艦船軸系用液壓螺栓抗沖擊性能數值仿真研究

吳繼東，葉曉明，孫俊洋，張 萌

(1.武昌船舶重工集團有限公司，湖北 武漢430060;2.華中科技大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢430074)

0 引 言

艦船推進軸系及其附屬設備的抗沖擊性能直接影響到艦船的戰斗力和生命力，已越來越受到各國海軍的高度重視［1］。抗沖擊性能評估最好的方法是進行實船爆炸試驗，然而由于其高昂的費用讓許多發展中國家望而止步。因此，開展相關抗沖擊仿真研究對提高艦船推進軸系及其附屬設備的抗沖擊性能具有非常重要的意義。目前，抗沖擊分析方法主要包括頻域方法即動態設計分析方法 (Dynamic Design Analysis Method，DDAM)和時域方法［2］。本文基于Abaqus 有限元分析軟件分別采用這2 種方法對艦船軸系用液壓螺栓抗沖擊性能進行仿真研究。

1 液壓螺栓接觸分析建模

1.1 結構組成及模型簡化

液壓螺栓結構組成包括帶外錐面的雙頭螺桿、帶內錐面的套筒和2個螺母，如圖1所示。該型液壓螺栓螺桿最大外徑為64 mm，最大長度為369 mm;套筒外徑80 mm，長度160 mm。安裝時將螺桿連同套筒一起裝進螺栓孔后，采用液壓頂進裝置和螺栓拉伸裝置安裝套筒和施加螺栓的預緊力，然后旋緊螺母。拆卸時采用液壓螺栓拉伸裝置拉伸螺栓，同時在螺桿圓錐面油道內注入高壓油。液壓螺栓與傳統鉸制孔螺栓相比，安裝拆卸方便，可避免由于過盈配合引起的金屬摩擦、拉毛等問題。

圖1 液壓螺栓結構示意圖Fig.1 Sectional view of the hydraulic bolt

艦船推進軸系在工作狀態下需要傳遞較大的扭矩，這使液壓螺栓錐套在軸段法蘭連接面處承受較大的剪應力，需對液壓螺栓整體結構受載后的應力進行分析。由于推進軸系是軸對稱結構，傳扭過程可以簡化用法蘭盤模擬。法蘭盤上均布15個相同液壓螺栓，本文取1/15法蘭盤進行仿真計算，其三維網格模型如圖2 (a)所示。本模型大部分采用六面體C3D8R 單元，對螺栓與法蘭接觸部位進行網格加密處理如圖2 (b)所示。液壓螺栓接觸分析模型總的單元數為63 491，節點數為77 251。

1.2 數值建模

1)接觸關系的定義

圖2 液壓螺栓接觸應力分析網格模型Fig.2 Mesh model of hydraulic bolt contact analysis

液壓螺栓接觸應力分析模型中，螺栓各部件已處于裝配完成時的相對位置。此時，螺桿和套筒、套筒與螺栓孔之間形成過盈配合。在上述過盈配合面之間建立接觸關系，并通過接觸面間的幾何過盈量來模擬接觸面間的接觸應力。

液壓螺栓安裝時需要拉伸器提供116 kN 預緊力。因此，液壓螺栓安裝后與法蘭接觸面之間產生一定的安裝應力。本文將螺桿和2個螺母采用一體化建模，通過定義螺母與法蘭接觸面之間的過盈量來模擬液壓螺栓的安裝應力。

2)邊界條件

施加邊界時，固定一個法蘭的2個切斷面。定義一個參考點，并與另一法蘭兩切斷面建立耦合關系。通過在參考點施加1/15 最大工作扭矩來模擬法蘭所傳遞的扭矩值。

3)載荷步的定義

液壓螺栓接觸應力分析的難點在于接觸計算的收斂性。由于接觸是強非線性問題，文中螺桿與套筒之間、套筒與螺栓孔之間、2個螺母與法蘭面接觸面之間以及兩法蘭接觸面之間都存在著接觸關系。因此，在處理這些接觸關系時需要采取適當的方法才能保證計算的收斂。如:分步建立接觸關系、在建立接觸的過程中施加臨時邊界等。

