇设计和材料特性等。

4）通过建立逻辑关系（与或非门）进行系统功能的失效传递表征，比如舰船动力、电力、作战系统等的功能毁伤树。

5）根据识别的损伤模式和后果，采用最小割集、概率重要度等对其进行优先级排序，提出对关重结构和部件的加固、材料改进、灾害控制系统改进、定期检查和维护等措施，以减轻毁伤影响。

2.3 毁伤准则建立方法

毁伤准则是根据试验数据、经验和工程知识等，用于评估装备在受到攻击后的结构、设备损伤程度的度量（函数），对于破片、冲击波、水下冲击、燃烧等不同毁伤元，毁伤准则的表征是不同的。毁伤准则参考值则提供了用于描述和量化损伤特征的具体阈值，包括结构破坏程度、功能损失程度、系统和设备的失效数量、材料的破坏比例、燃烧面积等^{[9 − 10]}。一般采用以下方法：

1）试验研究。通过设计实船（在役航母、驱逐舰）、靶船（退役补给舰、运输船）、模拟靶（等效简化模拟靶）等，开展海、湖和陆地各类试验（冲击试验、沉毁试验等），识别并获取实弹打击效果，对不同类型的装备在受到攻击后的损伤结果进行观察和实际响应开展测量，包括靶标的沉浮特性、材料的破坏特性、结构的强度和失效模式、系统和设备的功能失效情况等，获取原始、完整的基础数据，用于建立和验证毁伤准则。目前该方法是准则研究优先选取而且投入相对最多的手段。

2）数值模拟。数值模拟是一种重要的毁伤准则研究技术，用计算机模拟和预测装备在受到攻击后的毁伤情况，包括使用有限元分析、爆炸效应模拟、结构损伤模型等进行模拟分析，对弹目交会效应进行建模和分析，构建毁伤效应过程模型，预测损伤特征和损伤程度。

3）专家经验和专家系统。专家经验是毁伤准则研究中的重要资源，领域专家通过长期从事相关研究的实践和经验积累了对毁伤特征和程度的清晰认识，这些经验可以通过专家系统的开发和应用进行传递和利用。

4）数据分析和统计方法。用于处理和解释试验数据、历史数据和模拟结果，通过分析大量数据发现损伤模式、参数之间的关联性和影响因素，从而辅助构建毁伤准则的改进和深化研究。

2.4 毁伤等级确定方法

结合舰艇类型和武器作用效果，可从结构和功能层面分别考虑毁伤的等级，一种是通过毁伤准则参考值判别结构损伤等级；另一种是从结构和设备损伤判别目标功能损伤等级（完全破坏、严重损坏、部分损坏和轻微损坏，重度损伤、中度损伤、轻度损伤、功能降级，或者机动能力丧失、作战能力丧失等）^[11]，比如：

1）损伤面积或面积比例。通过测量损伤区域的面积并与目标总体积或面积进行比较量化结构破坏程度，常用于表面损伤的评估，如舰艇外壳板的凹陷、裂纹或腐蚀等。

2）损伤体积或体积比例。通过测量损伤区域的体积与目标总体积的比例量化破坏程度，常用于内部结构损伤的评估，如舱室、甲板、隔舱等。

3）损伤长度或裂纹长度。对于裂纹或划痕等线性损伤，可测量其长度来量化结构破坏程度。这通常适用于金属结构的评估，例如船体结构的裂纹或疲劳损伤。

4）损伤指数或评分系统。将结构破坏程度转化为具体的数值评分，将不同类型和程度的损伤赋予权重和评分，从而量化破坏程度。根据损伤的位置、面积、深度和类型等因素，综合专家系统评价损伤指数。

但是，舰艇的沉没现象是多个因素和多点损伤的累积造成的，比如损伤位置、损伤形状和大小、损伤与关重结构的关系、损管和应急措施，而不是单一的损伤面积或面积比例。因此，毁伤程度的判别需要舰艇专业工程设计人员和领域专家进行综合判别，比如表1为北约积累的战舰沉毁依据^{[2, 9]}。

