艦船設(shè)備抗沖擊可靠性分析

冒如權(quán)

（海裝駐上海地區(qū)軍事代表室，上海 200000）

引言

艦船裝備抗沖擊能力是關(guān)系到艦船作戰(zhàn)效能與安全性的重要因素之一，目前國內(nèi)主要采用沖擊試驗或抗沖擊動力學分析方法對艦船設(shè)備抗沖擊能力進行驗證，驗證結(jié)果僅能回答設(shè)備抗沖擊能力是否滿足要求，結(jié)構(gòu)強度、剛度以及設(shè)備功能性能是否滿足研制要求規(guī)定的技術(shù)指標，往往無法對設(shè)備本身在生產(chǎn)制造、安裝工藝以及材料特性等環(huán)節(jié)的隨機特性進行分析驗證，而載荷、材料、結(jié)構(gòu)以及制造工藝等環(huán)節(jié)的隨機特性決定了設(shè)備自身抗沖擊性能帶有一定的概率分布特性，本文擬采用DDAM方法與Monte-Carlo法相結(jié)合，考慮沖擊過程中各影響因素的隨機特性分布，計算基于ANSYS-PDS環(huán)境下通海閥箱消聲器的抗沖擊響應，評估艦船設(shè)備的抗沖擊可靠性能力。

1 研究背景

在抗沖擊可靠性計算方面，海軍裝備研究院的馮麟涵選取艦用增壓鍋爐為研究對象，采用數(shù)值計算與基于改進神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備沖擊響應預報模型相結(jié)合的方法統(tǒng)計分析設(shè)備抗沖擊能力的分布特性[1]；哈爾濱工程大學的曹貽鵬教授選用動態(tài)設(shè)計分析法（DDAM）對船舶柴油機排氣消聲器進行抗沖擊分析,研究消聲器結(jié)構(gòu)形式、剛度與質(zhì)量分布對抗沖擊特性的規(guī)律影響[2]；計晨[3]采用DDAM方法計算了柴油機的沖擊特性響應。

2 分析模型

目前艦船設(shè)備抗沖擊仿真普遍采用美軍標的DDAM法，DDAM法是基于模態(tài)疊加法的結(jié)構(gòu)振動設(shè)計分析方法，該方法首先對系統(tǒng)動力學模型進行模態(tài)分析，得到系統(tǒng)模態(tài)陣型和模態(tài)質(zhì)量后，根據(jù)設(shè)計沖擊譜得出各階模態(tài)的模態(tài)位移和應力，以此為輸入計算結(jié)構(gòu)的位移和應力[4]。

本文的研究對象海水消聲器安裝位置為甲板部位，屬于乙類設(shè)備，其沖擊輸入如表1所示。

甲板安裝位置，A0、V0表達式為：

基于表1的沖擊環(huán)境，在ANSYS環(huán)境下編制APDL加載程序，計算消聲器的沖擊動力學響應，計算結(jié)果位移及應力響應如圖1～2所示。

3 沖擊可靠性分析

在抗沖擊動力學分析的基礎(chǔ)上，引入概率統(tǒng)計學，綜合考慮不確定性因素對設(shè)備抗沖擊能力的影響，一般考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸、材料屬性、輸入載荷等變量，在一定的樣本量統(tǒng)計基礎(chǔ)上，確定各隨機變量分布特點。基于“應力-強度干涉模型”建立極限狀態(tài)方程，隨后進行Monte-Carlo抽樣。抗沖擊可靠性分析的技術(shù)框架是將影響設(shè)備抗沖擊能力的各物理量考慮為服從一定隨機分布的隨機變量，利用Monte-Carlo法在一定量本的抽樣頻率基礎(chǔ)上，確定設(shè)備沖擊失效概率，進而獲得可靠度及靈敏度等參數(shù)。

可靠性分析在ANSYS-PDS環(huán)境下進行，理論基礎(chǔ)是在確定性有限元分析的基礎(chǔ)上，基于隨機有限元理論，對極限狀態(tài)方程進行大量本抽樣循環(huán)計算，通過Monte-Carlo法計算得出結(jié)構(gòu)可靠度與靈敏度等參數(shù)[5]。可靠性分析的關(guān)鍵在于分析文件的編制，分析文件包括前處理模塊、有限元分析過程及后處理模塊，最后建立極限狀態(tài)方程，將全部分析過程的APDL命令流以txt格式提取出來，作為PDS循環(huán)仿真的對象。具體計算步驟如下：

1）設(shè)定可靠性分析輸入?yún)?shù)

對通海閥箱消聲器進行抗沖擊可靠性分析，首先需要確定各隨機變量分布類型及分布特性，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，部分隨機變量分布情況如表2所示。

編制確定性有限元分析過程的APDL命令流，并添加結(jié)果提取命令，生成可靠性分析的分析文件，隨后進入蒙特卡洛仿真循環(huán)，選擇拉丁超立方抽樣方法（LHS），定義循環(huán)次數(shù)1 000次，運行結(jié)束后在后處理階段對數(shù)據(jù)進行處理。

