艦船設(shè)備沖擊隔離特性研究

劉世明 曹 宇 羅 寅 張阿漫

1哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 1500012中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七0八研究所，上海 200011

艦船設(shè)備沖擊隔離特性研究

劉世明1曹 宇2羅 寅1張阿漫1

1哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001
2中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七0八研究所，上海 200011

隨著沖擊問(wèn)題越來(lái)越多，沖擊能量越來(lái)越大，沖擊控制、沖擊隔離問(wèn)題也越來(lái)越引起人們的關(guān)注和重視。以某型艦用增壓鍋爐為計(jì)算研究對(duì)象，采用時(shí)域有限元分析方法，分別對(duì)增壓鍋爐有無(wú)隔振抗沖擊裝置時(shí)受到水下爆炸載荷沖擊下的響應(yīng)特性進(jìn)行數(shù)值仿真研究。分析隔振裝置對(duì)增壓鍋爐抗沖擊性能的影響，旨在為艦船設(shè)備抗沖擊性能設(shè)計(jì)及性能評(píng)估提供參考。

增壓鍋爐；沖擊隔離；數(shù)值仿真；抗沖擊特性

1 引 言

隨著現(xiàn)代水下兵器的發(fā)展，水下非接觸爆炸威脅越來(lái)越大，對(duì)艦船設(shè)備的沖擊破壞更是關(guān)系到艦船生命力的問(wèn)題。眾多海上戰(zhàn)例及實(shí)船水下爆炸沖擊試驗(yàn)表明，戰(zhàn)斗艦艇在水下爆炸環(huán)境中所顯現(xiàn)的突出薄弱環(huán)節(jié)，是艦艇上許多重要設(shè)備及裝置的抗沖擊性能過(guò)差。因此艦船系統(tǒng)和設(shè)備的抗沖擊性能關(guān)系到艦船戰(zhàn)斗力、生命力，是急待研究和解決的問(wèn)題。

德國(guó)軍標(biāo)中［1］正是基于采用抗沖隔離元件來(lái)緩解設(shè)備所受到的沖擊力，以保證設(shè)備在承受水下爆炸沖擊環(huán)境下的安全。本文以某型艦用增壓鍋爐為研究對(duì)象［2］，分析隔振裝置對(duì)增壓鍋爐抗沖擊性能的影響。首先對(duì)無(wú)隔振抗沖裝置，剛性安裝到船體基座的增壓鍋爐進(jìn)行沖擊計(jì)算分析；再對(duì)比分析安裝彈性抗沖裝置后增壓鍋爐的沖擊響應(yīng)，旨在為艦船設(shè)備抗沖擊性能設(shè)計(jì)及性能評(píng)估提供參考。

2 艦載設(shè)備抗沖擊計(jì)算方法

2.1 設(shè)備抗沖擊計(jì)算方法

對(duì)于艦船設(shè)備的抗沖擊，國(guó)內(nèi)外有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)都作了類似的規(guī)定，以加強(qiáng)艦船設(shè)備的抗沖擊能力。對(duì)設(shè)備的抗沖擊分析主要有靜態(tài)等效法、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法和時(shí)域模擬法。靜態(tài)等效法只考慮了受沖擊結(jié)構(gòu)的質(zhì)量效應(yīng)，當(dāng)一階響應(yīng)是設(shè)備的主要破壞因素時(shí)尚可用；動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法基于動(dòng)力分析理論，用于分析艦船設(shè)備的最大線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但只能分析線彈性安裝設(shè)備與設(shè)備線彈性破壞，不能考慮沖擊載荷在設(shè)備中的瞬態(tài)波動(dòng)效應(yīng)；而時(shí)域模擬法采用實(shí)測(cè)的時(shí)間歷程曲線，或標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)輸入時(shí)程曲線作為設(shè)備的輸入載荷，對(duì)設(shè)備進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

相比之下，時(shí)域模擬法可提供更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)和精確的外部載荷，分析設(shè)備的結(jié)構(gòu)屬性更靈活。因此，為研究隔振裝置對(duì)增壓鍋爐沖擊性能的影響，本文采用時(shí)域模擬法對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算研究［3］。

