目前军用舰艇爆震设计之研究

军用舰艇爆震设计之研究

提要：军用舰艇与一般舰艇最大不同为军舰执行作战任务时，均处在爆震环境之下，舰艇所遭遇之威胁，包括飞弹、鱼雷、水雷、火炮等等，导致的效果为火灾、泛水、结构破坏、激震、爆炸及冲击等；因此爆震设计对军舰而言，其重要性不言可喻。本文将针对军用舰艇所承受之爆震负荷、验核标准、舰艇抗爆震设计方法、引用之军规及舰艇爆震实测等进行系统介绍及研究，整理所得之军舰爆震设计程序可提供作为军舰爆震设计之参考。

关键词: 爆震环境、爆震设计

壹、绪论

军用舰艇执行作战任务时，均处在爆震环境之下，所谓爆震环境(Shock Environment)，系指因「非接触性爆炸」、「接触性爆炸」或「核爆」造成周围介质产生快速位移、速度或加速度而与船体结构产生互动反应之环境，在此环境下所产生之爆震，为一瞬间产生之巨大作用力，并具有迅速衰减及短暂存在之特性，将造成船体结构或内部装备产生变形、损坏、疲乏或丧失功能[1]。

舰艇所遭遇之威胁，包括飞弹、鱼雷、水雷、火炮等等[2]（如图1所示），导致的效果为火灾、泛水、结构破坏、激震、爆炸及冲击等六类，若一艘巡防舰被一颗250公斤重、具延迟引信弹头之飞弹击中之后、使露点温度回升可能失去战斗力的机率为75%，失去动力的机率为22%，而有3%的机率会造成舰艇沉没[3]。

图1. 舰艇所遭遇之威胁示意图[2]

一般而言，船舰所遭遇之爆震源，系来自武器攻击或是由于操作不当所引致之船体碰撞，其所造成之破坏主要有两类：一为船体本身之破裂；一为船体内部装备损坏；由于船舰上之装备对爆震反应较船体本身更为敏感，故在相同爆震距离下，其受损程度亦较船体本身为高，因此船舰建造时，有关舰艇抗爆震能力之规范要求，一般系指船舰重要装备之抗爆震能力来进行要求，故军舰必须具备抵抗爆震的能力，以便在战场上存活；本文将针对舰艇所承受之爆震负荷、验核标准、舰艇抗爆震设计方法、引用之军规及舰艇爆震实测等进行系统介绍及研究，整理所得之军舰爆震设计程序可提供作为军舰爆震设计之参考。

贰、爆震负荷影响与验核标准

一、爆震负荷影响

爆震负荷为一巨大之作用力，此作用力作用的时间非常短暂，瞬间产生的运动和应力将造成船舰结构或装备的损坏，就舰艇而言，造成爆震力的来源，一般可分成空中及水中两大类：

水中：通常指鱼雷、水雷等在水下爆炸所产生的水压负荷。

空中：通常指飞弹、炮弹或核弹等，在空中爆炸所产生的空气压力负荷

上述两类爆震力之来源，在距离船体相同距离下，产生的爆炸强度相当，主要的差异为空中爆炸对船体造成之负荷方向以水平方向为主，水中爆炸对船体造成之负荷方向则以垂直方向为主[4]；当爆炸震波抵达船壳后，会经由船壳板、肋骨、甲板和隔舱板等结构传至机座和装备，此时船体结构有如一滤波器，离震波接触船体结构处愈远之位置，所受之爆震力也就愈小（如图2，图3所示），船体内之装备重量愈轻，瞬间反应愈强，所受之爆震力也愈大，加上受水面边界层及船型之影响，垂向爆震力较侧向爆震力来的大，侧向爆震力又较艏艉向来的大；因此舰艇遭受水下爆震攻击时，并非全舰装备均受到同等的爆震力，每一结构或装备所受之爆震力受下列因素影响[5]：

图2.美海军CRUSIER实船爆震测试船体反应图[5]

图3.美海军CG II (CHICAGO)实船爆震测试船体反应图[5]

1. 装备本身重量以及承载装备之机座重量。

2. 基座结构之劲度。

3. 是否安装避震设施。

4. 装备所安装的位置，如外板、甲板或隔舱壁。

5. 爆震作用方向，如水平、垂直或艏艉向。

二、爆震验核标准[5]

图4.美海军爆震设计值之设计曲线图[5]

现在的碳纤维复合材料工艺碳纤维废物和部件报废率高图F各参数定义示意图[5]

