沖擊荷載作用下船舶管路系統動力響應時域仿真分析及模型試驗

嵇春艷，沈晴晴，于 雯，楊 蘇

(江蘇科技大學，江蘇 鎮江212003)

0 引 言

作為艦船生命力的重要組成部分，艦船內部復雜交錯管路系統的抗沖擊能力越來越受到關注。諸多戰例和試驗情況表明，艦艇遭受近距離水下爆炸沖擊后，盡管船體結構完整，但許多艦艇系統設備卻遭到功能性破壞，從而直接影響到其他設備、系統乃至艦艇的安全，因此管路系統的抗沖擊性能顯得尤為重要。

隨著艦船設備的沖擊理論研究、數學模型、計算方法及仿真研究等在不斷發展完善，目前對設備的抗沖擊分析經歷了靜態等效法、動態設計分析方法和時域模擬法3 個階段。靜態等效法只考慮了受沖擊結構的質量效應，當一階響應是設備的主要破壞因素時尚可用;動態設計分析方法用于分析艦船設備結構的最大線性動態響應，只能分析線彈性安裝設備與設備線彈性破壞。而時域模擬法可采用實測的時間歷程曲線，或標準的基礎輸入時間歷程曲線作為設備的輸入載荷，對設備進行瞬態動響應分析，可分析設備的非線性響應。開展艦船設備抗沖生命力的研究，最為準確可信的方法是進行實船水下爆炸試驗。但是，實船水下爆炸試驗費用昂貴，較為經濟的數值試驗方法受到廣大發展中國家青睞。數值試驗方法如何使計算模型更為接近真實物理模型，仿真結果如何提高計算精度歷來是研究的難點和重點。

目前，國內關于艦艇管路系統的抗沖擊研究還比較少，主要集中在理論及數值模擬方面。汪宏偉，汪玉等應用ANSYS—APDL 建立了某型艇動力裝置管路系統的參數化模型，利用MATLAB 軟件編制了程序對于管路系統沖擊響應的靈敏度進行分析，該方法為管路系統抗沖擊優化設計提供了依據［1］;李兆俊，汪玉分別采用等效靜加速度法、動態設計分析法和設計譜法對管路系統進行抗沖擊分析計算［2］;陳剛，汪玉等采用Sobol′法對半正弦沖擊載荷作用下二維的管路系統材料彈性模量、密度，管壁厚、內徑，以及支承剛度及位置，沖擊作用間隔時間等參數進行了全局靈敏度分析，得出了單個或多個參數聯合對管路系統沖擊位移動響應的影響［3］;郭晉挺，司馬燦等對艦艇管路系統的抗沖擊性能進行了研究［4］。

本文基于時域分析法，分別采用接觸單元、固定約束單元模擬管夾、支吊架管路元器件對管路系統的約束，建立沖擊荷載作用下管路系統的時域仿真計算分析方法，并通過典型船舶管路段跌落臺物理模型試驗對上述仿真方法進行有效修正和驗證，通過模型試驗驗證，本文給出的仿真分析方法仿真精度與試驗結果相比，峰值誤差小于15%。

1 管路系統動力響應時域仿真分析方法

在進行結構動力響應分析時，建立數學模型通常有3 種方法:集中質量法，廣義坐標法和有限元法。實際的海洋平臺結構較為復雜，在計算分析時，本文采用精度較高的有限元法。

考慮將管路離散為具有n 個自由度的有限元系統。管路結構運動方程可以表示為:

關于在時域求解如式(1)所表述平臺的振動方程一般可以采用2 類方法，一類是直接積分法，就是按時間歷程對上述微分方程直接進行數值積分，即數值解法。常用的數值解法有中心差分法、紐馬克法和威爾遜θ 法;另一類是模態(振型)疊加法。如采用中心差分法求解平臺的時域動力響應。

2 典型管路段沖擊試驗設計

2.1 試驗設計

試驗使用上海交通大學的振動沖擊平臺，平臺尺寸為1.2 m×1.2 m，管路參考實船動力機艙中海水管路中典型段按1:10 比例設計，為了充分利用沖擊平臺的尺寸，管路設計水平長1.2 m，直徑20 mm，壁厚4 mm，包括6 個彎頭，1 個法蘭連接件。管路與沖擊平臺通過槽鋼進行固定，槽鋼與管路之間通過4 個管夾支撐，如圖1所示。測試系統主要包括，沖擊試驗臺1 個，加速度傳感器4 個，信號分析儀1 臺，電荷放大器2 臺，信號發生器1 臺。測點布置如圖2所示。

試驗沖擊工況共4 種，振動臺跌落高度依次為100 mm，110 mm，120 mm，130 mm。通過沖擊試驗記錄4 個測試點在4 種工況下的實驗數據，以便于仿真模型結果比較。

圖1 管路系統管夾位置Fig.1 Position of clap of pipeline system

2.2 沖擊載荷

試驗過程中的加速度響應信號為振動臺面的加速度響應信號，試驗臺的加速度通過與管路兩端的固定連接部位輸入管路，從而模擬管路受沖擊下的動力響應。在數值模擬中采用施加整體加速度的方法輸入試驗過程中的加速度響應信號來模擬沖擊輸入。試驗測得的跌落時輸入加速度響應如圖3 ～圖6所示，數值模擬過程中將該加速度響應以加速度的輸入方式作為荷載輸入。