2.2 沖擊載荷

所謂設(shè)備的沖擊環(huán)境就是指設(shè)備在水下爆炸條件下的基礎(chǔ)輸入［4］。如果把沖擊輸入信號(hào)在頻域內(nèi)表示，在低頻段，基礎(chǔ)的位移激勵(lì)是主要的；在中頻段，速度激勵(lì)是主要的；在高頻段，加速度激勵(lì)是主要的［5］。因此，通常用如圖1所示四維坐標(biāo)系下的三折線譜作為系統(tǒng)的沖擊輸入譜。所謂沖擊譜是一種帶有一定阻尼或無(wú)阻尼單自由度振子對(duì)沖擊激勵(lì)作用的最大響應(yīng)隨振子固有頻率變化的圖譜。本研究采用將圖1沖擊輸入譜轉(zhuǎn)化為圖2所示的正負(fù)三角波的形式對(duì)模型沖擊加載［6］。

圖1 沖擊輸入譜

圖1中，橫坐標(biāo)為頻率f，縱坐標(biāo)為譜速度V，與橫軸成正45°的為譜位移D，與橫軸成負(fù)45°的為譜加速度A。可以通過(guò)圓頻率建立以上四個(gè)量之間的如下關(guān)系：

式中，a的單位是m／s2；A的單位是g的個(gè)數(shù)。

圖2 三角形變化歷程

圖2中的三角形變化歷程是由正負(fù)兩個(gè)面積相等的三角形疊加而成，如根據(jù)沖擊響應(yīng)譜，第一個(gè)三角形的加速度峰值，約為最大加速度a0的0.6倍；第一個(gè)三角形的面積V2，約為最大加速度V0的3／4；第二個(gè)負(fù)三角形面積應(yīng)與第一個(gè)三角形面積大小相同，致使基礎(chǔ)最終速度為零；此加速度歷程的兩次積分便得到位移，此位移比SAS的最大相對(duì)位移要大一些（1.05 倍）；對(duì)于 t2和 t4，使t2＝ 0.4t3和 t4－ t3＝ 0.6（t5－ t3），認(rèn)為是適宜的。 如此得到如下關(guān)系式：

對(duì)于質(zhì)量大于5 t的艦船設(shè)備，初始沖擊加速度和速度要進(jìn)行相應(yīng)的折減，折減公式為：

3 增壓鍋爐抗沖擊數(shù)值計(jì)算

3.1 增壓鍋爐有限元模型

增壓鍋爐作為薄殼結(jié)構(gòu)，主要采用板殼來(lái)模擬。在ABAQUS中模擬沖擊和爆炸載荷時(shí)，適宜選用一階單元，故選用一階殼單元S3R和S4R，同時(shí)用質(zhì)量單元MASS模擬幾何模型中某些簡(jiǎn)化掉的結(jié)構(gòu)的慣性作用。圖3為增壓鍋爐有限元模型。

圖3 增壓鍋爐有限元模型

對(duì)于抗沖隔離裝置，本文采用三向彈簧阻尼單元對(duì)其進(jìn)行模擬。減振器的位置按照增壓鍋爐4個(gè)底座，每個(gè)底座上均布9個(gè)圓錐形減振器，共36個(gè)減振器，減振器參數(shù)見表1，包括圓錐形減振器垂向和縱、橫向性能參數(shù)［7］。

表1 圓錐型減振器各向靜、動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)表

圖4給出了ABAQUS中定義完畢彈簧阻尼單元后的增壓鍋爐底座放大圖。可以看到，底座上分布了36個(gè)阻尼彈簧單元，每個(gè)彈簧阻尼單元都可以抵抗三個(gè)方向的沖擊作用。

圖4 定義完畢彈簧阻尼單元后的增壓鍋爐底座放大圖

3.2 材料模式

該增壓鍋爐所用材料參數(shù)：材料密度7.8×103kg／m3，彈性模量為 2.01 ×106N／mm2，靜態(tài)屈服極限為 235 N／mm2。

3.3 強(qiáng)度判定準(zhǔn)則

根據(jù)德軍標(biāo)關(guān)于A級(jí)設(shè)備的規(guī)定［7］，對(duì)艦船設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求在沖擊載荷作用下結(jié)構(gòu)相應(yīng)的應(yīng)力最大值不得超過(guò)靜態(tài)屈服極限。在這一前提下，認(rèn)為結(jié)構(gòu)是安全的，即

