水下滑翔器動力部件的模態特性分析

史 健，洪學武，趙 堅，朱廣超，陳祖銀

（1.國家海洋技術中心，天津 300112；2.天津城建大學，天津 300384）

0 引言

水下滑翔器是一種新型的水下無人潛航器，具有持續工作時間長、航跡可控等優點，主要用于海洋環境觀測、信息收集和礦產探測等，可在未來戰爭中發揮重要作用[1]。水下滑翔器的中部耐壓艙兩側各安裝一塊滑翔翼板，構成了動力部件，其在海水的動載荷作用下極易發生劇烈振動，直接影響著水下滑翔器的滑翔效率，甚至導致結構的疲勞破壞威脅航行安全[2,3]。

研究水下滑翔器動力部件的模態特性，可避免結構發生共振，防止振動變形過大造成結構疲勞損壞[4]。模態分析是獲得結構模態特性參數的有效方法，通常有計算模態分析和試驗模態分析兩種途徑。隨著計算機和有限元理論的發展，可以對結構模型做適當簡化，利用有限元分析軟件計算得到結構的固有頻率和振型，了解其模態特性，這是復雜結構模態分析的常用方法。對于要求較高的情況，往往采用試驗模態分析的方法來得到結構的模態特性參數，固有頻率、阻尼參數和振型。

本文基于模態分析理論，利用有限元分析軟件ANSYS對水下滑翔器動力部件進行計算模態分析，分析計算結果，找到部件結構的薄弱環節。繼而，對滑翔翼板做了模態試驗，并辨識得到翼板的模態參數，這為進一步的結構振動故障診斷、結構動力修改提供了依據。

1 動力部件實體模型

水下滑翔器動力部件主要由滑翔翼板和耐壓艙組成，他們之間通過卡扣結構實現緊連接[5]。水下滑翔器再滑行過程中，動力部件配合重力調節機構產生俯仰運動，實現滑行。

分別使用三維制圖軟件建立耐壓艙和滑翔翼板的實體模型，然后組裝成動力部件裝配體，如圖1所示。為減少計算負荷，對結構中倒角、圓角等細小特征做了簡化。

圖1 水下滑翔器動力部件

2 動力部件有限元模型

將實體模型導入ANSYS軟件中建立動力部件的有限元模型。在滑翔運動中，要求滑翔翼板和耐壓艙之間沒有相對滑動，故在結構處理時可以使用布爾運算（Booleans）將兩者做相加(add)處理[6]。

耐壓艙的材料為6 0 6 1鋁合金，彈性模量E=0.7×1011Pa，泊松比μ=0.33，密度ρ=2700kg/m3；滑翔翼板的材料為碳纖維樹脂復合材料，彈性模量E=19.3×109Pa，泊松比μ=0.32，密度ρ=1400kg/m3。選用單元類型Solid186進行網格劃分，得到919072個節點和554037個單元。

動力部件由滑翔翼板和耐壓艙構成，劃分網格成功后，兩者的網格不連續，可使用MPC滑槽連接單元加以處理。該連接單元具有2個節點，且僅有1個相對位移自由度，兩節點的轉動自由度相互獨立即無關。該單元的節點不能施加約束條件，為避免發生剛體運動，可采用剛度的梁和殼單元覆蓋在類似銷軸節點連接的實體單元上。MPC滑槽連接單元輸入參數如表1所示。翔翼板和耐壓艙的連接位置，可采用滑槽連接單元處理，將兩者的網格相連。動力部件有限元模型如圖2所示。

表1 MPC滑槽鏈接單元輸出參數

圖2 水下滑翔器動力部件有限元模型

3 動力部件有限元模態分析

水下滑翔器運動過程中，遭受水流沖擊等復雜載荷，且在低頻環境中易產生振動，造成結構受損[7]。對建立的動力部件有限元模型進行模態分析，在0～500Hz感興趣頻率范圍內，得到24階計算結果。自由狀態下的計算結果會出現剛體模態，剔除剛體模態和虛擬模態后，取前8階模態結果，模態頻率如表2所示，模態振型如圖3所示。

分析得出，第1階振型為滑翔翼板一階彎曲；第2階振型為滑翔翼板二階彎曲；第3階振型為滑翔翼板二階彎曲，同時耐壓艙軸向翻滾；第4階振型為滑翔翼板一階扭轉；第5階振型為滑翔翼板三階彎曲；第6階振型為滑翔翼板二階扭轉；第7階振型為滑翔翼板水平方向同步擺動；第8階振型為滑翔翼板四階彎曲。

從振型分析不難得出，在動力部件結構中，滑翔翼板的運動較激烈，且最大變形量產生在翼板上。為優化動力部件結構，需對滑翔翼板做進一步分析，研究其結構動態特性。

表2 水下滑翔器動力部件有限元模態分析結果

圖3 水下滑翔器動力部件前8階振型

4 滑翔翼板模態分析

滑翔翼板為薄壁件，質量輕、結構簡單，材料為碳纖維樹脂復合材料，具有良好的材料特性，對其做實驗模態分析。

可將其視為一個多自由度系統，系統振動方程為：

M質量矩陣，C是阻尼矩陣，K是剛度矩陣, {F}是強迫力。經坐標變換{x}=φ{q}，振動方程解耦為：

單點激勵測點P時，FP=F：

則：

測點L處的響應：

得到P點激勵，L點測量的頻響函數：

從式(4)對滑翔翼板的動態參數進行識別，可以得到結構的固有頻率和模態振型。

考慮到滑翔翼板的材料和結構特點，模態測試采用“錘擊法”。“錘擊法”是一種最簡便的激振方法，移動激勵位置特別容易，且對試件沒有附加質量、附加剛度和附加阻尼。試驗采用懸掛方式模擬翼板的自由狀態。滑翔翼板的實驗模態分析系統如圖4所示。

圖4 滑翔翼板實驗模態分析系統

信號采集使用壓電式力傳感器和PCB單向加速度計。在翼板上共布置5行7列共35個測點，采用單輸入單輸出測試方式，加速度計布置在測點23上。采用模態參數識別頻域法辨識出翼板前8階模態，模態頻率如表3所示，模態振型如圖5所示。

表3 水下滑翔器動力部件實驗模態分析結果

圖5 滑翔翼板前8階模態振型

5 結論

1）采用有限元法，在500Hz頻率范圍內，計算得到水下滑翔器動力部件前8階模態參數。分析模態參數得出，滑翔翼板是部件的薄弱部位，可進一步分析。

2）構建了滑翔翼板的模態測試系統，并采用單輸入單輸出的測試方式完成實驗，進而辨識出翼板的前8階模態參數。

3）分析結果為下一步優化滑翔翼板的結構，進而優化動力部件，提供了數據支撐。