艦船機電控制設備隔沖性能分析

陳　榮，趙鼎鼎，孫偉星，李　江(中國船舶重工集團公司第704研究所，上海200031)

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艦船機電控制設備隔沖性能分析

陳榮，趙鼎鼎，孫偉星，李江
(中國船舶重工集團公司第704研究所，上海200031)

摘要：將艦船機電控制設備作為單自由度隔沖系統建立隔振系統動力學模型。以響應加速度為指標分析系統沖擊隔離能力，為機電控制設備隔沖裝置設計提供參考。構建艦船機電控制設備沖擊有限元模型，進行設備非線性顯示動力學計算，研究機電控制設備隔沖性能。最后，搭建機電控制設備沖擊試驗平臺，測試設備沖擊動態特性。

關鍵詞：振動與波；控制設備；隔沖；虛擬仿真；有限元分析

艦船機電控制設備在服役過程中不可避免將遭受炸彈、導彈、魚雷、水雷等武器的攻擊，承受瞬態沖擊波及氣泡脈動壓力等非接觸沖擊。在強沖擊作用下，艦船機電設備將出現沖擊應力應變、沖擊響應位移超標等現象，這些都將導致艦船機電設備出現破壞、功能失效甚至造成戰斗力喪失等嚴重后果[1，2]。此外，隨著計算機技術的發展，有限元法進行結構動力學分析計算已經得到廣泛的應用[3，4]。但是，運用有限元法對艦船機電控制設備開展結構沖擊以及隔沖性能分析的相關文獻仍然很缺乏，也存在諸多困難。其難點主要有：大部分機電控制設備是彈性安裝，彈性裝置尤其是鋼絲繩減振器的有限元建模存在很多不確定性因素；機電控制設備中元器件與導軌、箱體與減振器之間的連接方式均為非線性連接，接觸類型以及接觸參數的確定存在一定困難。艦船機電控制設備包括配電箱、電控箱、控制面板等，他們廣泛地分布在艦船各個艙室和位置，控制機電設備正常啟動、停止以及運行狀態。可以說，機電控制設備的沖擊環境適應性關系到機電設備功能的發揮，甚至影響艦船系統的正常工作及作戰性能。開展艦船機電控制設備的沖擊響應特性以及隔沖性能仿真研究，可以揭示控制設備的沖擊環境特征，提高設備的環境適應能力。

與振動隔離一樣，沖擊隔離也有被動與主動之分。激勵直接施加在設備上，所采用的隔離措施為主動隔沖，而當激勵作用位置為機座時，所采用的隔離措施稱為被動隔沖[5]。經典隔沖理論表明：當沖擊激勵作用時間相比隔離系統振動周期較大時，沖擊往往被放大；只有當沖擊激勵作用時間遠小于系統振動周期時，減振器才能有隔沖效果[5]。機電控制設備隔振器剛度的設計就是依據這個原理進行。

1　機電控制設備隔沖設計

艦船機電控制設備連接方式有剛性和彈性連接，安裝方式主要有立式和壁掛式安裝，設備的彈性裝置主要有橡膠減振器和鋼絲繩減振器。以艦船上常見的帶鋼絲繩減振器的壁掛式機電控制設備為研究對象，將其力學模型簡化成如圖1所示單自由度系統。設備模化成質量為ma的質量塊，而鋼絲繩減振器模化為剛度為ka、阻尼比為ηa的復剛度彈簧，沖擊載荷施加在設備的機座。

由杜哈美積分，求解得初始狀態為靜止系統的沖擊響應為

當載荷為半正弦加速度沖擊時，則有

則系統的響應速度可以寫成

進一步地，系統的響應加速度可以寫成

至此，隔沖系統中機電控制設備的加速度響應為

取鋼絲繩減振器的剛度阻尼比ηa=0.1，沖擊載荷的幅值為10 g，脈寬為1 ms，則載荷的沖擊頻率fa為1 000 Hz。利用MATLAB編程計算得到機電控制設備加速度響應結果如圖2所示。

可見，當沖擊載荷施加在固有頻率遠大于沖擊頻率的隔沖系統上時，沖擊能量毫無衰減地傳遞到機電控制設備上，即設備上的加速度響應與載荷基本一致；當隔沖系統固有頻率等于或者相近于沖擊頻率時，傳遞到設備上的沖擊幅度被大幅放大；當隔沖系統固有頻率小于0.3倍沖擊頻率時，傳遞到設備上的沖擊幅度開始逐漸衰減；當隔沖系統固有頻率遠小于沖擊頻率時，傳遞到設備上的沖擊幅度大幅衰減；由于減振器阻尼的存在，設備響應在沖擊載荷過后的時間里逐漸衰減。利用式(3)至式(7)計算可知，當隔沖系統無阻尼時，只有沖擊頻率為系統固有頻率3.75倍以上時，即當沖擊激勵作用時間小于隔振系統振動周期的1/3.75時，系統才能起到隔沖效果。

