鈦合金過濾器抗沖擊性能分析

侯宗宗，孫耀峻,梁 晨，張 輝

(中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023)

艦船在海上可能遭受來自空中或水中爆炸物的威脅，承受的爆炸形式分為接觸性和非接觸性。由于船體結構能吸收大部分的爆炸沖擊，故接觸性爆炸僅波及局部范圍，造成高強度的局部破壞；而非接觸性爆炸的沖擊力在水中傳播能量大、范圍廣，會造成比較嚴重的損害，所以，研究非接觸性爆炸對于保障艦船的安全性極為重要[1，2]。目前，抗沖擊分析法主要包括爆炸實驗法和有限元仿真分析法。由于艦船設備造價昂貴，同時爆炸試驗的作用時間短且難以控制，因此有限元仿真分析法更適用于艦船抗沖擊性能的研究。

當前，對艦船設備進行抗沖擊有限元分析的方法包括靜態等效分析法、動態設計分析法和時域分析法[3，4]。靜態等效分析法只考慮受沖擊結構的質量效應，在計算一階響應時可獲得較適用的精度，而當艦船設備遭受高階響應時則不適用，具有一定的局限性[5]；動態設計分析法是基于模態分析的線性分析，可以定量地進行艦船設備強度校核，對線性結構的強度最大值分析，具有較好的優越性[6]。時域分析法即正負三角波法，是采用時間歷程曲線作為艦船設備受沖擊載荷的輸入條件，能夠對設備進行瞬態動力學分析，可用于分析非線性材料和設備的受力情況[7]。德國頒布的軍艦艇建造規范BV043/85《沖擊安全性》中，規定了將沖擊響應譜轉換為時間歷程曲線的方法。而我國主要采用動態設計分析法，并基于此法制定了關于艦船抗沖擊計算的規范——GJB 1060.1—1991《艦船環境條件要求 機械環境》。

艦船壓載水系統對于保證艦船穩定性和航行安全具有重要作用，過濾器是該系統中最為關鍵的設備，能夠處理海水中的顆粒污物，保證壓載水系統的正常穩定工作。鈦及鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性優良、焊接性能好等優點，是制造艦船設備的極佳材料[8，9]。本實驗以ZTi60合金壓載水過濾器為研究對象，分別采用動態設計分析法和時域分析法計算其抗沖擊性能，同時研究艦船過濾器材質對其抗沖擊性能的影響，以期為正確評估艦船壓載水過濾器在沖擊載荷作用下的可靠性與安全性提供參考。

1 抗沖擊分析法及模型建立

1.1 動態設計分析法

動態設計分析法是一種基于模態理論的分析方法。該方法認為系統由多個單自由度的彈簧質量系統組合而成，然后對每個單自由度系統的振型和頻率進行計算，通過對每個系統進行設計沖擊譜的計算而獲得相應的位移和應力，最后基于所有的單自由度系統位移和應力獲得總體系統的響應。根據GJB 1060.1—1991《艦船環境條件要求機械環境》[10]，艦船壓載水過濾器安裝于船體及外板部位，在計算不同方向的沖擊時，計算系數分別為橫向0.4、垂向1.0、縱向0.2[11]。沖擊加速度和沖擊速度計算公式分別為：

(1)

(2)

式中：A0為沖擊加速度，m/s2；V0為沖擊速度，m/s；M0為設備的模態質量，t。

1.2 時域分析法

時域分析法的沖擊譜可分為等位移段、等速度段、等加速度段，主要參數為最大位移、速度、加速度譜值[12]。德國軍艦艇建造規范BV043/85《沖擊安全性》中給出了響應譜轉化為時域正負三角波的方法[13]。圖1為轉換后的三角波時域載荷曲線，圖中a1是正三角波峰值，a2是負三角波峰值，t1是正三角波開始時間，t3是正三角波脈寬，t2和t4分別為峰值a1和a2相對應的時間，t5為三角波時域載荷作用的總時間。正三角波的面積對應沖擊速度的最大值。

圖1 三角波時域載荷曲線Fig.1 Curve of time-domain under triangular load

1.3 模型建立

過濾器主要包括殼體和濾網。其中，過濾器的殼體為鑄件，材質為ZTi60合金；濾網的材質為TA2純鈦。圖2為過濾器的三維模型。

圖2 過濾器的三維模型Fig.2 Three-dimensional mode of filter

對過濾器的三維模型進行網格劃分，如圖3所示。將過濾器的各個結構部分賦予相應的材料，并根據等效管板理論將濾網處理為薄板[6]。模型邊界條件：過濾器的進、出口法蘭端設置為固定約束，過濾器內部施加5 MPa的壓力，并在垂向方向上設置重心引力作用。

圖3 過濾器的網格模型Fig.3 Mesh model of filter

2 抗沖擊性能分析

2.1 動態設計分析法

按照GJB 1060.1—1991[10]，根據公式(1)、(2)對過濾器不同方向的模態進行分析。結果顯示，橫向、垂向、縱向的模態質量均大于過濾器總質量的80%。選擇過濾器不同方向模態質量占比較大的所有模態，進行沖擊加速度計算，結果見表1。

表1 過濾器不同方向的沖擊加速度

將表1中沖擊加速度值分別添加至過濾器模型，對其進行抗沖擊分析。圖4為過濾器在時域沖擊載荷最大峰值處的沖擊應力分布云圖。從圖4可以看出，橫向、垂向、縱向的最大沖擊應力值分別為127.01、204.83、70.69 MPa；垂向應力最大，主要集中分布在筒蓋頂端和進出口接管與殼體連接處，其他位置的應力均較低。