式中，σ是結(jié)構(gòu)響應(yīng)應(yīng)力值；σs為材料的靜態(tài)屈服極限。

3.4 工況設(shè)置

按照2.2節(jié)中介紹的方法，并根據(jù)增壓鍋爐的重量進(jìn)行相應(yīng)折減計(jì)算，得到垂向沖擊載荷為：峰值50 g、脈寬6 ms，沖擊輸入時(shí)間為57 ms，計(jì)算時(shí)間取100ms。

3.5 考核部位設(shè)置

本文中將考核單元選取更多、更均勻，大量考核單元分布于增壓鍋爐內(nèi)殼、外殼，在上鍋筒、上下集箱等構(gòu)件上也均勻選取了若干考核單元。圖5（a）和（b）中分別給出了考核單元與考核點(diǎn)的布置示意圖。

圖5 增壓鍋爐考核部位

3.6 加載方法

加載方式分為兩種情況：無(wú)抗沖隔振裝置時(shí)，在抗沖擊計(jì)算中認(rèn)為剛性邊界條件，沖擊加速度載荷直接施加于底座；有抗沖隔振裝置時(shí)，在抗沖擊計(jì)算中認(rèn)為彈性邊界條件、沖擊加速度載荷作用在隔振器基礎(chǔ)上，經(jīng)由隔振器緩慢傳遞到增壓鍋爐結(jié)構(gòu)上。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

4.1 加速度響應(yīng)對(duì)比分析

取典型部位的考核節(jié)點(diǎn)的加速度時(shí)歷曲線，分別對(duì)比有無(wú)彈性抗沖裝置的沖擊響應(yīng)［8-9］，如圖6所示，其中橫軸單位為s，縱軸單位為m／s2。

圖6 增壓鍋爐考核節(jié)點(diǎn)加速度響應(yīng)

從圖中可以看出，在垂向沖擊下，增壓鍋爐在安裝抗沖裝置后，在各個(gè)方向上的結(jié)構(gòu)響應(yīng)都明顯下降，在考核點(diǎn)任一方向的加速度響應(yīng)的峰值響應(yīng)都有不同程度的下降，垂向沖擊加速度響應(yīng)下降得最多。并且加速度響應(yīng)的高頻成分較之不計(jì)抗沖裝置時(shí)有所減少，響應(yīng)峰值出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)滯后，這是由于沖擊能量首先儲(chǔ)存在沖擊隔離器中，而后再按隔離系統(tǒng)本身固有振動(dòng)周期，將能量緩慢釋放出來(lái)，已將一部分的高頻成分濾掉。

4.2 應(yīng)力響應(yīng)對(duì)比分析

在分析增壓鍋爐抗沖擊能力時(shí)，本報(bào)告采用無(wú)量綱應(yīng)力，即失效系數(shù)來(lái)描述：

當(dāng)n≥1，表示增壓鍋爐結(jié)構(gòu)已經(jīng)失效，而n＜1表示結(jié)構(gòu)安全。表2給出了垂向考核工況下各考核單元的失效系數(shù)n的列表，圖7為考核單元失效系數(shù)對(duì)比圖。

表2 垂向沖擊下考核單元失效系數(shù)n列表

圖7 考核單元失效系數(shù)對(duì)比圖

從上面可以看出，一部分考核單元的失效系數(shù)n已經(jīng)出現(xiàn)大于1的情況，按照BV0430－85規(guī)定，認(rèn)為只要出現(xiàn)大于材料靜態(tài)屈服極限的部位，即認(rèn)為該設(shè)備已經(jīng)失效，說(shuō)明增壓鍋爐在垂向沖擊下已經(jīng)失效，出現(xiàn)了塑性變形，并且部分考核單元的失效系數(shù)n大于1.5，即使考慮材料動(dòng)態(tài)屈服極限的提高，也可認(rèn)為已超過(guò)了屈服極限。而在安裝了彈性抗沖裝置之后，大大提高了增壓鍋爐的抗沖擊能力，設(shè)備在此工況下安全。