美军舰艇进行抗爆震设计时，其爆震要求在1950及1960年代系利用爆震设计值（Shock Design Value）（如图4、图5所示）来作为装备和机座的设计标准，在此标准下，军规装备的爆震能力约为商规标准的2倍。在1970年代之后，美军对于爆震值的验核标准，则是以「龙骨爆震因子」(Keel Shock Factor, KSF)作为验核标准，此KSF的定义为：

其中（如图5所示）：

W：TNT爆炸之炸药量（kg）

D：爆炸点至龙骨的距离(m)

q：爆炸点与舰艇构成的斜角

就水面舰艇而言，美海军采用KSF=0.3作为舰艇爆震标准[]，此相当于250公斤TNT炸药，在距离舰艇50公尺处，爆炸所产生的威力，约相当1000至10000倍重力加速度(g)，作用在船壳龙骨处。

经由一连串实船测试研究，水面舰艇可依结构、人员、装备等分成不同层次的耐震程度（如图6所示），其中以船体结构最高，其KSF约达0.8，相当于250公斤TNT炸药距船壳20公尺处爆炸之抗震能力，人员约为0.6，而非耐震装备约为0.1。

图6. 舰艇遭遇不同位置水下爆震之损伤示意图[5]

三、舰艇抗爆震设计方法

为了确保军舰上之结构物及重要装备能满足爆震要求，在船体结构设计阶段及建造阶段进行重要装备及系统安装时，均应进行抗爆震设计与分析，有关舰艇抗爆震设计与分析，可分为理论分析法与实验法两大类，依舰艇结构、重要装备及系统又可细分4类研究方法（详如图7所示），如后所述：

（一）理论设计及分析方法

1.舰艇结构

(1) 有限元素法：

如ABAQUS-USA，NASTRAN-USA，DYNA3D-USA，ADINA-USA，AUTODYN，DYTRAN等

(2) 瞬时冲击反应分析法：

如平面波近似法（Plane Wave Approximation, PWA），虚拟质量近似法（Virtual Mass Approximation, VMA）及双向近似法（Doubly Asymptotic Approximation, DAA）。

(3) 传统结构设计经验法

2.舰艇重要装备及系统

(1) 动态设计分析法(Dynamic Design Analysis Method, DDAM)

(2) 冲击动态设计分析法(Impact Dynamic Design Analysis Method, IDDAM)

(3) 修正之冲击动态设计分析法(Revise Impact Dynamic Design Analysis Method, RIDDAM)

（二）实验分析及设计方法

1.舰艇重要装备及系统

(1) 坠落测试法：

利用坠落测试机进行测试，一般用于商业运输上。

(2) 冲击测试法：

利用轻级及中级冲击试验针对轻级重量装备及中级重量装备进行测试。

(3) 水中爆震平台：

利用标准水中爆震平台及大型水中爆震平台针对重级重量装备或超重级重量系统进行测试。

2.实船爆震测试

(1) 简易实船爆震测试：

测试舰艇之C级装备（无抗爆震能力之装备）经过实船爆震测试后，是否维持正常功能运作。

(2) 完整实船爆震测试：

测试舰艇结构及A级装备（具抗爆震能力之装备）经过实船爆震测试后，是否维持正常未遭损坏。

参、爆震相关军规引用情形

一、军规之定义与分类

广义而言，军品使用的所有规范与标准都属于军规的范畴[7]，由于过去我国之军事设备大都依赖美国，其标准采用美军标准，故狭义的军规系指美国的”军事规范(Military Specifivation)”；”军事标准(Military Standard)”或是”美国海军舰艇一般规范(Generall Specification for ships of United States Navy)”。

美国海军在1907年即颁定”美国海军舰艇一般规范”作为所有舰艇合约规范的蓝本，逐年修订而沿用至今，具有「需求」及「标准」的双重性格，如图8所示；此规范使用已近90年，依此建造过之舰艇数量也难以估计，在此背景下作为标准化之合约规范模板，虽尚无问题，惟因此规范系统过于庞大，引用不易，近年来美军亦体会此一问题，现正与美国验船协会(The American Bureau of Shipping, ABS)合作，将美国海军舰艇一般规范及相关军规与ABS Rule进行整合并提出新版之海军舰艇规范(The Naval Vessel Rules) [8]。

