基于Workbench響應譜分析的魚雷振動傳遞優化

王 路, 尹韶平, 曹小娟, 郭 君, 郝東旭

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基于Workbench響應譜分析的魚雷振動傳遞優化

王 路1, 2, 尹韶平1, 曹小娟1, 郭 君1, 郝東旭3

(1. 中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西西安, 710077; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西西安, 710077; 3. 中國人民解放軍92840部隊, 山東青島, 266405)

在魚雷方案設計階段, 為降低結構振動傳遞響應, 優化設計參數, 采用有限元法, 建立了基于Work- bench的魚雷結構參數化等效模型。以某型魚雷為例進行全雷結構響應譜分析, 以減小振動傳遞響應為目標, 優化等效集中質量、殼體厚度、矩形截面加強筋尺寸等結構設計參數。仿真結果表明, 該參數化等效模型能有效仿真魚雷結構振動傳遞特性, 結構經優化后自導頭段振動傳遞響應有所降低。

魚雷; 振動傳遞; 響應譜分析; 優化設計; 有限元分析

0 引言

魚雷是一種復雜的水下武器系統, 其結構聲學設計直接影響魚雷戰斗性能。魚雷結構振動傳遞特性研究及魚雷振動噪聲預報是魚雷產品結構設計中的重要環節[1]。

隨著計算機運行速度的加快, 采用有限元法進行結構動力學分析成為主流。有限元法具有計算精度高、成本低、快捷方便、適用于任何復雜結構的優點, 因此考慮采用有限元法建立參數化模型進行振動噪聲預報和低噪聲設計優化[2]。

文章采用ANSYS有限元商業軟件的work- bench界面建立魚雷殼體結構參數化等效模型, 導入模態分析模塊根據以往模態試驗數據修正輸入參數, 在響應譜分析模塊中加載發動機振動響應譜, 通過模態合并法計算結構振動特性, 進行結構振動傳遞特性建模仿真。加載優化分析模塊, 進行可調參數敏感性分析, 選取設計變量, 優化結構振動傳遞響應。

1 全雷結構簡介

魚雷結構主要由自導頭段、戰雷段、電子段、燃料段、動力段、尾段六大艙段組成, 發動機是主要振源, 魚雷結構振動主要通過殼體傳遞, 當動力系統的振動能量傳遞到艙段殼體后, 殼體結構主要以彎曲波的形式把振動傳遞到給其他耦合殼體結構, 形成殼體表面振動場[3]。

研究考慮動力段振動向前傳遞, 自導頭段對振動傳遞最為敏感, 結構振動傳遞噪聲會影響自導元器件及聲吶基陣工作效果。為方便參數化建模分析, 選擇動力段殼體為振動輸入端, 自導頭段殼體為振動輸出端, 建立全雷結構有限元參數化模型, 為后續響應譜分析和優化分析做準備。

2 基于workbench的有限元建模

2.1 艙段殼體

魚雷艙段殼體多為旋轉圓柱殼結構, 采用Shell單元建模比采用實體拉伸建模更易于參數化控制, 運算速度也更快捷。同時, 為方便后續參數優化分析計算, 將頭段殼體及尾段殼體簡化為等長圓柱殼。

2.2 楔環結構

楔環聯接是魚雷典型聯接結構。由于魚雷殼體楔環部位涉及到2段殼體、2個楔環、填片、蓋板和蓋板螺釘等多個零件, 相互的力傳遞特性也很復雜, 為了方便建模和保證計算過程的穩定性和收斂性, 將楔環和殼體軸結構、殼體孔結構連接段作為整體建立等效楔環段模型[4], 如圖1所示。

圖1 楔環等效模型對比示意圖

Fig. 1 Comparison of wedged-ring equivalent models

在幾何模塊中依次拉伸面體建立自導頭段、楔環1、操雷段、楔環2、電子段、楔環3、燃料段、楔環4、動力段、楔環5和尾段。

2.3 艙段殼體加強筋

魚雷艙段殼體為保證殼體強度需要在內部建立環狀加強筋, 加強筋采用線體單元建模。并賦予加強筋線體截面幾何形狀。在偏置選項中將沿中心偏置改為沿頂部偏置, 并將偏置距離參數與殼體厚度關聯起來, 使加強筋與殼體幾何模型得以連接。

2.4 艙段內部結構等效質量

魚雷各艙段內部結構較為復雜, 如果內部按照實體建模, 勢必增加運算量。文中所研究魚雷結構振動傳遞主要沿殼體傳播, 內部結構主要作為質量參與振動。故可選擇將內部結構作為集中質量點單獨賦予。

