發射裝置模擬試驗承壓結構的預應力模態分析

陳煒彬, 段 浩, 王 云

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發射裝置模擬試驗承壓結構的預應力模態分析

陳煒彬, 段 浩, 王 云

(中國船舶重工集團公司第705研究所昆明分部, 云南昆明, 650118)

發射裝置模擬試驗承壓結構——假海在試驗時受到發射沖擊的作用, 會產生強烈的振動。假海的振動特性能夠為測試設備的安裝提供指導, 保證測試設備能安裝在適當的位置。通過對假海進行預應力模態分析, 得出其模態特性沒有發生明顯的變化, 從而得出在預應力作用下假海沒有發生明顯的應力剛化。最后通過對假海固有振型的分析得出安裝測試設備的最佳位置。

假海; 預應力; 模態; 應力剛化

0 引言

發射裝置模擬試驗承壓結構[1]是一種在陸上模擬深海高壓環境的試驗設施, 主要由發射裝置、筒體、循環水道和接收裝置等設備組成, 以下簡稱假海, 用來實現發射裝置在陸上的模擬深海發射試驗, 以測試發射裝置在深海發射情況下的各項性能指標。為此, 假海上裝有各種相關的測試設備。但是, 發射裝置在發射時產生的沖擊力將引起假海結構的振動響應, 造成在實際試驗過程中假海內的壓力變化及結構的振動將導致測試數據的精度降低甚至試驗失敗。了解假海在工作狀態下的振動特性, 可以有效指導測試設備的安裝及相關結構的加強, 以保證測試的準確性, 所以有必要對假海結構進行內壓預應力下的振動特性分析。目前對于結構預應力模態的研究已經被各相關行業廣泛運用, 如: 王昆等[2]對于機械臂的預應力模態分析, 證明了該產品能夠保證焊接精度; 吳純潔等[3]對風力發電機塔筒進行了預應力模態分析; 李吉等[4]研究了預應力對風機葉輪模態的影響。文章利用ANSYS Workbench在假海內部壓力不同情況下對其結構進行了模態及預應力模態分析。

1 模態分析理論

模態分析即自由振動分析, 是一種研究結構動力特性的方法。模態是機械結構的固有振動特性, 每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。

結構振動方程[5]如下

由于假海相對振幅較小, 服從胡克定律, 故可視為線性系統; 忽略空氣對假海振動的阻尼作用, 從而將假海視為無阻尼線性系統。對于線性系統而言, 自由振動滿足

由前面兩式可以得到

因此, 結構的振動特征方程為

(4)

當進行有預應力的模態分析時[6], 結構的固有頻率會受到影響, 所以在進行分析時首先需要進行靜力結構分析, 計算公式為

(7)

由上述分析可以看到, 當預應力發生改變, 結構的剛度矩陣將加上一個附加值, 從而對結構的振動特性造成影響。

2 仿真結果與分析

為了研究假海結構在預應力下的振動特性,用Workbench分別對假海在沒有預應力及有預應力情況下的模態進行仿真, 并進行對比分析。

文中分析的假海整體結構長30 m, 寬11 m, 高6.5 m; 筒體兩支座之間距離為8.9 m; 主體結構內徑為6 m; 循環水道安裝中心線位置距接收管安裝端面為7.1 m, 具體外形如圖1所示。

2.1 建模及網格劃分

假海本身的結構相對簡單, 但是其附屬發射裝置則是一個結構相對復雜的零件組合體, 但是這些機構相對與假海結構而言都顯得較小, 且都布置在假海的端部, 在支承方面也都相對獨立, 所以在建模過程中對發射裝置進行省略。在UG上進行假海的3D建模, 對假海上的小結構進行有計劃的簡化, 最后的模型如圖1所示。

假海模型結構很大, 且相對復雜。劃分網格時考慮到計算機的運算能力, 網格不能劃分得太細。所以在網格劃分中根據結構的外形大多屬于拉伸體或旋轉體, 針對各部分的結構特點選擇適當的網格劃分方法, 盡量保證網格的質量。

有限元模型網格劃分如圖2所示, 模型節點數96 902, 單元數55 049。

2.2 無預應力模態分析

實際分析過程中直接調用Workbench模態分析模塊, 對模型進行邊界條件設置后開始進行模態分析計算。假海本身約束較簡單, 通過幾個支座同地面連接完成假海的固定, 支座同地面的接觸類型可認為是固定鉸支, 所以用Fixed Support對支座同地面的連接面進行約束定義。

