0 引　言

在现代海战日益复杂的背景下，船舶面临着鱼雷、导弹和水雷等多种水下武器的严重威胁，这些武器不论是直接命中导致的接触爆炸，还是非接触的水下爆炸，都会产生巨大的冲击载荷，对船舶设备的结构和功能造成严重的破坏，进而削弱其作战效能和生存能力^[1]。因此，船舶设备的抗冲击性能已成为衡量其生命力的关键指标之一，确保并提高船舶设备的抗冲击能力在装备研制时至关重要^[2]。

在船舶设备研发过程中进行抗冲击性能评估有助于了解设备在冲击载荷下的响应和性能变化，从而为设计改进提供依据。目前，抗冲击评估通常需要借助CAE（Computer Aided Engineering）软件完成^[3]，例如有限元分析软件Abaqus、Nastran和Ansys中的响应谱分析模块^{[4, 5]}等，这些软件在国际市场上占据了明显的主导地位。同时，国内目前尚无成熟的抗冲击评估软件，不仅前后处理的功能不够全面稳定，并且求解精度与国际先进水平存在一定差距，无法代替进口软件。这种高度对外依赖的状态，一旦面临技术封锁，将会给船舶装备研制带来极大的风险和挑战^[6]。

为了突破这一技术瓶颈，本文设计并研发了一款船舶设备抗冲击评估系统，以实现抗冲击评估的自主可控，满足国内船舶行业的发展需求。该系统依托于笔者所在单位自主研发的海洋结构分析软件SAM进行深度开发^[7]，在继承SAM软件通用功能模块的基础上，进一步研发了船舶设备抗冲击评估系统专用的前后处理模块和核心计算模块。最终实现的系统能够精确模拟和预测设备在冲击载荷下的响应和性能变化，为船舶的设计、制造和维护提供有力的技术支持，为我国海洋装备的研制提供坚实保障。

1 船舶设备抗冲击评估系统总体设计

本文设计研发的船舶设备抗冲击评估系统总体框架如图1所示。该系统依托于中国船舶科学研究中心研发的海洋结构分析通用软件SAM进行开发，进一步融合了抗冲击评估系统前后处理模块和核心计算模块两大部分。首先采用SAM软件的通用前处理系统读取模型信息，并导入核心数据结构进行有限元分析，然后通过写接口将计算结果导出为HDF5文件作为抗冲击评估系统的输入。

本文系统通过二次开发接口集成至SAM软件，根据动态设计分析方法DDAM的计算流程，设计了用户友好的人机交互界面和高效的前后处理模块，读取SAM导出的HDF5文件进行模态信息显示，并支持用户自定义谱曲线，进而创建谱分析任务进行抗冲击评估求解计算。核心计算模块采用基于DDAM的设备抗冲击密集模态分析方法，该方法考虑了冲击中的阻尼效应，能够对密集模态进行合并，从而确保评估结果的准确性和可靠性。

2 船舶设备抗冲击评估系统模块实现

本节分别对船舶设备抗冲击评估系统依托的基础平台SAM、系统专用的前后处理模块和核心计算模块进行介绍。

2.1 海洋结构分析通用软件SAM

基于多年的测试评估数据积累和工业软件开发基础，中国船舶科学研究中心成功研发了一款兼具高精度、全面性和可靠性的海洋结构分析通用软件SAM。这款软件集成了有限元分析中常用的单元、材料、载荷和分析类型等组件，专为解决海洋装备研发制造中存在的结构完整性问题而设计，性能与商业软件相当，能够为行业提供坚实的技术支持。

本文设计研发的船舶设备抗冲击评估系统延用SAM软件v2024版本的读写接口、核心数据结构、网格划分、模型显示与人机交互等通用功能模块，并通过SAM提供的C++二次开发接口对抗冲击评估系统的专用前后处理模块和核心计算模块进行集成。

1）读写接口

SAM软件的读接口能够实现INP、IGES、BDF等常用CAE格式文件的自动读取，并通过多线程技术快速读入模型文件并保存至核心数据结构，从而高效读取模型的特性数据。数据写出时，SAM将每个类型的特性数据分别转化为字节流，写入HDF5文件供后续设备抗冲击评估系统调用读取。

2）核心数据结构

核心数据结构用于存储读接口读入的特性数据，便于其他功能模块进行使用。SAM v2024版本采用改进链式哈希表设计作为核心数据结构的实现方式^[8]，该方法结合了开地址哈希表和链式哈希表的优势，在没有发生哈希冲突时，通过开地址哈希表机制实现数据的快速访问；一旦遇到冲突，则采用链式哈希表存储策略，从而有效避免数据堆积等潜在问题。

