基于模態疊加算法的輕型魚雷雷載設備振動環境研究

張溢文, 尹韶平, 王志杰, 郭 君, 張志民, 高 山

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基于模態疊加算法的輕型魚雷雷載設備振動環境研究

張溢文1,2, 尹韶平1, 王志杰1, 郭 君1, 張志民1, 高 山1

(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)

為解決輕型魚雷雷載設備振動環境復雜, 實測數據不足的問題, 針對魚雷雷載電子設備振動環境開展研究。以有限元方法為基礎建立了輕型魚雷電子艙段的計算模型, 使用ANSYS Workbench進行模態分析并提取了固有頻率和振型等模態數據。通過與模態試驗數據對比, 驗證了計算模型的正確性。隨后使用模態疊加算法進行了各雷載設備振動環境預示。針對預示結果出現的隔板裝配設備力學環境惡劣的問題, 提出了改進措施。與原方案對比可知, 改進方案的振動均方根數據降幅超過40%, 具有工程實用價值, 可在輕型魚雷結構設計中推廣。

魚雷雷載設備; 模態疊加法; 模態分析; 模態試驗; 振動環境預示

0 引言

輕型魚雷作為魚雷的重要分支, 主要用于打擊敵方常規動力潛艇和核動力潛艇, 可裝備大、中型水面艦艇、反潛直升機和固定翼反潛飛機, 也可作為反潛導彈的戰斗載荷[1]。輕型魚雷多平臺使用的特點決定了其雷載設備在產品全生命周期中會經歷復雜多樣的力學環境。在前期實航試驗中曾多次出現因惡劣力學環境導致雷載電子設備失效的嚴重故障。因此研究雷載電子設備的力學環境, 為其環境適應性設計提供數據支撐具有重要的工程實用價值。

針對振動環境預示問題, Kolaini與Tsoi[2-3]等利用耦合有限元/邊界元方法對混響聲場作用下的衛星天線結構動力學響應進行了研究。馬銳磊[4-5]等通過對楔環連接的等效, 建立了魚雷振動噪聲計算模型, 對魚雷典型部位的低頻振動環境以及輻射聲功率進行了計算研究。韓飛[6]等采用子結構導納法建立了UUV動力艙段的耦合振動傳遞計算模型, 求解了艙段殼體目標點處的振動響應, 并以此展開了參數影響規律研究。前期開展的振動環境預示主要研究方向為振動對結構的影響及振動引起的輻射噪聲預報, 但在電子設備振動環境問題上未開展深入研究。文中主要對輕型魚雷雷載電子設備振動環境進行研究, 以有限元方法為基礎, 通過模態試驗驗證模型, 使用模態疊加算法計算雷載設備安裝點的振動環境, 并針對隔板裝配設備出現的結構共振問題提出了改進措施。

1 有限元模型的建立

1.1 艙段布局及坐標系定義

電子艙段的布局如圖1所示, 其主要由設備1、設備2、設備3、設備4、隔板和殼體6個零部件組成。其中設備1、設備2與設備3直接固定在殼體上; 設備4固定在隔板上, 隔板與殼體再通過螺釘連接固定。

為便于施加邊界條件及說明計算結果, 定義直角坐標系如下: 坐標原點為艙段分界面圓心位置,軸從原點沿殼體徑向指向楔環接口中央,軸從原點沿殼體軸向指向雷尾,軸可由右手定則確定。同時規定文中使用的長度及位置度量單位均為mm。

1.2 模型簡化

有限單元法是一種獲得工程問題近似解的數值分析方法, 其運算速度與網格數量, 邊界條件設置存在很大關系。采用合理方式簡化幾何模型及邊界條件, 將大幅提高運算速度并使計算結果與真實數據的誤差控制在合理范圍內[7]。表1為艙段有限元建模的簡化處理方法。

表1 電子艙段有限元建模簡化方法

1.3 接觸定義

殼體與隔板的裝配方式如圖2所示, 隔板端面與殼體內環端面接觸, 并通過8個螺釘固定。

由裝配方式可知, 在螺釘連接處, 殼體與隔板剛性固連, 所以在此處施加綁定約束。隔板端面與殼體內環面接觸但不固連, 因此在此處施加無摩擦接觸約束。

1.4 材料賦值

殼體與隔板均使用鋁合金材料, 但在賦值時調整了隔板材料的密度以包含電路板質量。材料屬性如表2所示。

表2 材料屬性

1.5 網格劃分

使用Hypermesh軟件對簡化后的幾何模型劃分網格。殼體使用四面體單元, 全局尺寸8 mm; 隔板使用六面體單元, 全局尺寸4 mm, 按前文規定設置集中質量。劃分網格結果如圖3所示, 共生成網格117 142個, 節點210 043個, 經網格質量檢查未發現不良單元。

