(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第705研究所 西安 710075)(2.水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710075)

基于FEM的魚雷低頻振動(dòng)環(huán)境預(yù)示方法研究*

馬銳磊1,2尹韶平1,2曹小娟1嚴(yán)海1秦曉輝1

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第705研究所 西安 710075)(2.水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710075)

針對(duì)魚雷設(shè)計(jì)初期振動(dòng)試驗(yàn)條件制定所需實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不足的問題,論文采用有限元法對(duì)魚雷典型部位低頻振動(dòng)環(huán)境進(jìn)行預(yù)示:運(yùn)用MSC.Nastran對(duì)先期建立的全雷有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析,并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比的結(jié)果說明了模型的準(zhǔn)確性;以實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度譜作為激勵(lì),對(duì)雷體典型部位的振動(dòng)量級(jí)進(jìn)行預(yù)示,總振動(dòng)級(jí)結(jié)果與試驗(yàn)差值在±3dB以內(nèi);加速度譜線主要峰值吻合度較高,趨勢(shì)基本一致。通過試驗(yàn)驗(yàn)證說明了該方法的有效性,可以為魚雷低頻振動(dòng)試驗(yàn)條件的制定提供理論支撐。

模態(tài)分析;振動(dòng)響應(yīng)分析;環(huán)境預(yù)示;仿真

ClassNumberU663

1 引言

魚雷是一種涉及機(jī)械、電子、力學(xué)、動(dòng)力、控制、水聲、爆炸等多學(xué)科的高技術(shù)水下精確制導(dǎo)武器。由于使用平臺(tái)多樣,在其全壽命周期內(nèi)要經(jīng)歷運(yùn)輸、裝載、貯存、空中飛行、入水、水下航行等多個(gè)環(huán)節(jié),所經(jīng)歷的振動(dòng)環(huán)境十分復(fù)雜。

如設(shè)計(jì)不當(dāng),環(huán)境適應(yīng)能力不強(qiáng),在使用中會(huì)出現(xiàn)某些零部件或電子元件破壞,導(dǎo)致魚雷不能正常工作,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及到攜帶平臺(tái)的安全[1]。因此,充分了解魚雷的環(huán)境特點(diǎn),分析各環(huán)境因素對(duì)魚雷的影響,提出合理的環(huán)境試驗(yàn)條件,是魚雷研制中重要而不可或缺的工作內(nèi)容。

為了滿足新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要,試驗(yàn)條件必須在缺乏新產(chǎn)品的實(shí)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)條件下完成,所需的環(huán)境只能靠環(huán)境預(yù)示解決。因此,環(huán)境預(yù)示的準(zhǔn)確性將直接影響試驗(yàn)條件的合理性。

在航空航天領(lǐng)域,振動(dòng)環(huán)境預(yù)示技術(shù)發(fā)展迅速,得到大量研究成果。Ali[2]、Tsoi[3]等利用耦合有限元/邊界元方法計(jì)算衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)在混響聲場(chǎng)作用下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),Yarza[4]等利用VA One軟件的有限元/邊界元方法,計(jì)算固支狀態(tài)衛(wèi)星反射天線結(jié)構(gòu)在混響聲場(chǎng)中的加速度響應(yīng),都得到了較好的結(jié)果。國(guó)內(nèi)學(xué)者[5]也開始應(yīng)用商業(yè)軟件中的有限元/邊界元方法開展典型結(jié)構(gòu)在噪聲激勵(lì)下的響應(yīng)分析研究。

但是,目前國(guó)內(nèi)在制定魚雷型號(hào)振動(dòng)試驗(yàn)條件時(shí)多是在參考軍用標(biāo)準(zhǔn)或同類產(chǎn)品研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行剪裁而得出。所制定的試驗(yàn)條件往往與魚雷所承受的實(shí)際環(huán)境條件有較大差別。因此,迫切需要開展魚雷振動(dòng)傳遞特性研究,在綜合分析試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上,進(jìn)行魚雷振動(dòng)環(huán)境條件的預(yù)示,為科學(xué)制定環(huán)境試驗(yàn)條件提供理論依據(jù)。

本文采用有限元法(FEM),建立魚雷結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算模型,運(yùn)用Nastran對(duì)其進(jìn)行自由狀態(tài)下的模態(tài)分析,通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。然后以實(shí)測(cè)的振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為輸入條件,計(jì)算雷內(nèi)特征部位的振動(dòng)響應(yīng)值,研究在少量外載荷振動(dòng)數(shù)據(jù)條件下,分析魚雷各組件的振動(dòng)環(huán)境,并研究艙段及關(guān)鍵部位的魚雷低頻振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)條件預(yù)示方法。研究成果可以為制定魚雷振動(dòng)試驗(yàn)條件提供理論依據(jù)。

2 模態(tài)理論

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模態(tài)分析的核心內(nèi)容,就是通過計(jì)算或試驗(yàn)的方法,確定用來(lái)描述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性的固有頻率、阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù)[6]。在數(shù)學(xué)上,就是求解結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程的特征值或廣義特征值的問題。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程通?？梢员硎緸?/p>

