基于FEM的魚雷低頻振動環境預示方法研究*

(1.中國船舶重工集團公司第705研究所 西安 710075)(2.水下信息與控制重點實驗室 西安 710075)

基于FEM的魚雷低頻振動環境預示方法研究*

馬銳磊1,2尹韶平1,2曹小娟1嚴海1秦曉輝1

(1.中國船舶重工集團公司第705研究所 西安 710075)(2.水下信息與控制重點實驗室 西安 710075)

針對魚雷設計初期振動試驗條件制定所需實測數據不足的問題,論文采用有限元法對魚雷典型部位低頻振動環境進行預示:運用MSC.Nastran對先期建立的全雷有限元模型進行模態分析,并與試驗數據對比的結果說明了模型的準確性;以實測振動加速度譜作為激勵,對雷體典型部位的振動量級進行預示,總振動級結果與試驗差值在±3dB以內;加速度譜線主要峰值吻合度較高,趨勢基本一致。通過試驗驗證說明了該方法的有效性,可以為魚雷低頻振動試驗條件的制定提供理論支撐。

模態分析;振動響應分析;環境預示;仿真

ClassNumberU663

1 引言

魚雷是一種涉及機械、電子、力學、動力、控制、水聲、爆炸等多學科的高技術水下精確制導武器。由于使用平臺多樣,在其全壽命周期內要經歷運輸、裝載、貯存、空中飛行、入水、水下航行等多個環節,所經歷的振動環境十分復雜。

如設計不當,環境適應能力不強,在使用中會出現某些零部件或電子元件破壞,導致魚雷不能正常工作,嚴重時還會危及到攜帶平臺的安全[1]。因此,充分了解魚雷的環境特點,分析各環境因素對魚雷的影響,提出合理的環境試驗條件,是魚雷研制中重要而不可或缺的工作內容。

為了滿足新產品的設計需要,試驗條件必須在缺乏新產品的實測環境數據條件下完成,所需的環境只能靠環境預示解決。因此,環境預示的準確性將直接影響試驗條件的合理性。

在航空航天領域,振動環境預示技術發展迅速,得到大量研究成果。Ali[2]、Tsoi[3]等利用耦合有限元/邊界元方法計算衛星天線結構在混響聲場作用下的動力學響應,Yarza[4]等利用VA One軟件的有限元/邊界元方法,計算固支狀態衛星反射天線結構在混響聲場中的加速度響應,都得到了較好的結果。國內學者[5]也開始應用商業軟件中的有限元/邊界元方法開展典型結構在噪聲激勵下的響應分析研究。

但是,目前國內在制定魚雷型號振動試驗條件時多是在參考軍用標準或同類產品研制經驗的基礎上,對相關標準進行剪裁而得出。所制定的試驗條件往往與魚雷所承受的實際環境條件有較大差別。因此,迫切需要開展魚雷振動傳遞特性研究,在綜合分析試驗測試結果的基礎上,進行魚雷振動環境條件的預示,為科學制定環境試驗條件提供理論依據。

本文采用有限元法(FEM),建立魚雷結構振動響應計算模型,運用Nastran對其進行自由狀態下的模態分析,通過試驗數據驗證模型的準確性。然后以實測的振動試驗數據作為輸入條件,計算雷內特征部位的振動響應值,研究在少量外載荷振動數據條件下,分析魚雷各組件的振動環境,并研究艙段及關鍵部位的魚雷低頻振動環境試驗條件預示方法。研究成果可以為制定魚雷振動試驗條件提供理論依據。

2 模態理論

結構系統模態分析的核心內容,就是通過計算或試驗的方法,確定用來描述結構系統特性的固有頻率、阻尼比和振型等模態參數[6]。在數學上,就是求解結構動力學方程的特征值或廣義特征值的問題。結構系統的動力學方程通常可以表示為

(1)

略去結構系統的運動微分方程中的阻尼力項和外載荷項,得到系統無阻尼自由振動的動力學方程:

(2)

令式(2)的解為

{q}={A}sin(ωt+φ)

(3)

式中:{A}為振幅,由初始條件決定;φ為相位角,由初始條件決定;ω為固有頻率,由系統固有特性決定。

代入式(2)可得

([K]-ω2[M]){A}sin(ωt+φ)=0

(4)

