陳 輝

（海軍駐滬東中華造船集團有限公司軍事代表室 上海200129）

艦船聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)剛度評估研究

陳 輝

（海軍駐滬東中華造船集團有限公司軍事代表室 上海200129）

采用計算機輔助空間有限元前后處理軟件（ViziCAD）對艦船聯(lián)合基座進行三維建模，按照GJB/Z119-1999《水面艦艇結(jié)構(gòu)設計計算方法》對聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)在艦船正浮靜置、橫搖10°、縱傾5°三種狀態(tài)下進行基座剛度仿真計算與分析。經(jīng)仿真計算表明：聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)設計具有足夠剛度，可滿足裝艦技術(shù)要求。

計算機輔助空間有限元前后處理軟件；聯(lián)合基座；結(jié)構(gòu)剛度；評估

引 言

艦船聯(lián)合基座指將天文經(jīng)緯儀、慣性導航平臺、被試導航設備和變形測量裝置綜合在一個聯(lián)合的基座上，通過高精度變形測量裝置實時測量、記錄和顯示聯(lián)合基座上下平臺相對于基座平臺的縱橫向相對變形值，消除或減少船體變形對慣性導航設備系統(tǒng)精度的影響［1-2］。一般的導航設備基座加工與定位精度控制在3′～5′，而該聯(lián)合基座變形精度需控制在角秒級，從而使基座的設計、制造與上艦安裝等極為困難。

本文采用ViziCAD軟件對聯(lián)合基座進行建模，分別對艦船正浮靜置、橫搖10°、縱傾5°三種工況下進行聯(lián)合基座剛度仿真計算，對相關(guān)部位的水平偏差值進行評估，為聯(lián)合基座設計、制造與上艦安裝提供了重要的理論依據(jù)。

1 聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)概況

該聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)主要由上平臺、下平臺和四根連接支撐柱及相關(guān)附件組成。其中：上平臺為半徑約500 mm的圓形結(jié)構(gòu)，下平臺為1 000 mm×1 800 mm 的長方帶橢圓形結(jié)構(gòu)，支柱為四根直徑為108 mm 、長度約1 900 mm的鋼管結(jié)構(gòu)。在兩根支柱間、支撐柱與平臺間，可采用厚度為25 mm 的加強筋板連接。聯(lián)合基座上平臺板裝有天文經(jīng)緯基座，下平臺裝有前后兩個慣性導航主儀器基座以及中心處基準檢驗平臺板，其制造與加工總成要求如圖1所示。

圖1 聯(lián)合基座總成圖

2 結(jié)構(gòu)剛度計算與分析

聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)剛度計算采用GJB/Z119-1999《水面艦艇結(jié)構(gòu)設計計算方法》以及ViziCAD 有限元結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)（Sap5程序超級版本）。聯(lián)合基座剛度計算與分析處理流程為：

（1）利用SuperDrawⅡ模塊構(gòu)建三維模型，生成有限元網(wǎng)格并進行數(shù)據(jù)存儲；

（2）利用DecoDes模塊建立數(shù)據(jù)輸入文件；

（3）通過SuperView 模塊校核有限元模型；

（4）使用SSAP等相應模塊進行應力計算，觀察分析結(jié)果。

2.1 計算模型

2.1.1 單元劃分

由于聯(lián)合基座剛度極大，其上、下平臺以及基準平臺均為厚45 mm的B級碳素鋼板，因此，聯(lián)合基座計算模型采用了三維8節(jié)點四邊形單元劃分模擬實際結(jié)構(gòu)?？紤]到上平臺的M12×25固定螺栓孔尺度比一個劃分單元小，在建模時可忽略該螺栓孔對網(wǎng)格的影響。據(jù)此，聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)模型共劃分為2 427個單元，4 918個節(jié)點數(shù)。其模型如下頁圖2所示。

圖2 聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)模型及部分單元劃分示意圖

2.1.2 邊界條件

由于聯(lián)合基座固有振動頻率比連接甲板處的基頻高，因此，可將剛度較小的連接甲板視為聯(lián)合基座的柔性吸振裝置?？紤]到艦船靜水橫搖周期約為10 s，縱搖周期約為5 s，比甲板的基模態(tài)所對應的周期大（不在一個數(shù)量級），因此，在橫搖、縱搖力的作用下，甲板連接處與聯(lián)合基座不會發(fā)生耦合諧振。為簡化計算，在實際建模時，考慮到聯(lián)合基座上平臺連接甲板處為縱向主向梁和橫向交叉構(gòu)件組成的加強板架結(jié)構(gòu)，其等效剛度較大，故可將聯(lián)合基座上平臺與甲板連接處的邊界條件視為剛性固定處理［3-4］，其計算結(jié)果更為保守。

2.2 載荷工況

對聯(lián)合基座下平臺設備安裝基座，采用在其質(zhì)心位置處施加設備集中載荷，同時將艦船搖擺產(chǎn)生的慣性力施加于聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)中作靜力分析，根據(jù)實際要求，分別對聯(lián)合基座靜置、橫搖10°、縱搖5°三種工況進行結(jié)構(gòu)應力計算與分析。

2.2.1 靜置正浮工況

考慮艦船正浮狀態(tài)，僅計及基座結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及安裝設備及配載質(zhì)量。

計算載荷:

