某型船用控制器沖擊響應仿真計算及分析對比

張明明　趙建華

摘? ? 要：為了對比彈性安裝條件下限位裝置對某型船用控制器沖擊響應的影響，首先通過理論計算分析帶限位的隔振器模型振動響應情況，并基于Abaqus軟件，建立控制器抗沖擊的有限元模型。根據BV043/85標準，分別給彈性安裝下帶限位器和不帶限位器的模型加載相同的正負三角波，根據仿真結果分析限位裝置對隔離系統隔振效果的影響及控制器抗沖擊能力。結果表明：控制器在有無限位裝置的情況下于同一處出現了應力最大值，說明存在薄弱環節;在隔振系統中加入限位裝置，能在一定限度內減少設備沖擊響應的位移，但設備本身受到的應力會加大，且隔振效果減弱。

關鍵詞：Abaqus;限位;沖擊響應;仿真計算

中圖分類號：U663.7? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Simulation Calculation and Analysis of Shock

Response of Marine Controller

ZHANG Mingming1， ZHAO Jianhua2

（ 1. China Coast Guard Academy， Ningbo 315801; 2. Naval University of Engineering， Wuhan 430033 ）

Abstract： In order to compare the influence of a stopper on the shock response of the marine controller under elastic mounting condition， the vibration response of shock absorber model with a stopper is analyzed by theoretical calculation. Then， the finite element model of controllers shock resistant is established based on the Abaqus software. According to the BV043/85 standard， the same positive and negative triangular waves are loaded to the models with and without a stopper respectively under elastic mounting condition. According to the simulation calculation result， the influence of the stopper on the shock absorber and shock resistant property of the controller are analyzed. The result shows that there are weak links because the maximum stress of the controller appears in the same position with or without a stopper; adding a stopper to the shock absorber can reduce the displacement of the shock response of the equipment to a certain extent， but the stress on the equipment will increase and the effect of shock absorber will be weakened.

Key words： Abaqus; Stopper; Shock response; Simulation calculation

1? ? ?帶限位裝置的隔振器模型響應計算分析

在通常的研究和工程運用中，隔振器的非線性曲線采用以下三種形式：（1）線性和雙線性彈性特性曲線;（2）分段線性載荷特性曲線;（3）經過試驗測試得到的載荷—變形遲滯曲線載荷特性曲線。在除去阻尼影響的前提下，帶限位的隔振器非線性特性可以理想地看成是雙線性的。

限位器有以下幾個特點：（1）只有當被隔離的設備相對于限位器運動到給定的限位值時才開始起作用;（2）通常情況下，限位器只能被壓縮，不能被拉伸;（3）理想的限位器隨著壓縮量的增加，剛度也會逐步地變大[1]。彈性限位器的力學模型，如圖2所示：模型中m為剛體的質量，k1 、k2分別為隔振器和限位器的剛度，ΔX為間隙，X1為基座激勵作用位移，X2為剛體質量響應運動位移。對于該模型抗沖擊性能評估的主要指標是：在額定的沖擊激勵下，質量剛體m響應的最大相對加速度am和最大相對位移Xm。

在圖1中，隔振器的形變δ為X2 -X1 （定義正值為隔振器拉伸，負值為壓縮），在不考慮阻尼的前提下，隔振器的恢復力與形變的關系是函數F （ δ ） 。由于帶限位的剛度是分段的，所以函數F （ δ ）為：

式中：ΔX0為初始的限位器間隙。

1.1? ?系統的運動方程

假定物體在沖擊開始的瞬間是靜止的， 不考慮物體初始狀態的壓縮量，沖擊開始的瞬間隔振器沒發生形變，初始的相對速度和位移都為0。對（2）式等號兩邊同時積分，可得：

當壓縮過程結束達到最大變形位置δmax時，相對形變速度δ （ t ） = 0，這時X1 （ t ） 就是基座的速度V，即

由（4）式可以看出，沖擊結束瞬間的動能等于隔振器壓縮過程結束時所儲存的勢能。已知沖擊載荷作用下的基座速度變化V、被隔離的物體的質量m，以及隔振器剛度特性曲線F （ δ ），即可根據（4）式計算出隔振器的最大形變量δmax以及最大的沖擊傳遞力（ FT ） max：