2）可靠性分析后處理

查看所有隨機輸入變量、隨機輸出變量的抽樣過程，包括樣本點曲線、樣本點均值曲線、累積分布函數(shù)、累積分布直方圖、結(jié)構(gòu)可靠度、輸出變量靈敏度、散點圖等模擬結(jié)果。

表1 沖擊輸入?yún)?shù)

圖1 Z方向位移云圖

圖2 Z方向應力云圖

①查看變量抽樣歷史曲線

利用GUI操作查看樣本均值抽樣歷史曲線，見圖3。

從各隨機變量的抽樣歷史曲線可以看出，在進行了250次LHS抽樣后，輸入變量基本收斂，這說明LHS法抽樣次數(shù)足夠多，經(jīng)過1 000次模擬基本可以達到較為準確的模擬效果。從圖中可以看出每個隨機變量的各項隨機指標，以法蘭螺栓孔徑R0為例，其均值（MEAN）為11 mm，標準差（STDEV）為0.5 mm，不對稱系數(shù)（SKEW）為-0.015，斜率（KURT）為0.072，最小值（MIN）9.1 mm，最大值（MAX）12.7 mm。

表2 隨機輸入變量與輸出變量

②查看概率密度直方圖

調(diào)用命令“PDSHIST，LHSPLATE，XXX，REL”查看隨機輸入變量的直方圖，見圖4。

從圖4可以看出R0和S概率分布直方圖接近概率函數(shù)曲線，即高斯分布，并且曲線光滑，說明抽樣次數(shù)可以滿足要求。

③查看可靠度

可靠度數(shù)值由消聲器極限狀態(tài)函數(shù)Z決定，當Z＜0時的統(tǒng)計數(shù)據(jù)見圖5。

從圖5中可以看出，經(jīng)過1 000次抽樣模擬，極限狀態(tài)函數(shù)Z的均值為150 MPa，最大值為204 MPa，最小值為86.5 MPa。在95 %的置信區(qū)間下，Z＜0的概率值為0，即通海閥箱消聲器的失效概率為0，可靠度R=100 %。

④查看靈敏度

調(diào)用“PDSENS，LHSPLATE，XXX，BOTH，RANK，0.025”查看輸出變量靈敏度，見圖6，查看各輸入變量對輸出變量的影響。

從極限狀態(tài)函數(shù)Z的靈敏度可以看出，對消聲器結(jié)構(gòu)可靠性影響最大的變量是屈服極限S、法蘭螺栓孔徑R0和材料密度。屈服極限S的靈敏度為正，消聲器可靠性將隨著S增大而增大；法蘭螺栓孔徑R0和材料密度的靈敏度為負，說明消聲器可靠性隨著R0和DENSITY的增大而減小。

圖3 樣本點樣本均值抽樣曲線

圖4 概率密度直方圖

圖5 通海閥箱消聲器結(jié)構(gòu)可靠度

從最大應力MAXSTR的靈敏度可以看出，對消聲器最大應力影響最大的因素是法蘭螺栓孔徑R0和材料密度。R0和密度的靈敏度為正，說明消聲器最大應力將隨著R0和材料密度的增大而減小。

⑤查看消聲器可靠性分析的參數(shù)抽樣散點圖

調(diào)用“PDSCAT，LHSPLATE，X，Y，POLY，1”查看X變量與Y變量的抽樣散點圖以分析二者的相關(guān)性，見圖7。

圖6 輸出變量靈敏度

圖7 散點圖

可以看出屈服極限S和極限狀態(tài)函數(shù)Z符合線性正相關(guān)，法蘭螺栓孔徑R0和最大等效應力MAXSTR符合正相關(guān)，這與靈敏度的餅狀圖結(jié)果一致。

3）抗沖擊可靠性分析結(jié)果

通過1 000次Monte-Carlo抽樣仿真計算結(jié)果顯示，通海閥箱消聲器抗沖擊結(jié)構(gòu)可靠度為100 %；通過靈敏度分析，消聲器屈服極限S對極限狀態(tài)函數(shù)Z的靈敏度為正，說明材料屈服極限對消聲器的可靠性影響最大，且隨著屈服極限的增大，可靠度隨之增大；法蘭螺栓孔徑R0和密度的靈敏度為負，消聲器的可靠性隨著R0和密度的增大而減小。

4 結(jié)論

本文通過對典型艦船設(shè)備通海閥箱消聲器進行抗沖擊可靠性計算，結(jié)合抗沖擊仿真與Monte-Carlo循環(huán)抽樣模擬，在ANSYS-PDS環(huán)境中，在確定性有限元數(shù)值計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮抗沖擊過程中不確定因素對計算結(jié)果的影響，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，可靠性定量分析具有一定的參考意義。