再設置所需要計算的模態階數, 在Workbench中選擇的模態階數其實不是真正的模態階數, 因為軟件將振型不同但頻率相近的2個狀態認為是不同的2階模態。所以此次計算設置的20階, 通過人工識別之后其最終實際模態數將少于等于20階。文中主要研究的是預應力對結構固有頻率的影響, 所以有無人工識別對文中的研究內容沒有太大影響, 因此不對結果進行人工識別。

圖3為無預應力下Workbench的計算結果, 各階模態對應的固有頻率。

2.3 有預應力模態分析

假海在工作時其內部打壓, 由于其自身結構較大, 考慮其重力的影響, 在進行模態分析前, 在上述模型及網格劃分基礎上, 通過加入內壓、重力等外力進行靜力結構分析, 再將得到的結果帶入到模態分析模塊中進行模態分析, 分析流程如圖4所示。

分別對內壓為5 MPa和12 MPa時, 重力加速度為9.8 m/s2進行分析, 其結果見表1。

表1 各階模態對應的固有頻率

2.4 結果對比與分析

通過表1的模擬分析數據對比, 可以發現, 結構的固有頻率大多隨內壓的增大而增大, 只有少數幾階模態的固有頻率略有減小, 分別為8階、9階和18階。綜上分析說明, 預應力沒有對假海結構造成明顯的應力剛化[7-10], 假海的固有頻率沒有發生較大的改變。因為如果結構發生了明顯的應力剛化, 結構的力學特性將發生改變, 可以認為從各向同性變成了各向異性, 那么其某個方向上的振動形式或振動幅度將發生改變。為此假海結構模態特性在無預應力和加載預應力情況下幾乎沒有太大的區別。所以以下用無預應力時的振型對假海的振動特性進行分析。

測試設備主要安裝在假海的筒體上, 對假海筒體振動較為明顯的10、11、12、13和16階模態振型進行分析, 各階模態振型如圖5~圖9所示。

通過觀察上述10、11、12、13和16階模態振型圖, 提取筒體各部位振動幅值, 具體見表2。

通過表2可得假海筒體在振動時, 中下部振動幅值較小, 而筒體上部的振動幅值較大。

綜上分析, 假海筒體適于安裝測試設備的位置為筒體下部2個支座之間, 該部分在各階振型中振動幅度都相對較小, 能夠有效降低振動幅度對測試精度的影響。

表2 預應力作用下假海筒體變形量

3 結論

通過對假海進行預應力模態分析, 得到以下結論:

1) 假海的前20階固有頻率為6.275 ~ 82.797 Hz, 固有頻率相對較低;

2) 預應力未對假海模態造成大的影響, 沒有使假海結構發生明顯的剛化;

3) 通過對假海模態振型的研究分析, 得出了測試設備安裝的有利位置為假海筒體2個支座之間靠近地面的部分。

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(責任編輯: 陳 曦)

Prestressed Modal Analysis of Pressurized Structure for Launcher Simulation Experiment

CHEN Wei-bin, DUAN Hao, WANG Yun

(Kunming Branch of the 705 Research Institute, China Shipbuilding Corporation, Kunming 650118, China)

During the launcher simulation experiment, the pressurized structure — false sea will produce strong vibration under the effect of launching shock. The vibration characteristics of the false sea can provide guidance for test equipment installation to ensure the equipment be installed in the proper position. Through prestressed modal analysis of the false sea, it is concluded that the modal characteristics do not obviously change, so no obvious stress stiffening of the false sea occurs under the effect of prestress. Finally, the optimum installation position of the test equipment is obtained through analyzing the natural vibration mode of the false sea.

false sea; prestress; modal; stress stiffening

TJ635

A

2096-3920(2017)01-0089-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.01.010

2016-11-08;

2016-11-12.

陳煒彬(1991-), 男, 在讀碩士, 主要從事魚雷發射技術研究.

[引用格式]陳煒彬,段浩,王云.發射裝置模擬試驗承壓結構的預應力模態分析[J].水下無人系統學報,2017, 25(1): 89-93.