基于ANSYS的一種懸臂結構抗沖擊優化設計*

王光越,張 煒

(1.中國船舶集團有限公司第七一〇研究所,湖北 宜昌 443003; 2.中國人民解放軍92578部隊,北京 100161)

0 引 言

目前,隨著艦船領域的快速發展,船用設備的需求越來越多。船的設備中,懸臂結構的作用十分重要。懸臂結構通過焊接的方式固定在艦船的甲板上,在船體受到爆炸沖擊時,懸臂結構會直接承受船體傳過來的沖擊力。因此,為避免設備損壞,需要對懸臂結構進行抗沖擊仿真分析。

目前用于艦船設備的抗沖擊分析方法包括動力學設計方法(DDAM)和時域分析法[1]。動力學設計方法是基于模態疊加的設計分析方法,它可以將設備簡化為多個彈簧質量系統,通過對各階模態解的合成得到設備的位移和應力,但此方式不能得到設備的瞬態響應。時域分析方法是通過一定的方法將沖擊譜轉換成加速度時間歷程曲線并將其加載在設備上,此方法雖然計算時間較長,但能對設備在時域上進行瞬態分析,分析精度更高?；诖?筆者采用時域分析方法重點對設備上的懸臂結構進行抗沖擊仿真分析[2-3],得到了懸臂結構各個部位的沖擊應力云圖;再通過對懸臂結構上的薄弱部位進行改進優化設計,使設備上的懸臂結構滿足實際使用情況下的沖擊性能要求。這對提升設備的環境適應性和增強設備的使用壽命具有實際效益,同時該分析結果對其它懸臂結構的抗沖擊設計也具有一定的參考意義。

1 設計方案

懸臂結構主要功能是實現設備搭載,它主要由懸臂桿、支撐圓環、支撐底板和設備固定支架組成。懸臂結構上安裝有設備A、設備B和設備C,整個懸臂結構通過螺釘固定在設備本體上,設備本體與基座相連固定在艦船的甲板上。懸臂結構材質采用不銹鋼,該材質具有較好的防腐性能。通過UG建立懸臂結構的三維模型如圖1所示。UG是機械工程常用的三維設計軟件,具備模塊豐富、操作簡單等優點[4]。

圖1 懸臂結構三維模型

2 沖擊載荷分析設計

目前,沖擊載荷多以三折線譜或沖擊輸入譜的形式來描述。三折線譜可以看做是沖擊輸入譜的圖形表達形式。沖擊輸入譜主要包含等加速度譜、等速度譜和等位移譜三個參數。這三個參數描述了設備在不同頻段的沖擊載荷信息。沖擊輸入譜不可以直接作為載荷信息施加在設備上,需要通過一定的方式將輸入譜信息轉化為正負三角波或組合半正弦波的加速度信息。文章采用正負三角波對懸臂結構進行抗沖擊性能分析。

對于設計初級階段的設備而言,其沖擊環境一般并不能完全明確。因此,在沒有具體的沖擊譜規定時,一般采用國軍標GJB 1060.1 中的相關公式進行計算。文中設備抗沖擊等級為A級,根據GJB 1060.1中水面艦艇用的設計值給定沖擊方向上的沖擊設計加速度。根據上述要求,不同方向沖擊時,其設計值如表1所列,其中加速度和速度計算如式(1)、(2)所列。

(1)

表1 甲板部位沖擊輸入表

(2)

根據德標BV043/85定義的正負三角波如圖2所示。根據規定,第一個三角形的加速度峰值約為最大加速度A的3/5,第一個正三角形的面積約為最大速度V的3/4,第二個負三角形面積與第一個正三角形面積相等,此加速度歷程經兩次積分后得到位移,使t2=0.4t3,t4-t3=0.6(t5-t3)。

圖2 三角波形輸入

各主要參數計算為:

a2=0.6A

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

t4=t3+0.6(t5-t3)

(9)

根據已知設備重量,通過公式估算的方式得到設備沖擊譜如表2所列。

表2 沖擊輸入譜

經過擬合計算可得垂向加速度函數如式(10)～(13)所列,擬合后的加速度時間歷程曲線如圖3所示。

圖3 加速度時間歷程曲線

y=113.1×t(0≤t<2.6)

(10)

y=294-77.4×(t-2.6)(2.6≤t<6.4)

(11)

y=-17.2×(t-6.4)(6.4≤t<14.5)