基于上述研究方法，结合对类似舰艇和攻击情景的理解，用各类易损性和毁伤评估软件工具对舰艇的易损性和毁伤效能进行评估：包括结构强度分析、弹性波分析、爆炸破片侵彻等效应分析、舱壁破口和进水分析、系统和舰艇功能毁伤分析。进而使用功能毁伤树，分析舰载武器系统、通信设备、动力系统、舱室和舰桥等功能余度，基于舰艇功能部件失效数量、失效范围、修复难度和各项能力降级情况，结合专家系统和权重分析，支撑毁伤效能评估。

2.5 国外易损性研究工具

易损性研究工具用于分析、模拟和评估舰艇在战斗中受到攻击后的损伤情况，得到各国高度重视，比如美国的ARL和BRL、荷兰的TNO等多个试验研究机构和国防企业联合提出了易损性分析的数学框架，开发了SURMA、SURVICE、HSSS、ASPA、VAREA、COVART、AST、MUVES、PROGRESS、RESIST、TARVAC等建模工具和代码；英、澳、加、法、德、挪威等国开发了SURVIVE、PREVENT、XVAM、GVAM、SLAMS、MINERVE、REMOS、SAVIUS等易损性模型或者软件工具（见图7）。美国整合了基于物理和结构模型，考虑攻击要素（如弹药类型、命中位置）和舰艇抗击打能力，可预测损伤程度的联合弹药效能手册（JMEM），这是一套标准化的数据、工具、模型和软件。

一些常用的软件工具和方法如图8所示。

资料显示SURMA主要模块包括易损性管理、爆炸分析、水下冲击分析、弹道防护设计、生命力设计、火灾和烟雾模拟、目标特征管理和设计（RCS分析、IR分析）等。

易损性功能中的SURMA AIREX，用于分析破片、空气爆炸和冲击波造成的损坏。例如，破片飞散考虑了多层板架的穿孔、多角度的入射角和潜在遮挡物（比如大型机械）因素；考虑冲击波及其反射、准静态压力及其对相邻通道影响，可准确计算各类冲击波效应；开展系统功能故障分析；使用基于时域的单自由度模型分析爆炸时的结构响应，包括弯曲、梁横截面的应变率变化；单次爆炸分析仅需数秒钟，可在不到一个小时内对数百或数千次爆炸进行不同工况的快速易损性评估，如图9所示。

SURMA UNDEX模块考虑了冲击波对船体板的损坏、以及气泡脉动的鞭状效应。船体外板损伤是使用基于时域的单自由度模型，考虑初始冲击波的局部空化效应。在研究气泡脉动鞭状效应时可在数分钟内创建船体梁模型，单次爆炸分析时间以秒为单位，如图10所示。此外，SURMA REPORT采用易损性分析和仿真研究获取舰艇结构的薄弱部位。

3 易损性研究发展趋势 3.1 研究经验方法总结

国外易损性研究的经验方法可以理解为：

1）快速计算和有限元工具充分应用。可快速使用有限元分析和其他数值仿真技术，模拟和分析舰艇结构在受到不同类型攻击时的应力分布、变形和损伤情况。

2）战斗损伤评估和修复方法研究。充分考虑舰艇在战斗中受损后的修复速度和能力，研究损伤控制技术、火灾控制系统和修复设备，提供更快、更有效的损伤修复方法和技术。

3）重点易损性部位科学评估。研究武器弹药存储结构的防护和防火性能，以及存储区域与其他舰艇系统之间的相互作用，减少火灾、殉爆的可能。

4）充分开展试验验证、模拟仿真作为补充。重视建设各类试验场地，包括试验场、结构动力学实验室、火灾和爆炸实验室、电磁环境模拟实验室等，用于验证和验证研究成果，提供更准确的数据和结果。