由于{A}≠0,有

|[K]-ω2[M]|=0

(5)

3 有限元建模及模態驗證

3.1 全雷有限元建模

魚雷由自導頭段、操雷段、電子艙段、燃料艙段、動力艙段及尾段組成,建模總體思路是先建立艙段模型,然后將各艙段模型整合成全雷模型。建模時,首先將幾何模型導入有限元前處理軟件HyperMesh中,忽略模型中小孔、倒角等微小特征。對魚雷薄殼體,有限元建模時按結構的力學功能[7]可把魚雷殼體簡化為2D shell板殼單元[8];環向加強筋可用1D beam梁單元建模;一些零部件對全雷剛度矩陣影響很小,但對全雷的質量矩陣影響很大[9],可用0D質量元建模。全雷模型如圖1所示,整個模型單元總數為48188個,節點總數50441個。

圖1 全雷有限元模型

3.2 模態驗證

將模型文件以bdf格式導入MSC.Nastran中進行模態計算,選用蘭索斯(Lanczos)法求解。其一階、二階及三階模態的固有頻率分別為27.9Hz、55.1Hz和88.6Hz。

為驗證模型仿真計算的精確度,進行了全雷模態試驗,模型仿真計算固有頻率值與試驗結果對比情況見表1,模態振型對比結果如圖2～圖5所示。

表1 試驗與仿真結果對比(單位:Hz)

圖2 試驗第一階振型

圖3 計算第一階振型

圖4 試驗第二階振型

圖5 計算第二階振型

從有限元仿真與試驗結果對比,可以看出:二者模態振型基本一致,仿真計算的固有頻率值與試驗數據相對誤差控制在6%以內,滿足工程計算要求,說明了模型的準確性。為后續振動響應分析提供支撐。

4 振動環境預示方法

振動環境預示是在綜合分析產品環境剖面的基礎上,準確獲取產品受到的激勵條件,通過特定方法得到產品特征部位的振動響應數據,進而制定出產品的振動試驗條件。

目前振動環境預示方法主要有三種:外推法、統計能量法和有限元法。外推法由于不能對系統整體結構進行預示;無法給出結構的詳細頻率特性以及不能用于聯合激勵下的環境預示等限制,應用范圍有限。統計能量法從能量角度對系統進行分析,不依賴于系統參數,主要應用于模態密集的高頻系統振動環境預示。對于低頻振動環境,主要通過有限元動力學響應計算的方法進行預示,該方法的關鍵是建立一個準確的振動分析模型,在此基礎上,分析激勵振源并選擇激勵輸入的形式(例如加速度、功率譜及力等),確定振動響應輸出點,對結構中難以得到測量數據的典型位置的振動量值進行預示,通過對不同工況下結構振動特性的分析,得到最為惡劣工況下的振動響應數據,提出初步的振動試驗條件指導設計工作,并在后續試驗基礎上不斷優化。

5 振動響應分析

本文針對魚雷低頻(1Hz～1kHz)振動環境進行預示,選擇有限元振動響應計算方法。根據魚雷實航試驗數據,以發動機艙后隔板為激勵源;以實測振動加速度譜為輸入,對魚雷尾段、燃料艙段殼體及尾段舵機安裝基座1kHz頻段內的振動響應進行了分析計算,通過與實際測試數據對比,驗證了預示方法的有效性。

5.1 輸入激勵

模型中激勵點的位置如圖6所示,根據試驗測點的布置情況約束激勵點軸向及徑向。輸入載荷的加速度頻譜曲線如圖7～圖8所示,頻率分辨率為1Hz,頻率范圍為1Hz～1kHz。

圖6 激勵點位置

圖8 徑向激勵譜線

5.2 輸出響應點

發動機激勵產生的振動最終傳遞到魚雷各艙段的殼體及組件上,引起相應部位的振動響應。本文選取燃料艙殼體、尾段殼體及舵機安裝基座三個典型輸出響應點進行計算。測點位置如圖9～圖10所示。