图8.军事舰艇设计建造阶段军规应用分类图

二、船舰结构抗爆震设计军规引用情形

（一）引用之军规

目前欧美各国舰艇结构爆震设计所引用较典型之军规如后[2, 5, 9]：

美国：DDS, DDS, , MIL S901D, MIL-STD-810E, MIL-STD-,例如「唆使值的1%」是附具设计的基本原则表示测定值和实际值的偏差在±1％之内的意思 MIL-STD-, MIL-STD-1399, NAVSEA 0908-LP-, NAVSEA , NAVSEA , NAVSEA 0900-LP-, NAVSEA 0900-LP-, NAVSEA 0900-LP-等

英国：BR3021 (Shock Manual)

德国：BV 043 (Bauvorschrift)

荷兰： (Shock handbook, part 1)，(Shock handbook, part 2)

北约组织：NATO-STANGS：4137, 4141, 4142, 4150

详如表1所示。表1. 欧美各国舰艇爆震设计引用重要军规统计表[2, 5, 9]

（二）美军舰艇爆震设计重要军规使用介绍

1.环境因素

二次大战期间，德军以水雷封锁英国，对英国舰艇造成相当大之损害，导致英美两国投入大量人力，检讨舰用设备之耐冲击能力。

在国防相关工业之产品，其产品冲击环境试验标准，主要引用MIL-STD-810E及MIL-S-901D规范

MIL-STD-810E系美军环境试验方法及工程指引相关标准，此军规主要为提供军品之环境条件、效应及试验方法，为从事军品研发时，有关环境试验技术之指南；在冲击环境要求上，MIL-STD-810E中之516.4为冲击试验方法，其相关实验程序如表2所示表2. MIL-STD-810E冲击试验程序比较表

2.舰体结构

美军舰艇结构设计，主要参考结构设计手册NAVSEA 0900-LP-[10]，其中水面舰艇之爆震设计主要系针对装备机座(Foundation)，参考之军规为DDS ，其中设计所需之爆震值，系以KSF=0.3为依据[]并依机座所在之位置分成3类：即外板机座（Shell Mounted）、船体机座（Hull Mounted）及甲板机座（Deck Mounted）3类，其机座位置之定义如下：

·外板机座（Shell Mounted）：装备机座安装于水线以下之外板上

·船体机座（Hull Mounted）：装备机座安装于结构隔舱璧、主甲板以下结构隔舱璧加强肋上或水线以上之外板上

·甲板机座（Deck Mounted）：装备机座安装于主甲板、主甲板以上之甲板、平台或主甲板以下非结构隔舱壁上。

在同样之爆震环境之下，以外板机座所受爆震力为最大。

在进行爆震设计分析时，各机座位置所受爆震值之经验公式如下：

(1) 外板机座（Shell Mounted）：

A0：参考加速度(g)；W：装备（含机座）重量(kips)

(2) 船体机座（Hull Mounted）

A0：参考加速度(g)；W：装备（含机座）重量(kips)

(3) 甲板机座（Deck Mounted）：

V0：参考速度(in/sec)；W：装备（含机座）重量(kips)

装备机座(Foundation)之设计基准(Design Criteria)，可分为弹性设计(Elastic)及弹塑性设计(Elastic-Plastic)两类，其定义如下：

·弹性设计(Elastic)：舰艇承受爆震时，装备、机座和结构不允许有永久变形。

·弹塑性设计(Elastic-Plastic)：舰艇承受爆震时，装备、机座和结构允许有永久变形。

故依设计基准之不同，在机座各位置之设计爆震值（设计加速度A，设计速度V）如后：

(1)弹性设计(Elastic)：

A. 外板机座（Shell Mounted）：

法线负荷方向A=2A0，切线负荷方向A=0.4A0，纵向负荷方向A=0.2A0

B. 船体机座（Hull Mounted）：

垂向负荷方向A=1A0，横向负荷方向A=0.4A0，纵向负荷方向A=0.2A0

C. 甲板机座（Deck Mounted）：

垂向负荷方向V=0.5V0，横向负荷方向V=0.2V0，纵向负荷方向V=0.2V0

(2)弹塑性设计(Elastic-Plastic)

A. 外板机座（Shell Mounted）：

不允许有弹塑性设计

B. 船体机座（Hull Mounted）：

垂向负荷方向A=1A0，横向负荷方向A=0.4A0，纵向负荷方向A=0.2A0

C. 甲板机座（Deck Mounted）：

垂向负荷方向如果是偶然变低V=0.25V0，横向负荷方向V=0.1V0，纵向负荷方向V=0.1V0

三、重要装备分类、测试程序及监造抽验原则

（一）重要装备分类

由于船舰之装备种类甚多，其重要性各有不同，故美海军基于经济及各方面之考量，将作战舰艇依作战、航行和安全等因素，将船上装备分为A、B、C三个等级，简述如下[11]：