式中：Fxx、Fyy、Fzz為基座質(zhì)心處縱向、橫向及垂向力，kN；

M 為基座質(zhì)量（含設備質(zhì)量），kg。

2.2.2 橫搖10°工況

計算載荷：

式中：Y、Z 為基座至艦船質(zhì)心距離，m；

為最大計算橫搖角，rad；TΦ

為艦船靜水橫搖周期，s；R

為艦船質(zhì)心軌跡半徑，m。

2.2.3 縱搖5°工況

計算載荷：式中：X為基座質(zhì)心至艦船質(zhì)心距離，m;

θmax為最大計算縱搖角，rad ；Tθ為艦船靜水縱搖周期，s。

2.3 剛度衡準

聯(lián)合基座剛度需滿足下列要求：

（1）上、下平臺具有一定的設備承載能力，以減少測試儀器因重力而產(chǎn)生的變形；

（2）在艦船橫搖不大于10°、縱搖不大于5°時，聯(lián)合基座整體結(jié)構(gòu)變形量要求小于10″；

（3）上平臺天文經(jīng)緯儀基座安裝面相對于下平臺中心處的水平基準平臺的水平精度不大于30″；

（4）下平臺上兩個慣性主儀器安裝面相對于中心處的水平基準平臺水平精度不大于30″。

3 計算結(jié)果分析

假定每個節(jié)點只有x、y、z三個方向平移變形，在x、y向的位移只是引起平臺水平轉(zhuǎn)動。由于聯(lián)合基座上、下平臺板每個節(jié)點的三個轉(zhuǎn)動自由度受到約束，各節(jié)點的三個自由度中x、y向的位移比劃分單元尺寸要小得多，因此，對繞x、y平面中某一線為軸轉(zhuǎn)動角度的影響較小，即對平臺偏離水平面的角度改變的影響較小。在計算結(jié)果分析中，可提取相應位置單元的各節(jié)點的z向位移作進一步分析。

在計算結(jié)果中,提取需校核水平度的位置單元的各節(jié)點z向位移數(shù)據(jù)進行分析，分別對應于上平臺天文經(jīng)緯儀、下平臺基準平臺板以及安裝慣性導航主儀器設備基座處結(jié)構(gòu)單元，其對應變形位移顯示如圖3所示。

圖3 聯(lián)合基座變形示意圖

根據(jù)節(jié)點數(shù)據(jù)可按下列原理求得偏離水平面的角度：

設有兩個節(jié)點A（x1，y1，z1）和B（x2，y2，z2）在同一水平面內(nèi)，兩個節(jié)點在三個自由度上的變形分別為（dx1，dy1，dz1）和（dx2，dy2，dz2）。由于A、B在同一水平面上，則兩個節(jié)點變形后A1B1相對于同一水平面的偏離角度α如圖4所示:

圖4 兩個節(jié)點水平偏移角度示意圖

在直角三角形A1B1P中可知：

對于聯(lián)合基座上平臺天文經(jīng)緯儀基座、下平臺基準平臺板、下平臺左右基座等四部分結(jié)構(gòu)處于同一水平面上節(jié)點均按上述原理計算出任意兩個節(jié)點相對水平轉(zhuǎn)角α，取其極大值作為結(jié)構(gòu)偏差水平面角度，據(jù)此編制處理程序，得到相應部位的變形量計算結(jié)果如下頁表1所示。

表1 不同工況變形計算值

則相對下平臺基準板最大變形如表2所示：

表2 不同工況相對下平臺基準變形值

4 結(jié) 論

通過聯(lián)合基座建模與仿真計算表明：聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)設計具有足夠剛度，并將重力和慣性力等引起的變形量控制在一定范圍，滿足裝艦要求。經(jīng)分析，聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生在縱搖5°的工況下，此時，下平臺前后基座最大變形值約為3.84″，上平臺天文經(jīng)緯儀相對于下平臺基座平臺板最大變形量約為1.06″。針對聯(lián)合基座上平臺天文經(jīng)緯儀基座、下平臺慣性導航設備主儀器基座以及基準檢驗平臺等具有極高精度要求的安裝基面，可通過制定合理的結(jié)構(gòu)焊接與制造工藝、機械加工工藝以及船臺（塢）安裝工藝，滿足該聯(lián)合基座裝艦技術(shù)要求。

［1］ 鄭梓禎，蔡迎波.艦船導航系統(tǒng)試驗與鑒定［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［2］ 周金亮，趙巖峰.艦船變形研究［J］.艦船電子工程，2010（5）：198-200.

［3］ 孫麗萍.船舶結(jié)構(gòu)有限元分析［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2004.

［4］ （俄羅斯）O.M.帕利.船舶結(jié)構(gòu)力學手冊［M］.徐秉漢，譯.北京：國防工業(yè)出版社，2002.

Research on evaluation of structure rigidity of shipborne combined foundation

CHEN Hui
(Naval Military Representative Office Stand in Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

This paper establishes a three dimensions model for shipborne combined foundation by VIZICAD software. According to GJB/Z119-1999《Structural design & Calculation for surface ship》, the foundation rigidity is simulated and analyzed for the combined foundation structure under the condition of floating at the static position, rolling at 10°°and pitching at 5°. The results show that the rigidity of the combined foundation structure is sufficient to meet the shipment technology requirement.

ViziCAD; combined foundation; structure rigidity; evaluation

U663.7

A

1001-9855（2014）02-0049-05

2014-01-24；

2014-02-14

陳 輝（1967-），男，工程師，主要從事艦船裝備總體監(jiān)造工作。