圖4 基于動態設計分析法得到的過濾器不同方向的沖擊應力分布云圖Fig.4 Impact stress distribution nephograms of filter in different directions obtained by dynamic design analysis method: (a) horizontal； (b) vertical； (c) longitudinal

GJB 1060.1—1991規定，抗沖擊等級為A級的設備，沖擊載荷作用下設備結構響應的最大應力不得超過材料的靜屈服極限，二者的比值定義為失效系數n[1]：

(3)

式中：σmax為應力峰值，MPa；σs為屈服強度，MPa。

根據GJB 1060.1—1991，當n小于1時，可判定結構安全，且n越小結構越安全；當n大于1時，結構設計則不滿足要求。ZTi60合金的屈服強度為590 MPa，經式(3)計算可知，垂向、橫向和縱向3個方向上的失效系數n均小于1。其中，垂向失效系數最大，為0.347。由此可見，過濾器整體結構滿足抗沖擊設計要求。

2.2 時域分析法

將利用動態設計分析法計算獲得的沖擊載荷作為沖擊響應，并將沖擊響應譜轉換為正負三角波載荷，從而得到過濾器橫向、垂向和縱向3個方向上的三角波載荷時域曲線，如圖5所示。從圖5可以看出，過濾器垂向的沖擊加速度最大，橫向次之，縱向最小；垂向的沖擊作用時間最短，橫向次之，縱向作用時間最長。因此，過濾器垂向的抗沖擊能力是沖擊性能評估的重點。

圖5 三角波載荷下過濾器不同方向的時域曲線Fig.5 Curves of time-domain of filter under triangular wave load in different directions: (a) horizontal； (b) vertical; (c) longitudinal

在工況條件與2.1節動態分析一致的條件下，將正負三角波沖擊載荷分別作用在過濾器模型上進行沖擊應力計算。圖6為過濾器在時域沖擊載荷最大峰值處的沖擊應力分布云圖。由圖6可知，過濾器橫向、垂向和縱向的最大沖擊應力分別為86.193、150.25、47.741 MPa；最大沖擊應力位于過濾器筒蓋頂端；從過濾器不同方向的沖擊載荷來看，垂向的應力響應最大，橫向次之，縱向最小。所獲得的過濾器應力分布云圖及應力值大小與動態設計分析法結果基本一致，由此驗證了過濾器抗沖擊分析結果的準確性。此外，時域分析法能夠計算出每個時刻所受沖擊的應力值，且計算精度較高，因而能更好地模擬艦船所處的沖擊環境。

圖6 基于時域分析法得到的過濾器不同方向的沖擊應力分布云圖Fig.6 Impact stress distribution nephograms of filter in three directions obtained by time-domain analysis method: (a) horizontal； (b) vertical; (c) longitudinal

2.3 不同材質過濾器的抗沖擊性能

為了研究材質對過濾器抗沖擊性能的影響，分別選用TA2純鈦、ZTi60合金和QAl10-5-5銅合金作為過濾器殼體材料。表2為TA2純鈦、ZTi60合金和QAl10-5-5銅合金的材料屬性。

表2 不同材料的屬性

采用動態設計分析法對不同材質過濾器的抗沖擊性能進行計算。計算時，在保證其他工況條件完全一致的情況下，只改變過濾器殼體的材質，方法同2.1節。結果顯示，過濾器最大沖擊應力均為垂向應力。圖7為不同材質過濾器的垂向沖擊應力分布云圖。由圖7可知，在相同的沖擊作用下，結構相同的過濾器其沖擊應力分布基本一致，最大沖擊應力均位于過濾器筒蓋頂端。

圖7 基于動態設計分析法得到的不同材質過濾器垂向沖擊應力分布云圖Fig.7 Impact stress distribution nephograms of filters with different materials in vertical direction obtained by dynamic design analysis method: (a) TA2 pure titanium； (b) ZTi60 alloy； (c) QAl10-5-5 copper alloy

表3為采用動態設計分析法得到的不同材質過濾器的最大沖擊應力和失效系數。由表3可知，TA2純鈦和ZTi60合金的最大沖擊應力和失效系數均小于QAl10-5-5銅合金，說明過濾器殼體材質對沖擊應力影響較大。根據失效系數大小，不同材質過濾器的抗沖擊性能由強到弱排序為ZTi60合金、TA2純鈦、QAl10-5-5銅合金。

表3 不同材質過濾器的抗沖擊性能

3 結 論

(1) 利用動態設計分析法與時域分析法計算得到的艦船壓載水過濾器的沖擊應力大小及分布規律基本一致，由此驗證了抗沖擊分析與評估結果的有效性，能夠為過濾器的設計提供參考。

(2) 從過濾器不同方向的沖擊載荷來看，垂向的應力響應最大，橫向次之，縱向最小。材質為ZTi60合金的過濾器最大失效系數為0.347，過濾器整體無危險部件，滿足GJB 1060.1—1991中對抗沖擊設計的要求。

(3) 在相同的沖擊載荷作用下，結構相同、材質不同的過濾器沖擊應力分布基本一致；材質為TA2純鈦和ZTi60合金過濾器的最大沖擊應力和失效系數明顯小于QAl10-5-5銅合金；不同材質過濾器的抗沖擊性能由強到弱為ZTi60合金、TA2純鈦、QAl10-5-5銅合金。