圖9 殼體輸出響應點位置

圖10 舵機安裝基座輸出點位置

5.3 結果驗證

采用模態疊加法[10]求解結構輸出點的加速度響應譜,通過有限元計算結果與試驗數據的對比驗證計算方法的有效性。1kHz頻段內總振動級對比結果如表2所示,仿真計算與試驗譜線對比結果如圖11～圖13所示。

表2 試驗與仿真結果對比(單位:dB)

圖11 燃料艙殼體譜線對比

圖12 尾段殼體譜線對比

圖13 舵機安裝基座譜線對比

從對比結果情況可以看出:仿真計算與試驗總振動級差值在±3dB以內,相對誤差在2.1%以內;譜線中各主要峰值點吻合度較高,譜線總體趨勢基本一致。這是由于采用模態疊加法,所建的有限元模型較好地模擬了實際結構,所以結構測點在一些主要模態上頻率比較接近。

計算譜線與試驗有一些差異可能的原因是:

1)魚雷在運行過程中,所受振動環境復雜,存在許多激勵源。實際上,雷體工作中的振動響應是所有激勵源共同作用的結果。

2)仿真計算時,激勵點位置選擇不可能與試驗中的測量點完全重合,由此帶來一定的誤差。

3)有限元模型與實際結構不可避免地存在一定差異,導致結果存在誤差。

6 結語

1)通過全雷有限元仿真計算與試驗數據的對比說明了模型的準確性,為振動響應計算提供模型支撐。

2)通過有限元振動響應分析,以加速度譜為激勵,對魚雷典型部位的振動響應進行了計算,與試驗測試數據對比表明:譜線中各主要峰值點吻合度較高,譜線總體趨勢基本一致;總振動級差值在±3dB以內,相對誤差在2.1%以內。說明通過有限元振動響應分析的方法對魚雷低頻振動環境進行預示是有效的。此方法可以為魚雷振動試驗條件制定提供理論支撐。

[1]尹韶平,劉瑞生.魚雷總體技術[M].北京:國防工業出版社,2011.

[2]Kolaini A R, Kissil A, Childs B W. Vibro-acoustic analysis of lightweight structures[C]//The 2009 S/C&L/V Dynamic Environment Workshop, El Segundo, USA,2009.

[3]Tsoi W B, Kolaini A R, Childs B W. Acoustic induced vibration on composite reflector:test versus prediction[C]//The 2008 S/C&L/V Dynamic Environments Workshop, El Segundo, USA,2008.

[4]Yarza A, Castro O, Santiago-Prowald J, et al. Reflector vibroacoustic response to launch acoustic excitation[C]//European Conference on Antennas and Propagation 2010, Barcelona,2010.

[5]韓峰,胡迪科,閆桂榮.圓錐殼結構聲振耦合特性分析[J].噪聲與振動控制,2009,29(5):30-33.

[6]姚熊亮.結構動力學[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2007.

[7]溫熙森,陳循,等.機械系統建模與動態分析[M].北京:科學出版社,2004.

[8]張宇文.魚雷總體設計原理與方法[M].北京:高等教育出版社,1997.

[9]Lau. Sunny G. Elastoplastic analysis for severe underwater explosions using dynamic finite element modeling[R]. Report documentation page,2004.

[10]杜驪剛.飛行器在氣動噪聲作用下的振動環境預示方法[J].裝備環境工程,2008,5(6):65-67.

Torpedo’sVibrationEnvironmentPredictionMethodofLowFrequencyBasedonFEM

MA Ruilei1,2YIN Shaoping1,2CAO Xiaojuan1YAN Hai1QIN Xiaohui1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710075)

(2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi’an 710075)

To solve the problem of lacking of test data before establishing guideline for environmental test. A method of torpedo’s vibration environment prediction of low frequency is proposed. Modal analysis of torpedo under free-free state based on the finite element model built up earlier and the analysis of the torpedo’s vibration response exited by acceleration spectrum lines are carried out by using MSC. Nastran. The comparison results between simulation and modal testing indicate that the global vibration level was in ±3dB, and the spectrum lines were similar. Therefore, the validity of the vibration environment prediction method using finite element model is verified.

modal analysis, analysis of vibration response, vibration environment prediction, simulation

2013年11月4日,

:2013年12月10日

馬銳磊,男,碩士研究生,研究方向:武器系統總體技術。

U663DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.038