式中：F （ δ ）可以根據試驗測得;V可以通過沖擊激勵計算得出：Amax是設備的加速度因子。

1.2? ?帶限位裝置的隔振器的響應參數計算

對于船舶設備來說，所受的沖擊激勵主要來自速度和加速度的沖擊激勵。在速度沖擊激勵下的隔振器最大形變響應δmax、被隔離的設備最大位移X2max、加速度X2max以及最大傳遞力（ FT ） max，可以通過上述（1）、（5）式求得：

（1）設備的響應位移未達到限位值ΔX0：

（2）設備的響應位移達到限位值ΔX0：

對于帶限位器的模型，一般只討論響應的位移達到限位值的情況。限位器的隔振效果可根據最大傳遞力（ FT ） max及最大響應加速度X2max來衡量。在隔振器與限位器剛度一定的前提下，為了得到良好的隔振效果，需要對限位器的限位值ΔX0（即初始間隙）進行研究。

把最大傳遞力（ FT ） max看成是關于變量ΔX0的一個函數，其他量都為已知或者通過試驗測得。對（14）式進行求導：

令上式的值等于0，得到：

把最大形δmax變看成是關于變量ΔX0的一個函數，對（12）式求導：

令上式等于0，得到：

ΔX0的取值范圍為? ? ? ? ? ? ? ? ?，在取值范圍內選取ΔX0的值時，應該盡量避開傳遞力的極大值點

與隔振器形變最大值點? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

2? ? ?控制器建模

2.1? 控制器的結構分析及有限元網格劃分

控制器主要由機箱、支架、隔振器及機箱內部的元器件等組成。其中：機箱下部通過四只JSZ-3-20型和中間兩只JSZ-3-10型隔振器與支架連接，機箱側面通過四只GGT4.6-33型鋼絲繩隔振器與支架連接。

JSZ型隔振器全部由不銹鋼材料制造，具有工作頻率范圍寬、很低的共振頻率、良好的隔振效果、良好的抗沖擊能力、大阻尼、可實現三方向振動隔離、耐疲勞、耐高低溫、防濕熱、防鹽霧、防霉菌、防有機溶劑等特點。底部隔振器具體參數，見表1。

GGT型鋼絲繩隔振器具備良好的隔振、緩沖和抗沖性能，具有多向變形，適應惡劣環境的特點。側面隔振器具體參數，見表2。

由于模型的元器件較多，結構相對比較復雜，所以在劃分網格前將模型作簡化處理，忽略插孔、螺栓連接等對仿真結果影響不大的模型細節。整個模型采用四面體網格來劃分，單元劃分尺寸為30 mm，共有102564個單元、186 598個節點，如圖2所示。

2.2? ?ABAQUS仿真建模

先定義材料，將散熱器的材料定義為CU（銅）;外部的支架的材料定義為steel（鋼）;其余部件的材料定義為AL（鋁）。模型中部件與部件的連接，除隔振器處定義bushing（襯套）連接，其他都定義為MPC（多點約束）。

在確定了各個部件的材料特性之后，在Interaction（相互作用）模塊中對隔振器定義。彈性安裝帶限位的隔振器在達到限位的距離時，通過將隔振器的剛度設置成線性剛度的3倍以上達到限位的效果;不帶限位安裝時，將bushing各個方向的剛度都設置成常數。由于在沖擊過程中存在非線性，在step（分析步）模塊中將非線性計算打開。

2.3? ?邊界條件設置

在Load模塊中創建邊界條件，選擇分析步類型為位移/轉角類型，選擇支架底面作為邊界條件作用位置，僅保留垂直方向上的自由度。

對于彈性安裝的設備，可以參考德國抗沖擊標準BV043/85。該BV標準給出了大型水面艦艇的沖擊譜，并給出了將沖擊譜轉化為時域沖擊輸入的標準方法。

典型的設計沖擊譜為三折線譜，如圖3所示。其中：左邊為等譜位移段;中間為等譜速度段;右邊為等譜加速度段;通常用Ao、Vo、Do表示設計沖擊譜的加速度譜值、速度譜值、位移譜值。

根據BV043/85標準，設計沖擊譜可以等效為雙三角形加速度時間歷程。如圖4所示：

為了簡化計算，采用加載較為簡單的三角波的方式。在Load（載荷）模塊中，在支架的底部加載垂直向上的雙三角波，如圖5所示。

3? ? 仿真結果與分析

3.1? ?應力響應結果與分析

對控制器抗沖擊性能研究的最終目的，是其結構強度能滿足設計的要求。在整個沖擊過程中，由于安裝在支架上的通風機是通過螺栓連接，屬于剛性安裝，而限位器及隔振器只對箱體及內部的設備起作用。在沖擊作用的第4 ms和14.33 ms在支架與通風機的連接處出現了較大的應力，分別達到了49.49 MPa和47.17 MPa。因為屬于剛性連接，所以出現應力最大點的時刻與沖擊輸入的峰值時刻基本一致。