2 電子艙段模態分析

2.1 模態分析基本理論

多自由度系統動力學方程為[8]

式中:為質量矩陣;為阻尼矩陣;為剛度矩陣;為位移向量;為力向量。對于低阻尼材料, 可忽略系統阻尼; 同時令=0, 即得到系統自由振動方程

(2)

設微分式(2)的特解為

將式(3)代入式(2)得

(4)

(6)

系統的振動響應可表示為各階模態貢獻量之和, 即

式中:q為第階模態坐標。

2.2 模態計算

將已建立的有限元模型導入ANSYS Workbench模態分析模塊, 選用迭代求解器計算電子艙段模態。為與試驗結果相互對照, 計算自由狀態下的模態, 因此, 會出現6階趨近于0的模態(3階平動與3階轉動)。通過設置分析頻率范圍過濾, 計算得出前6階固有頻率如表3所示。

表3 計算固有頻率

各階固有頻率對應的振型如圖4所示。

3 電子艙段模態驗證試驗

3.1 模態試驗

模態試驗是一種通過試驗來獲取系統模態參數的方法。將試驗提取的模態參數與有限元仿真計算得出的參數相對比, 可以驗證有限元模型的正確性, 進而確保振動環境預示計算結果的準確性。

此次試驗采用錘擊法測量電子艙段的模態。試驗時用彈性繩懸吊電子艙段以模擬自由狀態(彈性懸吊系統的1階固有頻率約為30Hz?艙段1階固有頻率)。使用LMS Test. Lab系統采集與處理模態參數, 試驗現場見圖5。

3.2 模態參數提取

LMS Test. Lab采用PolyMax法辨識模態參數, PolyMax法也稱作多參考點最小二乘復頻域法, 是一種對極點和模態參與因子進行整體估計的多自由度法[9]。該方法可以建立清晰的穩態圖, 通過選取極點獲得模態參數。在模態密集系統或頻響函數受噪聲污染的情況下該方法仍具有良好的識別精度。電子艙段模態試驗得出0~1000 Hz頻率范圍內的穩態圖如圖6所示。

穩態圖中各點(stable點)聚集的頻響函數峰值對應的頻率為固有頻率, 相應的振型為模態振型。

3.3 試驗結果與仿真結果對比

試驗提取到的固有頻率及模態振型與有限元分析計算得出的相應數據對比見表4和圖7。

表4 固有頻率對比

通過對比固有頻率與振型可知, 用有限元方法計算出的1~6階模態與試驗測得的1~6階模態存在一一對應關系。固有頻率誤差<7%, 振型一致性較好。因此電子艙段有限元模型準確, 可以用于雷載設備振動環境預示計算。

玉米機收跨越發展。玉米聯合收獲機從1978年的100臺發展到今年的8萬多臺，玉米機收由29萬畝發展到4075萬畝，機收水平從不到1%快速提高到86%。

4 雷載設備振動環境預示

4.1 雷載設備振動環境

雷載設備的振動環境主要包括: 魚雷運輸、存儲過程中的顛振激勵; 助飛魚雷空中飛行時的氣動振顫及助推器的振動激勵; 水下航行時湍流引起的振動及動力系統的振動激勵等。

顛振激勵在頻域上表現為低頻大幅度振動, 可通過在改進魚雷包裝箱, 填充發泡緩沖材料進行抑制, 故在魚雷力學環境適應性設計中不著重考慮?？罩酗w行和水下航行時產生的振動激勵在頻域上表現為寬頻隨機振動, 隨機振動引起的失效形式為疲勞失效。由于魚雷(操雷)可多次重復使用的特點, 此類振動對雷載設備的影響時間最長, 在力學環境適應性設計中必須考慮。

4.2 雷載設備振動環境預示

振動環境預示所用數據為實航試驗所測空中飛行與水下航行時電子艙段的振動功率譜密度, 使用ANSYS Workbench隨機振動分析模塊, 算法為模態疊加法。將振動數據加載至已建立的電子艙段有限元模型殼體上, 計算各個雷載設備安裝基點的振動數據, 結果見表5、表6、圖8和圖9。

表5 各設備空中飛行階段振動均方根數據

5 基于振動環境預示結果的電子艙段改進建議

通過第4章計算結果可知, 安裝在隔板上設備4的力學環境要比安裝在殼體上設備1~設備3惡劣, 在空中飛行及水下航行工況中, 都存在明顯的共振峰。出現問題的原因為, 隔板在設計時未充分考慮力學環境因素, 剛度偏低, 其固有頻率與環境振動頻率接近, 導致結構出現共振[10]。解決此問題的方法為通過改進設計方案, 增加隔板剛度, 提高隔板固有頻率, 避開原共振頻率, 最終達到抑制振動的目的。