3）网格划分

SAM v2024版本采用改进AFT算法进行网格划分^[9]，该算法能够智能地自动化生成模型大部分区域的四边形网格，并采用拉普拉斯修匀法对网格进行优化，利用线性插值法将网格进一步迭代细化，从而提高后续设备抗冲击评估的求解精度。

4）模型显示与人机交互

SAM软件通过调用Qt框架对模型显示与人机交互模块进行设计和开发。Qt框架通过OpenGL库来对图形进行渲染，从而加速图形加载，目前SAM v2024版本的人机交互主界面和模型显示示例如图2所示。此外，Qt框架可以在Windows、Linux等工业软件常用的操作系统上稳定运行^[10]，有利于软件的跨平台移植。

5）二次开发接口

SAM v2024版本提供了一套开发环境，供开发人员访问核心数据及调用各种接口，开发人员可以使用cmake工具管理工程，根据cmakelist快速构建工程和配置开发环境。设备抗冲击评估系统的前后处理模块和核心计算模块通过以上C++二次开发接口集成至SAM软件，集成后的评估系统按照图2中标记的序号进行打开，将Module选择为ExplosionShock后点击主菜单栏上的DDAM按钮，即可弹出右侧的界面树进行前后处理和求解计算。

2.2 船舶设备抗冲击评估系统前后处理模块实现

船舶设备抗冲击评估系统的前后处理模块按照动态设计分析方法DDAM的计算流程进行设计，分为模态信息、创建谱曲线、管理谱曲线、创建谱分析任务、管理谱分析任务、谱分析结果6个子模块，其具体功能如下：

1）模态信息。加载SAM软件有限元模型模态计算输出的结果文件，解析有限元模型模态响应对应的结点位移、速度、加速度、积分点的模态应力等数据，解析模态频率、模态质量和参与因子等数据，并进行显示。

2）创建谱曲线。响应谱分析法建立在响应谱曲线的基础之上，因此该子模块作为DDAM计算的前置步骤，用于自定义并生成DDAM所需要的输入谱，对应的界面和数据流图如图3所示，数据流图中左侧的虚线框为子模块的输入，右侧虚线框为子模块的输出。首先输入谱曲线名称、模型总质量，然后选择平台类型、安装设备部位、变形假设以及冲击方向，进而根据输入的参数更新模态频率、加速度、模态有效质量并进行界面显示，最后生成、保存并绘制不同有效质量的谱曲线。

为了便于后续谱曲线的管理，本系统通过xml文件保存谱曲线信息。该xml文件与模型文件一一对应，若模型首次导入，则xml文件伴随界面的首次打开而创建，并按照规定格式保存谱曲线的信息，文件在系统关闭后仍然存在；若模型之前创建过谱曲线，则打开对应的xml文件，点击“更新”或者“生成谱曲线”按钮后更新xml文件。

3）管理谱曲线。该子模块用于添加或删除谱曲线，对已有谱曲线的信息进行编辑修改。

4）创建谱分析任务。该子模块的主要功能是根据用户需求创建对应的计算工况，对应的界面和数据流图如图4所示。用户可以手动或自动选择需要分析计算的模态，可以选择考虑密集模态（DDAM-CSM选项）与不考虑密集模态（DDAM选项）2种动态设计分析方式，同时根据需求设定激励方式、模态响应组合方式、谱曲线，输入方向余弦、比例因子、输入最小模态重量、最小累积模态重量、阻尼、截止频率等相应的计算参数，进行船舶设备抗冲击评估求解计算。

谱分析任务的信息同样通过xml文件进行保存，计算输出的位移、速度、加速度和应力结果以HDF5文件的形式输出。

5）管理谱分析任务。该子模块用于添加或删除谱分析任务，编辑已有谱分析任务。

6）谱分析结果。选择谱分析任务，选择结果分量：位移/速度/加速度/应力，选择结果类型，绘制对应云图。

2.3 船舶设备抗冲击评估系统核心计算模块实现

设备抗冲击评估的常用求解算法有模态叠加法、瞬态有限元法、冲击响应谱方法^[11]和动态设计分析方法DDAM^[12]等，其中动态设计分析方法是美国海军实验室特别制定的一种频谱分析方法，专门用于船舶设备的抗冲击性能评估，该方法能够依据船舶设备所在平台类型、设备的重量以及安装位置、变形假设、冲击方向等作用条件，对冲击环境进行精确定义^[13]。DDAM在船舶设备抗冲击分析中展现出了显著的优势，如计算效率高、资源需求低以及模型处理便捷等，因而成为众多国家在船舶设备抗冲击设计和评估中的首选方法^[14]。