(1)

略去結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程中的阻尼力項(xiàng)和外載荷項(xiàng),得到系統(tǒng)無(wú)阻尼自由振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程:

(2)

令式(2)的解為

{q}={A}sin(ωt+φ)

(3)

式中:{A}為振幅,由初始條件決定;φ為相位角,由初始條件決定;ω為固有頻率,由系統(tǒng)固有特性決定。

代入式(2)可得

([K]-ω2[M]){A}sin(ωt+φ)=0

(4)

由于{A}≠0,有

|[K]-ω2[M]|=0

(5)

3 有限元建模及模態(tài)驗(yàn)證

3.1 全雷有限元建模

魚雷由自導(dǎo)頭段、操雷段、電子艙段、燃料艙段、動(dòng)力艙段及尾段組成,建?？傮w思路是先建立艙段模型,然后將各艙段模型整合成全雷模型。建模時(shí),首先將幾何模型導(dǎo)入有限元前處理軟件HyperMesh中,忽略模型中小孔、倒角等微小特征。對(duì)魚雷薄殼體,有限元建模時(shí)按結(jié)構(gòu)的力學(xué)功能[7]可把魚雷殼體簡(jiǎn)化為2D shell板殼單元[8];環(huán)向加強(qiáng)筋可用1D beam梁?jiǎn)卧?一些零部件對(duì)全雷剛度矩陣影響很小,但對(duì)全雷的質(zhì)量矩陣影響很大[9],可用0D質(zhì)量元建模。全雷模型如圖1所示,整個(gè)模型單元總數(shù)為48188個(gè),節(jié)點(diǎn)總數(shù)50441個(gè)。

圖1 全雷有限元模型

3.2 模態(tài)驗(yàn)證

將模型文件以bdf格式導(dǎo)入MSC.Nastran中進(jìn)行模態(tài)計(jì)算,選用蘭索斯(Lanczos)法求解。其一階、二階及三階模態(tài)的固有頻率分別為27.9Hz、55.1Hz和88.6Hz。

為驗(yàn)證模型仿真計(jì)算的精確度,進(jìn)行了全雷模態(tài)試驗(yàn),模型仿真計(jì)算固有頻率值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況見表1,模態(tài)振型對(duì)比結(jié)果如圖2～圖5所示。

表1 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比(單位:Hz)

圖2 試驗(yàn)第一階振型

圖3 計(jì)算第一階振型

圖4 試驗(yàn)第二階振型

圖5 計(jì)算第二階振型

從有限元仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,可以看出:二者模態(tài)振型基本一致,仿真計(jì)算的固有頻率值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差控制在6%以內(nèi),滿足工程計(jì)算要求,說明了模型的準(zhǔn)確性。為后續(xù)振動(dòng)響應(yīng)分析提供支撐。

4 振動(dòng)環(huán)境預(yù)示方法

振動(dòng)環(huán)境預(yù)示是在綜合分析產(chǎn)品環(huán)境剖面的基礎(chǔ)上,準(zhǔn)確獲取產(chǎn)品受到的激勵(lì)條件,通過特定方法得到產(chǎn)品特征部位的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù),進(jìn)而制定出產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)條件。

目前振動(dòng)環(huán)境預(yù)示方法主要有三種:外推法、統(tǒng)計(jì)能量法和有限元法。外推法由于不能對(duì)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)示;無(wú)法給出結(jié)構(gòu)的詳細(xì)頻率特性以及不能用于聯(lián)合激勵(lì)下的環(huán)境預(yù)示等限制,應(yīng)用范圍有限。統(tǒng)計(jì)能量法從能量角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析,不依賴于系統(tǒng)參數(shù),主要應(yīng)用于模態(tài)密集的高頻系統(tǒng)振動(dòng)環(huán)境預(yù)示。對(duì)于低頻振動(dòng)環(huán)境,主要通過有限元?jiǎng)恿W(xué)響應(yīng)計(jì)算的方法進(jìn)行預(yù)示,該方法的關(guān)鍵是建立一個(gè)準(zhǔn)確的振動(dòng)分析模型,在此基礎(chǔ)上,分析激勵(lì)振源并選擇激勵(lì)輸入的形式(例如加速度、功率譜及力等),確定振動(dòng)響應(yīng)輸出點(diǎn),對(duì)結(jié)構(gòu)中難以得到測(cè)量數(shù)據(jù)的典型位置的振動(dòng)量值進(jìn)行預(yù)示,通過對(duì)不同工況下結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的分析,得到最為惡劣工況下的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù),提出初步的振動(dòng)試驗(yàn)條件指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作,并在后續(xù)試驗(yàn)基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化。