1. A级装备（Grade A）：

船舰保持安全及连续作战能力之基本必要设备，此类设备承受爆震负荷时，性能不能有严重影响，且设备之任何部分，不能有脱离现象，以危害工作人员或维生设备。

2. B级装备（Grade B）：

不是船舰保持安全及连续作战所必须，但这些设备必须能承受爆震负荷，且设备之任何部分，不能有脱离现象，以危害工作人员或维生设备。

3. C级装备（Grade C）：

不需要爆震试验或设计之设备

以上述之分类，重要之A类装备如下：

舰艇控制与推进系统、指挥系统、航海系统、通讯系统、侦测系统、反制系统、直升机起降及加油系统、海上整补系统、武器储存及装填系统、扫雷系统、损坏管制系统等。

（二）装备爆震测试程序

美军针对舰艇重要装备及系统所采用之主要爆震军规为MIL-S-901D，MIL-S-901D主要系针对军用装备之耐冲击能力进行评估，此项军规中对验证舰用装备之冲击试验机器及冲击试验程序均加以规定，由于全舰使用的装备甚多且重量差异甚大，有些轻至数十磅，有些则重达数万磅，为便利测试执行与精确仿真爆震负荷，此军规将测试程序依装备重量区分为轻级、中级和重级，其中分类如下（如表3所示）：表3. MIL-S-901D装备重量分类表[11]

·轻级重量装备：装备重量小于550lbs。

·中级重量装备：装备重量界于55可满足国度及国际相干规范0lbs至7400lbs者。

·重级重量装备：装备重量大于7400lbs者。

为确保A级和B级装备符合爆震之要求，最简易而直接之方法系将装备在装舰前采用实品测试法加以验证；

目前测试法使用的测试机具分为坠落测试机和冲击测试机两大类：

坠落测试机：

系藉油压机构产生某些脉动冲击力，以仿真装备在装备在运输所使用中可能遭受之冲击负荷，一般使用在商业运输中。

冲击测试机：

利用轻级及中级冲击试验机或水中爆震平台可产生复杂的冲击运动，进而仿真装备在舰上遭遇水中爆炸产生之爆震负荷。

1.轻级重量装备测试程序

轻级重量装备，使用轻级重量冲击试验机加以测试（如图9），将装备依规范之规定，固定于工作平台后，调整400lbs重摆锤(Hammer)距装备之垂直高度，在纵向、横向及垂向3方向，分别以1呎、3呎及5呎距离进行总共9次之冲击测试。

图9. 轻级重量装备冲击试验机[11]

2.中级重量装备测试程序

中级重量装备，使用中级重量冲击试验机加以测试（如图10），将测试装备依重量细分16种不同测试方式（如表4所示），依规范之规定，每种测试方式同样将装备分成2种不同安装方式（垂直安装与倾斜安装）固定于工作平台后，依不同装备重量所采用之测试方式，调整3000lbs重摆锤(Hammer)距装备之垂直高度，在纵向、横向及垂向3方向，分别进行总共6次之冲击测试。

图10. 中级重量装备冲击试验机[11]

表4 中级重量装备爆震测试程序分类表[11]

3.重级重量装备测试程序

重级重量装备则利用水中爆震平台(Floating Shock Deck)，进行测试（如图11），水中爆震平台依其工作空间(Working Place)之大小，分成标准水中爆震平台(Standard Floating Shock Deck)及大型水中爆震平台(Large Floating Shock Deck)2类（如图），测试装备依其所占空间大小，选择适当水下爆震平台进行测试，两种爆震平台之测试程序如后（如表5所示）：

图11. 重级重量装备进行水中爆破平台测试示意图[5]

表5 重级重量装备于水中爆震平台测试程序分类表[11]

图12. 标准水中爆破平台图[11]

图13. 大型水中爆破平台图[11]

(1)标准水中爆震平台(Standard Floating Shock Deck)

将测试装备依规范之规定固定于爆震平台上，将60磅之HBX-1炸药置于24呎水深，在此水深下分别依次进行水平距离40呎（炸药置于艏艉向）、30呎、25呎及20呎（炸药置于船舯横向）等4次爆震测试。

(2)大型水中爆震平台(Large Floating Shock Deck)

将测试装备依规范之规定固定于爆震平台上，将300磅之HBX-1炸药置于20呎水深，在此水深下分别依次进行水平距离110呎（炸药置于艏艉向）、80呎、65呎及50呎（炸药置于船舯横向）等4次爆震测试。