各艙段除殼體外內部組件質量用等效集中質量點來表示并附加在各段重心上, 如圖2所示。

3 模型參數

3.1 材料參數

將得到的幾何模型導入workbench模態分析模塊, 賦予材料屬性初值參數。各艙段殼體及加強筋采用鋁合金材料, 其彈性模量=71 GPa, 泊松比=0.33, 密度=2 770 kg/m3。

由于魚雷艙段連接并非完全剛性, 其柔性連接剛度不宜測定, 需要參考經驗值并依據試驗結果進行調節。而各楔環連接段作為單獨子結構, 調整其彈性模量即可調整各艙段間的連接剛度。

3.2 幾何參數及網格劃分

幾何模塊中, 艙段模型及楔環連接段模型都為面體, 應在分析界面中賦予面體厚度, 并沿面體劃分網格, 網格要求均勻且適當細致, 過于細致會影響后續參數優化分析效率。因魚雷結構尺寸較大, 圓柱殼體網格較為規則, 本模型選取網格單元尺寸為30 mm, 繪制四邊形面網格見圖3。

3.3 各楔環彈性模量

采用響應譜分析模塊計算魚雷殼體振動傳遞基于模態合并法, 故首先進行模態分析。調整各楔環彈性模量, 使前3階方向自由模態固有頻率對準試驗值。調整方法可采取參數設計點手動調整或采用對準前3階自由模態頻率作為目標函數根據優化模塊算法自動調整。文中采用手動調整, 調整后的各楔環彈性模量如表1所示[5]。

表1 各楔環彈性模量

前3階自由模態頻率試驗值與模型楔環彈性模量調整前后值對比如表2所示, 括號內為模型仿真值與試驗值的相對誤差。

表2 前3階自由模態頻率

可以看出, 楔環彈性模量對全雷自由模態頻率影響較大, 調整后的模型前3階自由模態頻率與試驗值更為接近。調整后模型其前3階自由方向模態振型如圖4所示。

4 Workbench響應譜分析

響應譜分析是模態分析的延伸, 用于計算結構受到沖擊載荷或隨機載荷(如地震、波浪、發動機推力、振動等)時產生的動力響應情況。譜分析計算結構在每個固有頻率處給定譜值下的最大響應, 將其作為模態的比例因子, 并將模態合并來給出結構的總響應。

本模型采用單點譜分析, 模態合并采用SRSS均方根法。考慮到模態質量大于0.9時模態合并法有效, 模態分析頻段取0~800 Hz。去除呼吸模態, 前3階自由模態頻率與試驗值相仿認為模態分析可靠。恒定阻尼比取0.02, 選擇動力艙段殼體作為輸入端加載發動機振動加速度響應譜, 方向沿軸正向。自導頭段殼體為振動傳遞響應輸出端, 提取正向加速度響應輸出。輸入響應譜頻段在1~500 Hz, 分析頻段在1~800 Hz(已將前3階自由模態頻率包含在內), 步長為1Hz。由于在workbench環境下加載響應譜需要施加動力段殼體位移約束, 故頭段加速度響應為動力段加速度輸入的相對值。

以上魚雷結構設計參數均為初值, 可得到設計初值響應譜分析結果。

5 Workbench優化設計

Workbench設計探索(design exploration)是功能強大、方便易用的多目標優化及穩健性設計模塊。該模塊包括目標驅動優化(goal driven optimization), 用于尋找最佳設計點; 相關參數(parameters correlation), 用于得到輸入參數敏感性; 響應曲面(response surface), 用于觀察輸入參數的影響, 通過圖表的形式動態顯示輸入輸出參數間的關系; 六西格瑪設計(six sigma analysis),用于評估產品的可靠性, 其技術基于6個標準誤差理論[6]。

Workbench優化設計的思想是按某種算法生成一系列的離散設計點帶入模型運算并擬合成響應曲面, 在響應曲面上插值選出3組滿足目標函數的優化設計點, 最終將優化設計點代入計算模型得到優化結果。

5.1 目標函數

本次優化為單目標優化, 以頭段殼體加速度響應的最大值變得最小作為優化目標。即目標函數為

其中:max代表頭段殼體加速度響應的最大值;代表輸入設計參數矩陣;和分別代表輸入設計參數取值的下限與上限;T代表設計參數系數矩陣的轉置。

5.2 設計變量

在滿足結構強度的前提下, 可調參數分為3組: 一是各段等效集中質量, 共6個參數, 變化范圍為; 二是各段殼體厚度, 共6個參數, 變化范圍可上調1 mm; 三是矩形截面加強筋尺寸, 燃料段加強筋形狀尺寸保持不變, 可變尺寸參數有戰雷段筋1、筋2, 電子段筋, 動力段筋1、筋2這5個矩形截面加強筋徑向厚度與軸向厚度共10個參數, 變化范圍為。