5 振動(dòng)響應(yīng)分析

本文針對(duì)魚雷低頻(1Hz～1kHz)振動(dòng)環(huán)境進(jìn)行預(yù)示,選擇有限元振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算方法。根據(jù)魚雷實(shí)航試驗(yàn)數(shù)據(jù),以發(fā)動(dòng)機(jī)艙后隔板為激勵(lì)源;以實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度譜為輸入,對(duì)魚雷尾段、燃料艙段殼體及尾段舵機(jī)安裝基座1kHz頻段內(nèi)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了分析計(jì)算,通過與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比,驗(yàn)證了預(yù)示方法的有效性。

5.1 輸入激勵(lì)

模型中激勵(lì)點(diǎn)的位置如圖6所示,根據(jù)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的布置情況約束激勵(lì)點(diǎn)軸向及徑向。輸入載荷的加速度頻譜曲線如圖7～圖8所示,頻率分辨率為1Hz,頻率范圍為1Hz～1kHz。

圖6 激勵(lì)點(diǎn)位置

圖8 徑向激勵(lì)譜線

5.2 輸出響應(yīng)點(diǎn)

發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)最終傳遞到魚雷各艙段的殼體及組件上,引起相應(yīng)部位的振動(dòng)響應(yīng)。本文選取燃料艙殼體、尾段殼體及舵機(jī)安裝基座三個(gè)典型輸出響應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。測(cè)點(diǎn)位置如圖9～圖10所示。

圖9 殼體輸出響應(yīng)點(diǎn)位置

圖10 舵機(jī)安裝基座輸出點(diǎn)位置

5.3 結(jié)果驗(yàn)證

采用模態(tài)疊加法[10]求解結(jié)構(gòu)輸出點(diǎn)的加速度響應(yīng)譜,通過有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證計(jì)算方法的有效性。1kHz頻段內(nèi)總振動(dòng)級(jí)對(duì)比結(jié)果如表2所示,仿真計(jì)算與試驗(yàn)譜線對(duì)比結(jié)果如圖11～圖13所示。

表2 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比(單位:dB)

圖11 燃料艙殼體譜線對(duì)比

圖12 尾段殼體譜線對(duì)比

圖13 舵機(jī)安裝基座譜線對(duì)比

從對(duì)比結(jié)果情況可以看出:仿真計(jì)算與試驗(yàn)總振動(dòng)級(jí)差值在±3dB以內(nèi),相對(duì)誤差在2.1%以內(nèi);譜線中各主要峰值點(diǎn)吻合度較高,譜線總體趨勢(shì)基本一致。這是由于采用模態(tài)疊加法,所建的有限元模型較好地模擬了實(shí)際結(jié)構(gòu),所以結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)在一些主要模態(tài)上頻率比較接近。

計(jì)算譜線與試驗(yàn)有一些差異可能的原因是:

1)魚雷在運(yùn)行過程中,所受振動(dòng)環(huán)境復(fù)雜,存在許多激勵(lì)源。實(shí)際上,雷體工作中的振動(dòng)響應(yīng)是所有激勵(lì)源共同作用的結(jié)果。

2)仿真計(jì)算時(shí),激勵(lì)點(diǎn)位置選擇不可能與試驗(yàn)中的測(cè)量點(diǎn)完全重合,由此帶來(lái)一定的誤差。

3)有限元模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)不可避免地存在一定差異,導(dǎo)致結(jié)果存在誤差。

6 結(jié)語(yǔ)

1)通過全雷有限元仿真計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比說明了模型的準(zhǔn)確性,為振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算提供模型支撐。

2)通過有限元振動(dòng)響應(yīng)分析,以加速度譜為激勵(lì),對(duì)魚雷典型部位的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算,與試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比表明:譜線中各主要峰值點(diǎn)吻合度較高,譜線總體趨勢(shì)基本一致;總振動(dòng)級(jí)差值在±3dB以內(nèi),相對(duì)誤差在2.1%以內(nèi)。說明通過有限元振動(dòng)響應(yīng)分析的方法對(duì)魚雷低頻振動(dòng)環(huán)境進(jìn)行預(yù)示是有效的。此方法可以為魚雷振動(dòng)試驗(yàn)條件制定提供理論支撐。

[1]尹韶平,劉瑞生.魚雷總體技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2011.

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Torpedo’sVibrationEnvironmentPredictionMethodofLowFrequencyBasedonFEM

MA Ruilei1,2YIN Shaoping1,2CAO Xiaojuan1YAN Hai1QIN Xiaohui1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710075)

(2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi’an 710075)

To solve the problem of lacking of test data before establishing guideline for environmental test. A method of torpedo’s vibration environment prediction of low frequency is proposed. Modal analysis of torpedo under free-free state based on the finite element model built up earlier and the analysis of the torpedo’s vibration response exited by acceleration spectrum lines are carried out by using MSC. Nastran. The comparison results between simulation and modal testing indicate that the global vibration level was in ±3dB, and the spectrum lines were similar. Therefore, the validity of the vibration environment prediction method using finite element model is verified.

modal analysis, analysis of vibration response, vibration environment prediction, simulation

2013年11月4日,

:2013年12月10日

馬銳磊,男,碩士研究生,研究方向:武器系統(tǒng)總體技術(shù)。

U663DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.038