本系统同样采用动态设计分析方法DDAM作为基础求解方法，并进一步考虑密集模态的影响，提出了一种基于DDAM的设备抗冲击密集模态分析方法作为抗冲击评估系统的核心计算模块，具体的计算流程如图5所示。首先进行模态分析，根据美国海军NAVSEA 0908-LP-000-3010, Rev.1报告对模态进行选取，根据GJB1060.1-91^[15]计算设计谱值。然后判断模型是否存在密集模态，即2个模态的频率与其平均值的差是否在10%范围内。当密集模态的模态质量相当大，大约是同样数量级并且反相位180°时，密集模态的影响将无法忽略。

若不存在密集模态，则直接对各阶模态进行响应谱分析得到相应的响应。模态系数$ {q_i} $用于表征第i阶振型的响应幅值，借助模态系数$ {q_i} $，可通过式(1)计算第i阶模态真实响应的大小，k方向激励所引发第i阶振型（其阻尼比为$ \zeta _i^{} $，固有频率为$ \omega _i^{} $）的峰值响应表示为$ (R_i^n)_k^{\max } $：

$ (R_i^n)_k^{\max } = \varPhi _i^n \times (q_i^{\max })_k^{}。$

(1)

式中：n为位移、应力及内力等物理量；$ \varPhi _i^n $为第n类物理量对应的第i阶振型。

若存在密集模态，则用i、j定义两阶相邻的密集模态，单独对i模态进行响应谱分析，得到计算结果$ {R_i} $，单独对j模态进行响应谱分析，得到计算结果$ {R_j} $；然后根据修订的NAVSEA 0908-LP-000-3010, Rev.1报告中规定的2个密集模态的分析方法对结果$ {R_i} $、$ {R_j} $进行加工处理，得到密集模态合并后的结果$ R_i^{'} $，将结果$ R_i^{'} $替代原计算文件中的结果$ {R_i} $、$ {R_j} $。

响应谱分析计算每一阶振型在结构中的最大位移和最大应力响应，从而得到系统各阶振型的峰值响应，但是如何由振型响应组合得到总体响应存在一定的分歧。因此，本文研发的设备抗冲击评估系统支持多种常用的模态结果组合方式，包括美国海军研究实验室（Naval Research Laboratory，NRL）绝对值求和法（Absolute Summation Method，ABS）、平方和之平方根法（Square Root of the Sum of the Squares，SRSS）、完全二次项组合方法（Complete Quadratic Combination，CQC）以及TENP方法，用户可根据实际需求自行选择。

3 软件应用

采用某水面舰上的柜体设备作为典型算例，展示本文构建的船舶设备抗冲击评估系统的实际应用效果。该柜体设备抗冲击等级为A，安装在船体主甲板上，属乙类设备；通过减震器与基座连接，属弹性安装条件；冲击后不允许产生永久变形，属弹性设计。该柜体设备在Abaqus软件中的有限元模型显示效果如图6所示，模型中包含C3D4、S4、S3单元类型，含有壳、体属性。

本文抗冲击评估系统的功能性测试结果如表1所示，测试动作“导入柜体模型”的显示结果如图2所示，测试动作“创建载荷谱曲线”和“设定计算工况”的界面设置分别如图3(a)和图4(a)所示。经柜体模型测试证明，系统各项测试动作的实际结果均符合预期，即本文研发的抗冲击评估系统能够精确高效地完成船舶设备模型的导入、模态分析结果的显示、工况设定以及求解计算，并对计算结果进行显示。

进一步对比柜体模型的载荷谱曲线，结果如表2所示。在创建谱分析任务时自动选择模态，表中分析频率对应的模态质量占比均大于1%，对应的模块输出值和理论计算值的偏差均<0.1%，符合预期结果。

本系统的后处理效果和商用CAE软件Abaqus的对比结果如图7所示，两者的位移计算结果分布相同，图7(a)中本系统计算出的位移响应峰值为2.745×10⁻⁴，Abaqus计算出的位移响应峰值为2.758×10⁻⁴，两者的偏差小于0.1%，符合预期要求。

4 结　语

本文设计并实现了一款基于动态设计分析方法DDAM的船舶设备抗冲击评估系统。该系统依托于海洋结构分析软件SAM进行开发，继承SAM软件的读写接口、核心数据结构、网格划分、模型显示与人机交互等通用功能模块，并通过二次开发接口对抗冲击评估系统的专用前后处理模块和核心计算模块进行集成。前后处理模块按照DDAM的计算流程设计谱曲线、谱分析的设置流程和界面，可进行工况设定并调用计算；核心计算模块采用本文提出的一种基于DDAM的设备抗冲击密集模态分析方法，能够对密集模态进行合并，从而确保评估结果的准确性和可靠性。典型算例的测试结果表明，本文研发的系统能够精确高效地完成模型的导入显示、前后处理以及求解计算，系统输出的载荷谱曲线和理论计算值的偏差<0.1%，计算出的响应峰值与Abaqus计算出的响应峰值误差小于0.1%，均符合预期要求，能够实现抗冲击评估的自主可控，满足国内船舶行业的发展需求。