對于箱體及內部彈性安裝的部分，對于有無限位器的兩種模型的應力最大值都出現在安裝設備的底座上，說明底座上存在強度的薄弱環節。帶限位器安裝的模型出現最大應力處在第8 ms出現了第一個峰值，大小為31.11 MPa;不帶限位器的模型出現最大應力處在第9.67 ms出現第一個峰值，大小為8.03 MPa。對于剛性安裝的設備來說，沖擊從底部輸入到設備的響應需要通過隔振器的緩沖吸收能量，這一過程需要一定的時間，所以出現了彈性安裝的設備的應力響應峰值滯后于沖擊輸入的峰值。

為了實現對帶限位器和不帶限位器兩種模型的對比分析，在模型的彈性安裝部件上選取應力較集中的四個點作為考核點，包括：箱體的兩個側面各一個點、底側一個點以及應力最大值點。

上述各點雖然輸入的沖擊相同，但帶限位器模型的應力峰值遠大于不帶限位器的模型。圖6為兩種模型各考核點的隨時間的響應情況曲線，從圖中可以看出：帶限位器模型考核點的應力峰值是不帶限位器模型相同考核點的應力峰值的3倍左右;設備在沖擊過程中在接觸限位器之后響應的頻率有所增加;帶限位器模型在達到輸入峰值之前先與限位器發生了非線性碰撞，它的應力響應峰值略提前于不帶限位器的模型。

3.2? ?位移響應結果與分析

隔振器的壓縮量可以看出限位器對彈性安裝的設備位移限制的效果。選取底部的三個隔振器，通過分別計算其形變量來研究有無隔振器兩種模型的位移響應特性，分析限位器對被隔振設備位移的影響。

在仿真計算中，將底部隔振器的設置限位值為16 mm，也就是說當隔振器的壓縮量為16 mm時其剛度發生了變化，所選的隔振器的位置如圖7所示。

各隔振器的位移響應情況，如圖8所示。

定義隔振器壓縮為位移的正方向。由仿真得到的位移特性響應曲線可以看出：不帶限位器模型的三個隔振器，同時在16.33 ms時刻達到壓縮的最大值，分別為42.16 mm、42.17 mm、42.17 mm;帶限位器的模型壓縮量的峰值，比不帶限位器的模型提前1 ms，最大值分別分別為38.45 mm、38.46 mm、38.47 mm。因此，可以得出以下結論：

（1）由于限位器的存在，帶限位器的模型隔振器比不帶限位器的模型隔振器的壓縮量略小，且響應時間稍有提前;

（2）在沖擊過程中設備接觸限位器之后，系統的位移響應頻率增大，與應力響應體現的結論一致;

（3）隔振器上端的位移響應稍滯后于底端的響應，滯后的這段時間內沖擊的能量完全由隔振器吸收;

（4）由于該模型兩側存在隔振器，從同一時間3個隔振器的壓縮量都相同可以看出，被隔離設備底部的運動為上下平動。

4? 總結

通過對某型船用控制器進行仿真建模，并分別對其進行帶限位器和不帶限位器兩種方式安裝，根據BV043/85標準加載沖擊輸入，對比其剛性安裝部件與彈性安裝部件的應力響應情況，并研究了限位器對隔振系統的影響，得出以下結論：兩種不同的安裝方式下，控制器在同一處出現了應力最大值，說明存在薄弱環節，需要在該部位的結構進行加強;在隔振系統中加入限位裝置，能在一定限度內減少設備沖擊響應的位移，但設備本身受到的應力會加大，且在被隔離設備相對位移達到限位值時，系統的固有頻率升高，隔振器隔振效果減弱;控制器在BV043/85標準設計的沖擊下，各個部件的應力強度都遠小于自身的屈服極限，設備在該標準設計的沖擊下安全。

參考文獻

[1]汪玉，胡剛義，華宏星，等. 帶限位器的船舶設備非線性沖擊響應分

析[J].中國造船.2003，44（2）：39-44.