(12)

y=-139.16+25.77×(t-14.5)(14.5≤t≤19.9)

(13)

3 抗沖擊分析

3.1 分析方法

設備通過螺栓連接的方式固定在艦船甲板上,當艦船受到沖擊時,沖擊波通過船體傳至設備。ANSYS是美國PTC公司開發的一款集強度分析、熱分析、流體分析及電磁分析于一體的有限元分析軟件,在機械行業中有著廣泛的應用[5]。而ANSYS中的加速度載荷信息是整體加載在設備上,不符合實際受力情況。文章利用ANSYS中瞬態分析模塊,根據牛頓第二定律,將加速度載荷信息轉換為力的載荷信息,再將其施加在基礎底面上,對懸臂結構進行抗沖擊仿真分析,得到懸臂結構的各部位的應力情況。通過分析可知,垂向沖擊載荷最惡劣,也是發生次數較多的方向,文章將根據垂向沖擊的結果對懸臂結構進行優化設計。

3.2 網格劃分

懸臂結構上設備A質量是15 kg,設備B質量是1.5 kg、設備C質量是2 kg。由于此次不對這些設備的沖擊性能進行考核,因此將設備A、B、C以質量點的形式加載在懸臂結構的安裝位置上。根據實際的裝配關系,設置好各部件的接觸類型,并將材料設置不銹鋼,然后通過控制網格尺寸的方式對懸臂網格進行細化處理。細化后的整體結構一共劃分210 777個網格單元。劃分網格之后的設備的有限元模型如圖4所示。

圖4 網格模型

3.3 結構仿真

經過軟件分析可知,整個設備質量為1 200 kg。根據牛頓第二定律F=ma,在設備的垂直方向上施加相關的位移約束和力學函數。仿真分析后的結果如圖5、6所示。

圖5 垂向沖擊應力云圖圖6 垂向沖擊應力云圖

從圖5、6中可以看出,懸臂結構等效應力最大值為826.29 MPa,遠遠超出了材料的屈服極限。應力較大的部位包括懸臂桿的根部、支撐圓環的中心及支撐底板與設備支架連接的部位,這些部位的零件均需要進行結構加強處理。

3.4 結構優化

(1) 懸臂桿結構優化

從仿真結果可以看出,懸臂桿的最大應力集中在懸臂桿安裝的根部,并且沿著懸臂桿長度方向逐漸減小。優化后的懸臂桿在原來兩側邊加強筋的基礎上增加一段長度240 mm、高度10 mm的加強筋;同時,在懸臂桿的根部設置寬度10 mm的豎筋,以增強整個懸臂桿的強度。優化前后的懸臂桿結構如圖7所示。

圖7 懸臂桿結構優化模型圖8 支撐底板優化模型

(2) 支撐底板結構優化

支撐底板的超過不銹鋼屈服應力的區域集中在底板平面上,呈大面積分布狀態,因此底板強度需要整體加強。優化后的支撐底板將加強筋的數量由4個增加到11個,同時加強筋的厚度由3 mm增加到6 mm。優化前后的支撐底板結構如圖8所示。

(3) 支撐圓環結構優化

支撐圓環的最大應力集中在圓心附近平面上,該平面中心通過轉軸與懸臂桿連接。優化后的支撐圓環將圓板的厚度由3 mm增加到5 mm,以提升支撐圓環的整體強度。優化前后的支撐底板結構如圖9所示。

圖9 支撐圓環優化模型圖10 優化后結構沖擊應力云圖

3.5 優化后結構仿真

將優化的模型導入到ANSYS中進行力學分析,仿真結果如圖10所示。

從圖10可以看出,經過優化后的懸臂結構等效應力最大值為202.64 MPa,低于材料的屈服極限,結構上的沖擊應力明顯下降,滿足使用要求。

4 結 論

利用UG建立了懸臂結構的三維模型,利用德標BV043/85定義的正負三角波設計了懸臂結構的沖擊加速度時間歷程曲線,利用有限元分析軟件ANSYS 對懸臂結構抗沖擊強度進行了仿真分析,根據仿真分析結果對懸臂結構進行了優化設計,結論如下。

(1) 懸臂結構在垂向受到的沖擊等效應力最大值為826.29 MPa,超過了材料的屈服極限,在沖擊力的作用下是易損結構。

(2) 優化后懸臂結構仿真結果最大等效應力為202.6 MPa,結構優化有效,設備的抗沖擊使用性能得到提升。