一般而言，MIL-901D规范，需要求A级及B级装备均应通过爆震测试，但实际上有些装备、系统和机座过于庞大、复杂，无法进行爆震测试时，可再海军同意下，改以计算分析法如动态设计分析法(Dynamic Design Analysis Method, DDAM)、冲击动态设计分析法(Impact Dynamic Design Analysis Method, IDDAM)或修正之冲击动态设计分析法(Revise Impact Dynamic Design Analysis Method, RIDDAM)等来取代，进行分析后，用以评估组件和构件所受之应力、变形均在材料之允许范围下。

（三）监造抽验原则

另在机座部分因全舰之数量甚为庞大，如成功级舰全件之大小机座约达1000个，由于数量庞大无法就每一个机座进行爆震设计审查，故采抽样方式进行审查，其抽样之原则如下[5]：

1. 挑选所有重要性装备之机座进行审查。

2. 选择大约10至15个代表性机座进行审查。

3. 以统计方式抽取全舰约10%之机座进行审查。

肆、爆震实测[5]

在设计及建造阶段，舰艇结构及装备依规范进行进行爆震设计及测试后，由于舰艇为一复杂之作战系统，必然有许多结构及装备进行系统结合时，无法满足爆震之需求，故新设计之同型舰艇，其首型舰艇于建造完成后，需要进行舰艇之爆震实测。

一、舰艇爆震实测种类

舰艇爆震实测一般可分成「简易实船爆震测试」与「完整实船爆震测试」两种，其主要目的如后：

（一）简易实船爆震测试

为一单纯之爆震测试，测试之主要目的在于观察C级装备之功能是否发生影响及局部结构是否接合良好，以观察并纪录所发生之缺点，并验证爆震能力并作为交船前之缺点改进，所得资料并回馈后续舰进行设计修改，此测试完成后，受测舰艇仍然可以维持运转。

（二）完整实船爆震测试

为一复杂之爆震测试，测试之主要目的在于观察舰艇所有装备之功能，是否因而发生影响及主要结构是否设计良好，有关设计部门、研究部门、船厂及重要装备制造厂商均须派人参与，以观察并纪录所发生之缺点，验证爆震能力作为交船前之缺点改进，所得资料并回馈后续舰进行设计修改，此测试完成后，受测舰艇可能无法维持运转。

二、爆震实测程序

进行测试时，舰艇上所有系统均应激活运转，同时C级装备亦必须有固定及保护的工作，舰上人员亦必须穿著必要的防护设备，以减少不必要之损坏，并依图14及图15所示精确安装炸药，由远而近分别由左右两舷进行4次左右之爆炸测试。

图14实船爆震测试示意图[5] 图15实船爆震测试设备安放示意图[5]

伍、结论

军舰与一般船舶最大不同为军舰往往需于爆震环境下执行作战任务，故军舰必须具备抵抗爆震的能力，以便在战场上存活；本文针对舰艇所承受之爆震负荷、验核标准、舰艇抗爆震设计方法、引用之军规及舰艇爆震实测等进行系统介绍探讨及研究，整理所得之军舰爆震设计程序可提供作为军舰爆震设计之参考。

参考文献

1. ”Interface Standard for Shipboard System”, Section 072-part 4, “Shock Environment”, DOD-STD-1399(Navy), 1978.

2. Ir. R. Regoord, “Lecture for Shock Awareness Course”, Center for Mechanical Engineering in TNO Building and Construction Research.

3. 吕天帆译，”舰艇损坏之预防”，海军学术月刊第二十五卷第二期，页83，1991。

4. 梁卓中，李雅荣等，”船舰上结构物及装备抗爆震设计方法”，第三届军舰工程研讨会计画，pp. , 1995。

5. 钟庆富，”FFG-7级舰爆震设计与测试之研究”，第二十四卷第十期，页，1990。

6. DDS “Shock Criteria”.

7. 黄邦国，李雅荣等，”军规适时化及本土化之研究”，经济部84年度科技发展项目-中小型船舶设计及制造技术发展四年计画，pp. , 1995。

8. ABS Perspective on Developing Classification Rules for Naval Vessels”, RINA Symposium- Warship 2001, pp., 2001.

9. 张国安，”军规在军舰设计应用上之探讨”，财团法人联合船舶设计发展中心，造舰军规研究成果发表会，pp.，1998。

10. NAVSEA 0900-LP-, “Structural Design Manual for Naval Surface Ships”, 1976.

11. Military Specification, “Shock Test, H.I. (High-Impact); Shipboard Machinery, Equipment and Systems, Requirements For”,MIL-S-901D, 1989.(end)