圖1　單自由度隔沖系統力學模型

圖2　單自由度隔沖系統沖擊響應

2　隔沖性能分析

艦船機電控制設備可以分為控制箱、控制柜、電源箱，其結構形式通常由箱體、安裝面板及其內部電子、電氣元件等組成。機電控制設備的零部件、元器件之間的連接方式主要有剛性、預緊力接觸、焊接、螺栓等。下面以現役XX型XXX艇機電控制箱為典型對象，開展艇用電控箱的隔沖性能虛擬仿真研究。利用有限元分析軟件Ansys搭建了如圖3所示電控箱的有限元模型。電控箱通過4個鋼絲繩減振器壁掛式安裝。箱體、箱門、電器安裝板、導軌采用SHELL單元，電器元件采用SOLID單元，鋼絲繩減振器采用BEAM單元。所建立的機電控制設備的整體質量為13.2 kg，總單元數為15 455，節點數為16501。鋼絲繩減振器與箱體以及箱體與箱門(圖中省略)之間采用剛性連接，箱體與電器安裝板之間以及安裝板與電器導軌之間采用螺栓連接方式，而電器元件與導軌之間采用面接觸的連接方式。機電控制設備箱體、箱門、電器安裝板以及導軌的材料為Q235鋼，元器件為丙烯晴類塑料。

圖3　機電控制箱的有限元模型

在開展電控箱沖擊性能分析之前，有必要先了解設備自身的動態性能，即對電控箱進行有限元模態分析。計算得到電控箱隔沖系統的橫向、垂向和縱向剛體模態頻率分別為6.5 Hz、9.2 Hz和36.5 Hz，每階模態對應的振型分別如圖4(a)至圖4(c)所示。

圖4　電控箱振型

利用非線性動力學計算軟件LS-DYNA求解機電控制箱在沖擊載荷作用下的動態響應。沖擊載荷沿著設備背部法向均勻地施加在減振器的背部。載荷的波形依據GJB150.18A《軍用裝備實驗室環境試驗方法第18部分：沖擊試驗》確定。虛擬仿真計算中輸入的沖擊波形如圖5(a)所示，計算求得設備機腳(如圖3所示)處的加速度響應結果如圖5(b)至圖5 (d)所示。當電控箱隔沖系統的固有頻率fn分別為9.2 Hz、19.5 Hz和104.0 Hz時，電控箱機腳處的加速度響應依次如圖5(b)、圖5(c)和圖5(d)所示。結果表明：對于固有頻率較小的隔沖系統，傳遞到設備機腳的沖擊幅度大幅減小；隨著系統固有頻率增大，設備隔沖能力減弱；當系統固有頻率很大時，鋼絲繩減振器基本起不到沖擊隔離效果。

圖5　沖擊波波形與電控箱加速度響應曲線

3　沖擊試驗

為了驗證機電控制箱虛擬仿真模型的正確性，下面對電控箱開展沖擊試驗，沖擊試驗平臺如圖6所示。試驗設備為C200輕型沖擊機，試驗樣品質量為37 kg，樣品背部安裝4個GS-25鋼絲繩減振器。減振器垂向動剛度的實測值為1.31×105N/m，則電控箱的縱向振動模態為18.9 Hz。在電控箱機腳位置(圖6中1#所示)和減振器底部(圖6中2#所示)各安裝一個沖擊傳感器，測量電控箱減振器上下的縱向加速度響應。傳感器型號為PCB 350 B 04，靈敏度分別為0.960 mV/g和0.921 mV/g。測試系統采樣頻率為64 kHz，分析頻率上限為25 kHz。測量得到電控箱機腳即圖6中1#所在位置的沖擊加速度響應結果如圖7(a)所示。依據試驗樣品，在有限元軟件ANSYS中搭建相同尺寸、質量和邊界條件的電控箱及其元器件的有限元模型，利用LS-DYNA非線性沖擊計算得到機腳(如圖6中2#所在位置)的響應結果如圖7(b)所示。比較發現，實測和仿真得到的電控箱機腳沖擊加速度幅值和相位結果基本吻合。這表明，有限元模型中結構、連接方式等簡化處理合理，虛擬仿真模型正確。

4　結語

以艦船機電控制設備為研究對象，建立其單自由度沖擊系統力學模型，討論系統參數對電控設備隔沖性能的影響。利用非線性顯示動力學方法開展

機電控制設備隔沖性能虛擬仿真。結果表明，在保證機電控制設備動態穩定性的前提下，設備中隔沖裝置剛度越小，設備響應加速度越小，從而設備的抗沖擊能力越強。搭建了電控箱沖擊試驗平臺，電控箱沖擊響應的實測結果較好地驗證了電控箱虛擬仿真模型的正確性。

圖6　電控箱沖擊試驗

圖7　電控箱沖擊加速度曲線

參考文獻：

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[5]沈榮瀛.沖擊隔離技術評述[J].噪聲與振動控制，1993，13(4)：16-17.

Study on Shock Isolation Performance of Mechanical and Electrical Control Equipment of Warships

CHEN Rong , ZHAO Ding-ding , SUN Wei-xing , LI Jiang
( No. 704 Research Institute CSIC, Shanghai 200031, China)

Abstract:A single degree-of-freedom shock isolation system was established to model the mechanical and electrical control equipment of warships, and the shock isolation performance of the single DOF system was evaluated by the parameter of the response acceleration. The analysis results could provide references for shock isolator design. Then, the finite element model for shock isolation analysis of the control equipment was established by ANSYS and solved in LSDYNA by using explicit dynamic method. The numerical results for the isolation performance of the equipment were discussed in detail. Finally, a shock test scheme of the control cabinet was established for measuring the shock acceleration response.

Key words:vibrationandwave; control equipment; shock isolation; virtual simulation; finiteelement analysis

作者簡介：陳榮(1985- )，男，浙江瑞安人，工學博士，工程師，從事機械振動噪聲、艦船機電設備可靠性設計研究。E-mail:rchen@sjtu.edu.cn

基金項目：國防科工局技術基礎資助項目(JSJC2013207CH02)

收稿日期：2015-08-14

文章編號：1006-1355(2016)02-0101-03+107

中圖分類號：TB53

文獻標識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.022