2 抗沖擊計算理論

2.1 頻域分析法

依據GJB1060.1 -1991 開展液壓螺栓抗沖擊性能頻域分析研究。計算三維網格模型如圖3所示，包括連接軸、傳動軸、液壓聯軸器、15個液壓螺栓等部件。抗沖擊模型網格劃分以六面體C3D8R 單元為主，這樣既能保證計算的效率和精度，對接觸部位和倒角處進行網格加密處理。液壓螺栓抗沖擊分析模型總的單元數為924 853，節點數為1 074 389。

圖3 液壓螺栓抗沖擊分析計算網格模型Fig.3 Mesh model of the anti-shock analysis of hydraulic bolt

由于頻域分析不能考慮非線性問題。因此，在模型中所有的接觸面均定義為Tie。邊界條件設定為2個軸段外端面全約束。

隨艦艇類型、設備安裝位置及設備各級模態質量的不同，頻域分析沖擊譜也不一樣。對于液壓螺栓，屬于A 類設備。因此，計算公式如下:

式中:A0為加速度，m/s2;V0為速度，m/s;ma為模態質量，t。

依據GJB1060.1 -1991 要求，采用NRL 方法進行模態合成，如式(3)所示。

式中:xib為任一階模態的最大響應;xia為對應a 階模態的響應;xi為合成后的響應。

通過模態分析獲得設計載荷譜，表1 給出3個方向的部分載荷譜值。

表1 不同沖擊方向上的設計載荷譜(部分)Tab.1 Shock spectrum of different directions (part)

頻域法的計算結果是動力學分析得到的沖擊應力與設備連續工作應力的綜合［3-4］。液壓螺栓由于過盈配合產生的接觸應力及傳遞扭矩產生的應力均為連續工作應力，故計算結果應包含這些應力值。

2.2 時域分析法

時域分析法可對各種非線性因素進行精確仿真，是目前國內外廣泛應用的一種計算方法。該方法采用實測的時間歷程曲線或標準的基礎輸入時程曲線作為設備的沖擊輸入載荷，對設備進行瞬態動響應分析。本文采用德國艦船沖擊標準BV043/85 規定的雙三角加速度時間歷程曲線，如圖4所示。

根據BV043/85 要求，相關參數計算方法如下:

1)設備質量小于5 t的隔離系統，抗沖擊指標見表2［6］。

圖4 雙三角形時域曲線Fig.4 Double triangle curve on time domain

表2 BV043/85 中抗沖擊譜Tab.2 Shock spectrum of BV043/85

2)對于設備質量大于5 t的隔離系統，沖擊譜速度和加速度需要進行折減，折減的公式為:

式中:m為隔離安裝的設備質量，t;m0為質量常數，t;A為折減后的加速度譜值，g;V為折減后的速度譜值，m/s。

計算輸入載荷依據表2和圖4 來確定，圖4為從沖擊譜轉換為等效的時域加速度曲線。圖中的參數計算方法如下:

時域法分析時，液壓螺栓抗沖擊計算模型如圖3所示。由于時域法可以把各種非線性因素考慮進來，因此各接觸面定義為Contact。邊界條件為約束兩軸段的外端面，同時釋放其沖擊方向的自由度，三角沖擊波施加在2個軸端面上。

由于整個抗沖擊模型相對于液壓螺栓較大，因此，本文采用子模型算法對液壓螺栓進行詳細計算。子模型法又稱切割邊界法或特定位移法，是一種基于圣維南原理精確計算結構中的細部構件方法。該方法用整體模型切割邊界上的位移作為子模型的位移邊界條件，對子模型進行重新計算，可得到更為精確的計算結果［7］。

子模型分析步驟為:

1)對整體模型進行分析;

2)對子模型建模，并使子模型在總體坐標系中的位置與其在整體模型中的相應位置一致;

3)提取子模型切割邊界條件;

4)分析子模型，使用子模型結果文件，讀入切割邊界條件文件，并在子模型上施加切割邊界條件以外的載荷和約束。

3 材料屬性及計算工況

本文以某型艦船軸系用液壓螺栓為分析對象，對其抗沖擊性能進行研究。液壓螺栓各部件的材料屬性如表3所示。最大扭矩工況下推進軸系所傳遞的扭矩值為3 800 kN·m。

表3 液壓螺栓各部件材料屬性Tab.3 Material properties of each component

4 計算結果分析

4.1 接觸應力計算結果

最大扭矩工況下，液壓螺栓接觸應力仿真計算結果如圖5～圖8所示。

圖5 整體模型應力分布Fig.5 Material properties of each component

圖6 螺桿及螺母應力分布Fig.6 Stress contours of the screw and nut

圖7 套筒應力分布Fig.7 Stress contours of the sleeve

圖8 法蘭應力分布Fig.8 Stress contours of the flange

從以上結果分析可知，液壓螺栓所有零件應力均遠小于材料屈服極限。整個結構最大應力出現在液壓螺栓套筒承受兩法蘭面剪切的位置，最大值為565.6 MPa。其余大部分區域應力較平均，在320 MPa 左右。