考慮增壓鍋爐出現(xiàn)大部分破壞的原因，應(yīng)該是增壓鍋爐剛性安裝于船體基座上所致。而BV0430－85中強(qiáng)調(diào)依靠彈性支撐系統(tǒng)所具備的較大三向大位移變形能力來(lái)吸收沖擊能量，從而達(dá)到設(shè)備抗沖的目的。因此，采用合適的彈性支撐系統(tǒng)來(lái)安裝增壓鍋爐，對(duì)其抗沖擊能力的提高是行之有效的辦法。

5 結(jié) 論

本文利用ABAQUS軟件，按照德軍標(biāo)的規(guī)定對(duì)增壓鍋爐進(jìn)行加載，計(jì)算分析了增壓鍋爐安裝隔振抗沖裝置下的沖擊響應(yīng)，并與無(wú)隔振抗沖裝置下的沖擊響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，得到了以下結(jié)論：

1）在垂向沖擊下，增壓鍋爐在安裝抗沖裝置后，在各個(gè)方向上的結(jié)構(gòu)響應(yīng)都明顯下降，在考核點(diǎn)任一方向的加速度響應(yīng)的峰值響應(yīng)都有不同程度的下降；

2）加速度響應(yīng)的高頻成分較之不計(jì)抗沖隔振裝置時(shí)有所減少，加速度響應(yīng)峰值出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)滯后；

3）彈性抗沖裝置的存在，使得單元的失效系數(shù)降低了很多，使得增壓鍋爐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足要求，大大提高了增壓鍋爐的抗沖擊能力。

［1］ BV0430－85德國(guó)國(guó)防軍艦建造規(guī)范—沖擊安全性［S］，2004.

［2］ 第六機(jī)械工業(yè)部船舶系統(tǒng)工程部.028G實(shí)艇水下爆炸材料匯編［G］，1982.

［3］ 汪玉，王官祥.艦船系統(tǒng)和設(shè)備的抗沖擊性能動(dòng)力學(xué)仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真，1999，16（1）：22－25.

［4］ 劉建湖.艦船非接觸爆炸動(dòng)力學(xué)的理論與應(yīng)用 ［M］.無(wú)錫：中國(guó)艦船科學(xué)技術(shù)研究中心，2002.

［5］ 姚熊亮.艦船結(jié)構(gòu)振動(dòng)沖擊與噪聲［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

［6］ LIANG C C，TAIY S.Shock responses of a surface ship subjected to noncontact underwater explosions ［J］.Ocean Engineering， 2006，33（5－6）：748－772.

［7］ 江國(guó)和，尹立國(guó)，沈榮瀛.帶限位器雙層隔振系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)研究 ［J］.華東船舶工程學(xué)院學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2004，18（2）：86－89.

［8］ 姚熊亮，陳建平.水下爆炸二次脈動(dòng)壓力下艦船抗爆性能研究［J］.中國(guó)造船，2001，42（2）：48-55.

［9］ 呼怡玫.對(duì)艦船設(shè)備沖擊振動(dòng)試驗(yàn)的分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2002.

Numerical Simulation on Shock Isolation Characteristics of Ship Equipment

Liu Shi－ming1 Cao Yu2 Luo yin1 Zhang A－man1
College of Shipbuilding Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China 708 Institute of China State Ship b uilding Co r p o ration，Shanghai200011，China

In thi s paper， the marine supercharged boiler wa s researched by time－domain simulation method.With the condition of underwater explosion， the dynamic responses of marine supercharged boilers with and without impact damper were simulated and studied respectively.Then the effect of impact damper on shock resistance wa s studied and some rules are obtained.The results show that the boiler＇s anti－shock performance is enhanced by the shock isolation installation.The research aims to provide some references to the design and evaluation of ship equipment shock－resistance performance.

supercharged boiler； shock isolation； numerical simulation； anti－shock characteristics

U644.5

A

1673－3185（2010）03－38－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.03.009

2009－10-29

增壓鍋爐抗沖擊性能計(jì)算研究課題基金

劉世明（1984－），男，碩士研究生。研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)性能與安全。E-mail：lsm030116＠163.com