表6 各設備水下航行階段振動均方根數據

圖10為改進后隔板設計方案與原方案的對比, 改進方案使用了加強筋結構來提高剛度。參照已經過試驗驗證的電子艙段建模方法, 建立改進方案的計算模型, 通過仿真計算, 可以得出改進方案的振動力學環境, 與原始方案對比見表7和圖11。

表7 設備4振動均方根數據對比

通過對比改進前后的振動數據可知, 改進方案較原方案在空中飛行、水下航行階段振動均方根數據有顯著下降, 降幅超過40%, 在原共振頻段振幅明顯減小。因此在隔板設計中增加加強筋的方案可有效抑制振動。

6 結束語

文中使用有限元方法, 建立了輕型魚雷電子艙段的計算模型。通過模態分析與模態試驗結果對比, 驗證了有限元模型的正確性。使用模態疊加算法計算了艙段內各設備的振動環境。并針對安裝在隔板上設備力學環境惡劣的問題提出了改進方案。與原方案對比可知, 通過改變平板結構, 增加加強筋的隔板改進方案可有效抑制振動, 可在輕型魚雷結構設計中推廣。由于時間有限, 文中未對隔板改進方案進行詳細研究, 后續研究工作可針對隔板結構優化展開, 通過建立參數化模型, 以質量最輕和振動最小為目標, 進一步優化設計方案。

[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]//El Segundo, USA: The 2009 S/C＆L/V Dynamic Environment Workshop, 2009.

[4] 馬銳磊, 尹韶平, 曹小娟, 等. 基于FEM的魚雷低頻振動環境預示方法研究[J]. 艦船電子工程, 2014, 34(5): 136-139.Ma Rui-lei, Yin Shao-ping, Cao Xiao-juan, et al. Torpedo′s Vibration Environment Prediction Method of Low Frequency Based on FEM[J]. Ship Electronic Engineering, 2014, 34(5): 136-139.

[5] 馬銳磊, 尹韶平, 曹小娟, 等. 楔環連接結構對魚雷殼體聲輻射的影響分析[J]. 魚雷技術, 2014, 22(3): 169-173.Ma Rui-lei, Yin Shao-ping, Cao Xiao-juan, et al. Effect of Wedged Ring Connection Structure on Noise Radiation of Torpedo Shell[J]. Torpedo Technology, 2014, 22(3): 169-173.

[6] 韓飛, 王敏慶. 基于子結構導納法的UUV動力艙段參數化建模研究[J]. 西北工業大學學報, 2016, 34(1): 106-111.Han Fei, Wang Min-qing. Parametric Modeling of UUV Dynamic Cabin by Substructure Receptance Method[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 2016, 34(1): 106-111.

[7] 王勖成. 有限單元法[M]. 北京: 清華大學出版社, 2003.

[8] 劉延柱, 陳立群, 陳文良. 振動力學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2011.

[9] LMS Int. LMS Noise/Vibration Testing and Analysis System-Theory and Background[M]. Belgium: LMS Int, 2006.

[10] Qiao F, Huang D, Feng W. Vibration Analysis and Structural Optimization of Multifunctional Structures on Airborne Electronic Equipment[C]//Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation. [s.l.]: IEEE, 2009: 308-312.

(責任編輯: 許 妍)

Research on Vibration Environment of Lightweight Torpedo Borne Equipment Based on Modal Superposition Method

ZHANG Yi-wen,YIN Shao-ping,WANG Zhi-jie, GUO Jun1ZHANG Zhi-min, GAO Shan

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710077, China)

The vibration environment of lightweight torpedo borne electronic equipment is investigated to solve the problem of complex vibration environment and lack of vibration data, this study establishes a calculation model of the torpedo′s electronic cabinet based on finite element method, and calculates modal data, such as natural frequency and vibration modes, by using the software ANSYS Workbench. Comparing the calculated data with the modal testing data, the model is proved to be correct. The modal superposition method is employed to predict the vibration environments of the torpedo borne equipment based on this model. The prediction results show that the equipment assembled on baffle plate is subjected to a harsher vibration environment. So an improved design scheme is proposed to reduce the root mean square of vibration data by more than 40% comparing with the original design, which infers that the improved design scheme can be applied to the structure design of a lightweight torpedo.

torpedo borne equipment; modal superposition method; modal analysis; modal testing; vibration environment prediction

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.06.001

TJ630.3; O32

A

1673-1948(2016)06-0401-06

2016-08-31;

2016-10-09.

張溢文(1988-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為魚雷總體技術.