5）充分掌握多类目标易损性研究方法。除了舰艇，关注基础设施和设备和虚拟网络的易损性，包括港口设施、基地、网络、燃料、弹药存储设施和有生力量等。

6）模型构建和仿真技术成熟。广泛使用各类模型和仿真软件模拟威胁和攻击场景，预测装备的损伤和破坏程度，进行广泛的试验评估，以科学改进舰艇的抗击毁设计和生存设计。

7）多机构、多学科、多领域创新合作。军地重视在规范的框架下开展跨学科合作，包括物理学、工程学、材料学、计算机等多个领域的专家和研究人员的参与到易损研究中。

3.2 技术发展趋势

在兼顾简化建模、快速评估的基础上，注重有限元分析、逼真场景下的易损性评估，反向促进舰艇体系生命力设计和提升。

1）结构强度分析。基于结构设计、材料属性和载荷分析，使用有限元分析、随机模拟等工具来精准预测结构在受到外力（冲击波、压力波、破片和燃烧等）作用时的应力和变形情况，以有效判断多层甲板、舱壁结构的抗打击能力和易损性。

2）战斗损伤评估。使用高效模拟软件和逼真物理模型进行弹药命中、爆炸和火灾等事件仿真，预测舰艇在战斗中受到攻击后的损伤情况，包括预测损伤的类型、位置和程度，识别潜在薄弱部位和关键防护区域。

3）作战能力评估。考虑在实战环境中易损性如何影响舰艇的综合能力，如何影响舰艇的防御能力、对抗攻击能力、生存能力和修复能力的持续提升。

4）舰载动力、武器和弹药库评估。舰艇上的动力、武器和弹药库是易受攻击的目标，综合分析相关结构的防护和防火性能以及对其他舰艇结构和系统的影响，有助于研判存储区域的关联设计、安全和防护设计。

5）融合考虑有生力量的体系评估。分析舰艇的逃生系统、火灾控制和医疗设施，以及舰员的训练和装备，评估舰员在战斗中环境下的易损性和应对战斗损伤环境的能力。

3.3 研究启示

舰艇易损性和舰艇生命力之间存在密切的关系，通过易损性研究可以促进：

1）重视结构设计和抗击打能力设计。舰艇的结构设计和抗击打能力直接影响易损性和生命力，可通过先进评估模型、工具方法和试验验证手段科学提高舰艇生命力，比如易损部位的结构、材料、防护装甲强化设计可以降低舰艇的易损性。

2）注重损伤控制和修复能力研究。舰艇的损伤控制和修复能力对提高生命力至关重要，快速有效的损伤控制措施、配置合理的火灾控制系统和修复设备、及时有效的应急处置能力可以使舰艇在受损后视情进行舰员级维修，通常可保持其战斗能力、提高可用性。

3）加强防御系统和攻击能力设计。提升防空武器系统、反导系统和干扰系统等防御系统和舰载攻击武器系统的任务可靠性，可以减少舰艇受到攻击的概率，从防御角度提升舰艇生命力。

4）增强作战部署和战术使用研究。合理的作战部署、隐蔽战术选择和可以降低舰艇被探测和识别的概率，减少易感性和易损性，提高在作战体系中的生存能力和贡献率。

4 结　语

国外舰艇易损性更加注重装备设计时的易损性研究，综合考虑结构设计、装备布置、防御措施等要素设计要素以减少舰艇作战时的易损性；同时，舰艇设计人员和装备使用人员还用增强结构强度、提升防御系统、加强舰载武器储存安全、提高自动化系统的可靠性、持续维护和损管等设计和使用维护手段降低易损性。此外，在组织管理上，重视舰艇的生命力设计和易损性的规范化管理和预测；结合舰艇的作战部署和战术使用，科学评估在真实场景下舰艇受到攻击后的损伤概率，保障舰员安全和舰艇作战能力的持续性是一项长期坚持的技术研究和工程问题。