基于DDAM方法的船舶推進系統沖擊響應仿真

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(1.海軍工程大學 船舶與動力工程學院，武漢 430033;2.海軍91765部隊，浙江 溫州 325000)

由于船舶動力設備對保障船舶戰斗力和生命力的重要意義，為保證和提高船舶動力設備的抗沖擊性能，必須在其研制過程中的各階段開展抗沖擊性研究。采用動態設計分析方法(DDAM)對船舶動力設備進行抗沖擊研究具有成本低，分析方便等優點，所以該方法被各國海軍廣泛用作船用設備設計和評估方法[1-2]。對某型船舶推進系統建立有限元模型，采用了NASTRAN軟件基于DDAM方法進行了抗沖擊仿真計算，得到船舶推進系統的沖擊響應規律及抗沖擊特性，為船舶設計早期抗沖擊性分析提供參考依據。

1 理論分析

DDAM是基于沖擊譜的響應分析方法，將設計沖擊譜作為設備的沖擊輸入，并對系統數學模型進行模態分析，對模態分析結果進行合成，從而求得系統的沖擊響應。將一臺設備或系統簡化為多個彈簧質量系統，在計算出模態振型和模態質量后，根據設計沖擊譜得出各階模態的模態位移和應力，然后通過對各階模態解的合成就可以得出設備的位移和應力[3-4]。

對于N質量三向耦合振動系統，該系統的每個質量點都有6個自由度，因而該系統自由度為6N。沖擊激勵在一個方向，系統的微分方程為

(1)

式中:M——質量矩陣；

K——剛度矩陣，進行解耦運算，可得其零初始條件下模態a的位移解為

(2)

式中：pa——模態參與因子；

ωa——模態頻率，可定義速度譜為

(3)

其最大的模態位移

(4)

因此，模態a的最大可能位移為

(5)

通過剛度矩陣能夠得到模態a中的動態力：

(6)

計算得到每個振動模態在全部時間內的最大響應,通過NRL法進行合成

(7)

式中：xb——任一模態的最大模態響應。

2 推進系統建模計算

以某型船舶推進系統為模本,應用MSC.patran軟件進行三維實體建模。該型船舶推進系統由主機、聯軸器、齒輪箱、軸及螺旋槳等幾部分組成。其中主機簡化為25 t的質量塊，彈性安裝； 聯軸器簡化為剛度較小的圓盤；齒輪箱也簡化為質量塊，剛性安裝；軸和螺旋槳簡化為質量分布均勻的圓盤，其中螺旋槳帶水重量為16 800 kg，見圖1。

圖1 推進系統三維模型

2.1 有限元模型

對該模型進行有限元分析，該模型采用四面體單元進行網格劃分，可得123 362個節點，80 996個單元，主機的彈性安裝及軸承的支撐部分采用三向的一維彈簧進行模擬，將其安裝在船體上。

2.2 沖擊設計輸入譜

該型推進系統屬于水面船舶，抗沖擊等級，設備類型，分析類型，危險區域等選用設計沖擊輸入，見表1[5]。

表1 沖擊設計輸入譜

對于船體安裝部位

(8)

式中：VF、AF——系數；

VA、VB、VC、AA、AB、AC、AD——常數；

Ma——模態質量。

2.3 仿真計算分析

對船舶設備進行DDAM分析的步驟[6]如下。

1)計算結構的固有頻率和振型向量, 并對振型向量正則化。

2)計算每一階模態的模態參與因子和有效模態質量。

3)定義具體應用的沖擊譜。

4)計算沖擊作用下每個模態的響應。

5)采用NRL合成方法得到結構的沖擊響應, 包括結構的位移、速度、加速度、單元應力及單元力的響應。

按照沖擊標準要求的模態選擇標準，不同方向沖擊時，所選模態的模態頻率、參與系數、模態質量以及沖擊設計加速度值見表2，沖擊計算時存在部分密集模態現象，所占比重不大，不影響整體計算結果。

表2 沖擊設計加速度

2.4 計算結果分析

通過計算整個推進系統沖擊應力響應，見圖2～4。

圖2 縱向沖擊應力響應

由圖2～4可知，應力最大一般出現在主機和齒輪箱的支撐處，是由于次區域承受其上的質量慣性作用，在沖擊作用下的慣性力導致其產生向上的相對運動，故其響應較大的部位出現在固定位置處，垂向沖擊時在尾軸段，尾軸承處所受應力最大，最大應力為7.01×1011pa，超出了材料的許用應力范圍，應當加強。主機齒輪箱等于軸的連接部位也是應力出現較大的部位。圖4表明垂向沖擊的響應為最烈，橫向和縱向次之。

圖3 垂向沖擊應力響應

圖4 橫向沖擊應力響應

3 結論

該船用推進系統沖擊響應DDAM分析計算結果說明，垂向沖擊對推進系統的沖擊明顯大于橫向和縱向沖擊的作用。推進系統的受力主要集中在各支撐連接部位，其原因是由于主機的支撐部位和軸承支撐部位受大部分重量，慣性力作用較大，使該部分應力響應較大。

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