由于可調參數較多, 需分別對各組參數作敏感性分析, 找到對振動傳遞貢獻量敏感性較大的參數作為最終優化設計變量。

設定好目標函數及可調參數變化范圍后, 分別對3組可調參數進行敏感性分析, 在相關參數模塊中查看輸入參數敏感性分析如圖5所示。

從圖5(a)各段等效集中質量組可以看出, 頭段等效集中質量和燃料段等效集中質量敏感性較大, 可選為優化設計變量。從圖5(b)各段殼體厚度組可以看出, 頭段殼體厚度和燃料段殼體厚度敏感性較大, 可選為優化設計變量。從圖5(c)各矩形截面加強筋尺寸組可以看出, 戰雷段筋1的B1和電子段筋的A3敏感性較大(A代表加強筋徑向厚度, B代表加強筋軸向厚度, 1代表第1根筋, 3代表第3根筋), 可選為優化設計變量。

5.3 優化設計結果

經過敏感性分析, 最終選定的設計變量為: 頭段等效集中質量和燃料段等效集中質量, 頭段殼體厚度和燃料段殼體厚度, 戰雷段筋1的B1和電子段筋的A3, 共6個參數。其他參數按初值取, 使頭段殼體加速度響應的最大值變得最小作為優化目標, 尋找到3組優化設計點, 代入計算。

通過有限元軟件仿真優化結果(見表3)可以看出, 經過優化, 頭段殼體加速度響應的最大值由初值192.05 mm/s2降到166.58 mm/s2, 降低了1.24 dB, 表明該魚雷結構參數化模型可較好地應用于魚雷結構產品設計的振動聲學特性優化。

表3 參數化模型優化結果

6 結束語

文章建立的有限元參數化模型可有效用于魚雷結構振動傳遞研究。其中楔環等效模型、加強筋的線體模型, 艙段殼體的面體模型、艙段內部等效集中質量的建模方法提高了建模及運算效率, 加強了參數間的關聯性。可調設計參數敏感性分析使后續優化工作減小了計算量, 為魚雷結構聲學設計參數優化提供了有效解決途徑。

[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] 曹銀萍, 石秀華. 基于ANSYS的魚雷有限元建模與模態分析[J]. 彈箭與指導學報, 2009, 29(3): 289-292.Cao Yin-ping, Shi Xiu-hua. Finite Element Modeling and Modal Analysis of Torpedo Based on ANSYS[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2009, 29 (3): 289-292.

[3] 張宇文. 魚雷總體設計原理與方法[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 1995.

[4] 劉飛飛, 石秀華, 杜喜昭, 等. 楔環聯接方式的圓柱殼體振動傳遞特性分析[J]. 國外電子測量技術, 2011, 30 (12): 30-33.Liu Fei-fei, Shi Xiu-hua, Du Xi-zhao, et al. Analysis on the Vibration Transfer Characteristic of the Cylindrical Shell with Wedge Ring[J]. Foreign Electronic Measurement Technology, 2011, 30 (12): 30-33.

[5] 馬銳磊, 尹韶平, 曹小娟, 等. 魚雷楔環連接結構等效剛度建模與模態分析[J]. 艦船科學技術, 2014, 36(2): 143-147.Ma Rui-lei, Yin Shao-ping, Cao Xiao-juan, et al. Research on Finite Element Modeling and Modal Analysis of Torpedo?s Wedged-ring Connection Structure[J]. Ship Sci- ence and Technology, 2014, 36(2): 143-147.

[6] 凌貴龍. ANSYS Workbench 13.0從入門到精通[M]. 北京: 清華大學出版社, 2012.

Vibration Transfer Optimization of Torpedo Based on Workbench Response Spectrum

WANG Lu1,2, YIN Shao-ping1, CAO Xiao-juan1, GUO Jun1, HAO Dong-xu3

(1. The 705th Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi￠an 710077, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi￠an 710077, China; 3. 92840thUnit, The People′s Liberation Army of China, Qingdao266405, China)

For reducing structural vibration transfer response and optimizing design parameters in the scheme design phase of a torpedo, finite element analysis is employed to establish a parameterized equivalent model of torpedo structure based on Workbench. Response spectrum analysis is conducted for the shell of a certain type torpedo. The design parameters, like equivalent concentration of mass, shell thickness, and size of reinforcing rib with rectangular cross section, are optimized to reduce the vibration transfer response. Simulation results show that this parameterized equivalent model can effectively simulate the characteristic of structural vibration transfer of a torpedo, and the vibration transfer response of the homing head cabin decreases after optimization.

torpedo; vibration transfer; response spectrum analysis; optimization design; finite element analysis(FEA)

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.01.003

TJ630

A

1673-1948(2016)01-013-05

2015-09-02;

2015-10-19.

王 路(1991-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為魚雷總體技術.

(責任編輯: 陳 曦)