4.2 頻域分析計算結果

抗沖擊計算無論頻域還是時域都應進行垂向、縱向和橫向的評估。由于垂向沖擊破壞最大，本文只對垂向結果進行分析。液壓螺栓抗沖擊頻域計算結果如圖9～圖11所示。

圖9 整體模型垂向沖擊應力云圖Fig.9 The whole model stress contours upon vertical shock

圖10 螺桿及螺母垂向沖擊應力云圖Fig.10 The screw and nut stress contours upon vertical shock

圖11 套筒垂向沖擊應力云圖Fig.11 The sleeve stress contours upon vertical shock

該液壓螺栓頻域垂向沖擊應力綜合結果為:螺桿最大應力419.60 MPa 出現在螺桿與螺母連接的過渡圓角處;套筒最大應力571.07 MPa，出現在套筒被兩法蘭面剪切的內表面。液壓螺栓各部件最大應力都符合GJB1060.1 -1991 抗沖擊性能要求，小于材料屈服極限。

4.3 時域分析計算結果

時域法子模型計算結果如下所示。由圖15和圖16 可知，螺桿和套筒最大應力出現在沖擊的初始時刻，分別為411.32 MPa和622.46 MPa，均小于其材料的屈服極限，符合抗沖擊性能要求。

圖12 0.603 ms 子模型整體時域垂向沖擊應力云圖Fig.12 The whole model stress contours upon vertical shock on time domain (0.603 ms)

圖13 0.603 ms 時刻螺桿及螺母時域垂向沖擊應力云圖Fig.13 The screw and nut stress contours upon vertical shock on time domain (0.603 ms)

圖14 0.603 ms 時刻套筒時域垂向沖擊應力云圖Fig.14 The sleeve stress contours upon vertical shock on time domain (0.603 ms)

圖15 時域垂向沖擊套筒某參考點(節點17422)應力時歷曲線Fig.15 The time history plot of stress at node 17422 on sleeve

圖16 時域垂向沖擊螺桿某參考點(節點56715)應力時歷曲線Fig.16 The time history plot of stress at node 56715 on crew

5 結 語

本文分別對液壓螺栓在最大扭矩工況下的接觸應力及抗沖擊性能進行仿真計算。分析結果表明:

1)在最大扭矩工況下，液壓螺栓套筒在2個法蘭面接觸處受較大剪切應力，是該液壓螺栓最危險的部位。在設計加工過程中可采用適當的方法進行強化。

2)抗沖擊各部件應力時歷曲線顯示，最大應力出現在沖擊的初始時刻，且都小于材料屈服強度，符合抗沖擊性能要求。

［1］汪玉，華宏星.艦艇現代沖擊理論及應用［M］.北京:科學出版社，2005.

［2］劉建湖.艦船非接觸性水下爆炸動力學的理論與應用［D］.無錫:中國船舶科學研究中心，2003.

［3］GJB1060.1 -1991 艦船環境條件要求—機械環境［S］.北京:國防科學技術工業委員會，1991.

［4］童水光，魏超，費鐘秀，等.船用齒輪箱系統抗沖擊特性數值仿真［J］.振動與沖擊，2012，31(12):79 -85.TONG Shui-guang，WEI Chao，FEI Zhong-xiu，et al.Numerical simulation for anti-shock characteristic of a marine gearbox system［J］.Journal of Vibration and Shock，2012，31(12):79 -85.

［5］計晨，汪玉，楊莉，等.柴油機主要部件沖擊響應時域分析［J］.兵工學報，2011，32(4):391 -396.JI Cheng，WANG Yu，YANG Li，et al.Time domain analysis on shock response of main componets of diesel［J］.Acta Armamentarll，2011，32(4):391 -396.

［6］BV043/85 沖擊安全性，聯邦德國國防軍建造規范［S］.1985.

［7］ABAQUS Analysis User′s Manual.ABAQUS INC，2012.