圖2 加速度傳感器測試位置Fig.2 Position of acceleration transducer

3 模型數值仿真及試驗結果對比分析

3.1 典型管路系統及元器件建模

采用ANSYS10.0 軟件建立試驗管路沖擊模型，采用自下而上的實體建模技術，分別采用殼單元劃分管路、體單元劃分試驗管夾，共劃分16 387 個單元，9 557 個節點。為了保證數值模擬的計算精度，同時提高計算效率，對于管夾與管路之間的連接分別采用接觸單元及剛性位移固定處理，比較2 種邊界條件下數值模型計算結果。圖7 為使用接觸單元處理管路與管夾連接的有限元模型。圖8 為使用剛性固定方式處理管路與管夾連接的有限元模型。

3.2 兩種約束條件下數值模擬結果對比

接觸約束可以較好地反應管路與管夾及支吊架的約束情況，但計算非常耗時;位移約束對管夾約束和支吊架約束進行了簡化處理，計算效率高，耗時少。因此為了既能保證計算精度又能提高計算效率，本項目對2 種約束情況下4 種沖擊工況下的動力響應進行了仿真，分別對4 種工況下2 種不同邊界處理方式進行比較，圖9 為工況為120 mm 跌落下位移約束與接觸約束結果對比。

圖9 120 mm 通道2 位移約束和接觸約束對比圖Fig.9 Comparison between displacement constraint and contact constraint at falling off 120 mm

對4 種工況比較結果可以看出，2 種約束處理情況的計算結果非常接近，因此為了提高計算效率，采用位移約束的處理方式進行數值仿真分析。

3.3 數值模擬結果與實驗結果的對比分析

分別對有限元模型輸入4 種獲得的加速度響應，依次獲取通道2、通道3 及通道4 的數值模擬結果，圖10 ～圖13 分別為從100 mm，110 mm，120 mm 及130 mm 高度跌落時通道2 試驗數據和模擬數據的對比圖。表1 ～表3 分別為通道2、通道3 及通道4 數值模擬結果和實驗所得結果對比數據。

圖13 130 mm 通道2 試驗數據和模擬數據對比Fig.13 Comparison of channel 2 between experiment and simulation at falling off 130 mm

表1 通道2 數值模擬結果和實驗所得結果數據對比Tab.1 Comparison of channel 2 between result of experiment and simulation

表2 通道3 數值模擬結果和實驗所得結果數據對比Tab.2 Comparison of channel 3 between result of experiment and simulation

表3 通道4 數值模擬結果和實驗所得結果數據對比Tab.3 Comparison of channel 4 between result of experiment and result of simulation

從表1、表2 及表3 中數值仿真試驗結果和試驗所得結果數值比較可知，誤差均小于15%，因此采用該時域方法對管路系統抗沖擊性能進行計算是可行性的，并且能保證計算精度。

4 結 語

本文在管路沖擊試驗的技術上，基于多點時域分析方法及ANSYS 仿真軟件，對數值仿真模型邊界條件及安裝因素不斷修正，找出一種與試驗結果誤差小于15%的數值仿真計算方法。對管路系統模擬過程中管路與連接件之間2 種處理方式進行比較，大大減少了計算時間。本文為管路系統抗沖擊數值仿真研究提供了新的思路，為系統研究管路系統的抗沖擊性能提供了方便。

［1］汪宏偉，汪玉，趙建華.EFAST 法在管路系統沖擊響應中的應用研究［J］.振動與沖擊，2010，29(4):197-199.

WANG Hong-wei，WANG Yu，ZHAO Jian-hua.Application of extended Fourier amplitude sensitivity test method in shock response of a piping system［J］.Journal of Vibration and Shock，2010，29(4):197-199.

［2］李兆俊，汪玉，陳學德，等.管路系統沖擊設計方法分析［J］.振動與沖擊，2008，27(9):171-174.

LI Zhao-jun，WANG Yu，CHEN Xue-de，et al.Analysis for pipeline system shock design methods［J］.Journal of Vibration and Shock，2008，27(9):171-174.

［3］陳剛，汪玉，毛為民，等.沖擊載荷作用下艦艇管路系統全局參數靈敏度分析［J］.振動與沖擊，2007，26(3):45-48.

CHEN Gang，WANG Yu，MAO Wei-min，et al.Gloabl parameter sensitivity analysis of shipboard piping systems under shock loads［J］.Journal of Vibration and Shock，2007，26(3):45-48.

［4］郭晉挺，司馬燦，劉建湖，等.艦艇管路系統的抗沖擊性能彈性評估方法［J］.船舶力學，2004，8(4)108-115.

GUO Jin-ting，SIMA Can，LIU Jian-hu，et al.A evaluation method for the anti-shock strength safety of shipboard pipelines in elastic domain［J］.Journal of Ship Mechanics，2004，8(4):108-115.

［5］姚熊亮，馮麟涵，張阿漫.艦船設備抗沖擊時域模擬研究［J］.汽輪機技術，2009，52(3):190-194.

YAO Xiong-liang，FENG Lin-han，ZHANG A-man.Antishock simulation of equipments on board in time-domain［J］.Turbine Technology，2009，52(3):190-194.

［6］趙應龍，何琳，黃映云，等.船舶浮筏隔振系統沖擊響應的時域計算［J］.噪聲與振動控制，2005，(2):14-17.

ZHAO Ying-long，HE Lin，HUANG Ying-yun，et al.Thc computation of shock response of marine floating raft shockresistant system in the time domain［J］.Noise and Vibration Control，2005，(2):14-17.

［7］周其新，姚熊亮，張阿漫.艦用齒輪箱抗沖擊能力時域計算［J］.中國艦船研究，2007，2(3):44-48.

ZHOU Qi-xin，YAO Xiong-liang，ZHANG A-man，et al.Anti-shock performance analysis of marine gear case by time domain calculation［J］.Chinese Journal of Ship Research，2007，2(3):44-48.