一種新型管卡的減振性能分析

王 朝，程玉芹

（1.連云港市地方海事局，江蘇連云港222003；2．淮海工學院機械與海洋工程學院，江蘇連云港222003）

0 引言

在船舶管路系統中擁有眾多的管路元器件，文獻[1-3]中指出我國在船舶管路系統沖擊減振領域的技術積累非常有限，船舶制造業所應用的管路系統的三維設計技術，還未把減振因素考慮進去，沒有標準管路支吊架及減振元器件可供選擇，管路系統減振設計、減振元器件研制尚處空白、沒有可供參考的管路系統減振試驗驗收等標準和規范。管路系統的支吊架的位置、形式和數量等大都由造船的現場決定[4]，沒有理論研究的支撐，比較隨意。

1 減振性能分析

1.1 新型管卡的減振性能分析

本文根據船舶管路中常見的減振、支撐及連接方式等相關設計因素，設計出一種新型的減振管卡，并利用嵌套技術，建立減振彈簧管卡與普通管卡的有限元模型；以時域為載荷輸入，計算安裝有管卡的管路系統的動態響應，比較新型管卡與普通管卡的減振性能。通過分析發現新設計的管卡與普通管卡相比，能夠有效防止管卡在沖擊作用下發生斷裂，有效降低管路系統的變形量，從而顯著增強管路的抗沖擊性能。可為新研艦艇的管路抗沖擊設計提供參考，提高我國艦艇管路系統抗沖擊設計水平，應用前景廣闊。

1.2 管卡的有限元建模

本文設計的一種新型減振彈簧管卡，其主要組成部分包括主體、彈簧箱和拉伸彈簧等。主體卡在船舶管路的上表面，主體的兩個支撐末端為螺栓，其上有固定用的連接板，連接板上部垂直設置有拉伸彈簧，用固定板與彈簧箱頂部固定拉伸彈簧，再將主體的兩個支撐末端插入到兩個彈簧箱內部，通過末端螺栓與彈簧箱進行連接，最后將彈簧箱固定在船體結構上。減振彈簧管卡示意圖如圖1（a）、（b）所示。

圖1 新型管卡示意圖

普通管卡直接采用焊接的方式固定在船體結構上，建立的ANSYS有限元模型如圖2所示，新型減振彈簧管卡有限元模型如圖3所示；現對裝有普通管卡和新型管卡的一段管路進行對比分析，裝有普通管卡的管路模型如圖4所示，裝有減振彈簧管卡的模型如圖5所示。

圖2 普通管卡模型

圖3 減振彈簧管卡模型

圖4 安裝普通管卡模型

圖5 安裝減振彈簧管卡模型

1.3 載荷輸入仿真分析

在載荷的輸入中，沖擊譜是在頻域范圍表示沖擊載荷，目前主要的規范是以沖擊譜為基礎給出結構的設計標準。如果結構抗沖擊的時域模擬要用到沖擊輸入譜，那么必須將沖擊載荷從頻域上向時域上轉化。通常所說的從頻域到時域的轉化，就是將圖6所示的三折線譜轉化成時域范圍內的沖擊加速度輸入曲線。故本文將載荷轉化為時域輸入，采用三種工況，分別將最大譜加速度為100 g（LC1）、200 g（LC2）、300 g（LC3），從垂直于管卡的方向輸入載荷，計算得到最大位移和應力。

圖6 典型的沖擊譜

（1）LC1.普通管卡與減振彈簧管卡的最大位移分別如圖7及圖8所示；普通管卡與減振彈簧管卡最大合成應力分別如圖9及圖10所示。

圖7 LC1普通管卡位移

圖8 LC1彈簧抗沖擊管卡位移

圖9 LC1普通支吊架應力

圖10 LC1彈簧抗沖擊管卡應力

（2）LC2與LC3的研究思路與LC1相同，但沖擊譜加速度有所變化。現將裝有普通管卡及新型減振彈簧管卡的管路系統在三個工況下最大位移及最大合成應力對比表，如表1所示。

表1 普通管卡與減振管卡最大位移與最大合成應力

圖7～10及表1的結果表明：LC1條件下，減振彈簧管卡的位移及應力均小于普通管卡；LC2與LC3普通管卡斷裂，減振彈簧管卡應力與位移變大但未斷裂。總而言之，橫向沖擊載荷的作用下采用新型彈簧抗沖擊管卡的管路系統的最大位移響應與最大合成應力小于采用普通管卡的管路系統的最大為位移響應。所設計的彈簧抗沖擊管卡在正常工作時可以像其他管卡一樣起到固定鋼管的作用，當在受到劇烈沖擊載荷的惡劣環境下工作時，更能突顯它的優勢。所以新型減振彈簧管卡的優點總結如下：（1）增加管路管卡的抗沖擊性能；（2）在沖擊荷載作用下可降低管夾及所約束管路處的應力；（3）有效防止管卡在沖擊作用下發生斷裂的風險；（4）在沖擊荷載作用下有效降低管路系統的變形量。

2 新型管卡的應用效果分析

在正常工作狀態時，管路系統未受沖擊作用時，管卡主體對管路系統起到正常的約束及固定的作用；當船體及管路系統受到強沖擊后，載荷通過船體傳遞給管卡主體，管卡主體一端連接處受到的沖擊載荷最大，管卡固定螺栓發生“保護”性破損，管卡通過彈簧與箱體仍然連接，箱體內的彈簧起到減小整個管卡的位移和應力，使得整個管卡免受整體破壞對管路系統仍可起到約束作用，從而減少整個管路系統的應力和變形，保護管路系統免受破壞。

該管卡結構合理簡單，生產制造容易，成本低，增加管路管卡的抗沖擊性能。采用兩端帶圓鉤環圓柱螺旋拉伸彈簧作為彈性單元，兩端帶圓鉤環圓柱螺旋拉伸彈簧的制造技術已經非常成熟，質量也很穩定。圓柱螺旋拉伸彈簧在未受到沖擊作用的工作狀態時不承受荷載，此時只有箱體和管卡主體承受荷載的作用，只有在船體受到劇烈的沖擊作用時，船體結構傳遞巨大的荷載與管卡，使得管卡與箱體的連接螺栓發生“保護”性破損，這時彈簧才承受載荷，起到抗沖擊的作用。箱體內設置圓柱螺旋拉伸彈簧大大減小了管路在巨大沖擊載荷作用下發生大位移的風險；在沖擊荷載作用下可降低管夾及所約束管路處的應力；有效防止管卡在沖擊作用下發生斷裂的風險。綜上所述，該管卡結構在滿足抗沖擊的基本要求之外，兼具成本低、結構簡單的特點，可實現大面積推廣。

3 結論

本文分析了一種新型減振彈簧管卡，采用模型嵌套技術，利用有限元軟件ANSYS對相關管路系統進行建模，并進行計算，得出新型減振彈簧管卡減振性能優勢體現在：（1）減小振動荷載作用下元器件與管路接觸處的應力；（2）降低管路在振動載荷作用下斷裂的風險；（3）減小船舶管路在振動載荷作用下的變形量。