何佳磊,周 川,周寧波,段 浩
(中國船舶重工集團(tuán) 第705研究所昆明分部,云南 昆明,650118)
基于動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法的艦載魚雷發(fā)射裝置抗沖擊特性研究
何佳磊,周川,周寧波,段浩
(中國船舶重工集團(tuán) 第705研究所昆明分部,云南 昆明,650118)
艦船設(shè)備和系統(tǒng)的抗沖擊能力是決定艦船戰(zhàn)時(shí)生命力強(qiáng)弱的重要因素。該文采用艦艇三聯(lián)裝魚雷發(fā)射裝置模態(tài)試驗(yàn)與有限元綜合建模技術(shù),在Ansys Workbench中建立了發(fā)射裝置抗沖擊有限元分析模型,借鑒美國海軍用以考核艦船設(shè)備抗沖擊性能的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法(DDAM),結(jié)合國軍標(biāo)GJB1060設(shè)計(jì)發(fā)射裝置沖擊輸入譜,對(duì)其進(jìn)行抗沖擊特性仿真計(jì)算,以考核發(fā)射裝置的抗沖擊性能。仿真結(jié)果表明,在發(fā)射裝置轉(zhuǎn)臺(tái)瓦板處,發(fā)射裝置橫向沖擊位移響應(yīng)及Von Mises應(yīng)力均為最大,但其最大Von Mises應(yīng)力均沒有超過材料的屈服強(qiáng)度。在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi),橫向、縱向、垂向抗沖擊性能均滿足艦船甲板設(shè)備抗沖擊考核要求。
魚雷發(fā)射裝置; 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法; 模態(tài)試驗(yàn); 抗沖擊
隨著現(xiàn)代海戰(zhàn)的日益激烈,艦艇在作戰(zhàn)中不可避免地會(huì)遭到來自空中、水面和水下的打擊。水面艦艇受到來自水下常規(guī)武器的攻擊主要有水雷、魚雷及深水炸彈等。有時(shí),盡管艦艇殼體的水密性沒有受損,但是由于艦載設(shè)備在強(qiáng)沖擊下喪失功能,也會(huì)導(dǎo)致艦艇失去戰(zhàn)斗力[1]。因此,艦艇設(shè)備和系統(tǒng)的抗沖擊能力是決定艦艇戰(zhàn)時(shí)生命力強(qiáng)弱的重要因素之一[2],艦艇設(shè)備抗沖擊能力已成為艦艇整體抗沖擊能力的重要指標(biāo)。因此,各海軍強(qiáng)國均制定了艦艇設(shè)備抗沖擊標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范艦艇設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)收等全過程,以提高艦艇抗非接觸爆炸的能力。
為保證三聯(lián)裝魚雷發(fā)射裝置在艦艇遭受非致命攻擊時(shí),能可靠地發(fā)射魚雷進(jìn)行反擊,魚雷發(fā)射裝置自身要具有一定的抗沖擊性能。按照我國和美國海軍標(biāo)準(zhǔn),艦艇三聯(lián)裝魚雷發(fā)射裝置屬于A 級(jí)設(shè)備,該類設(shè)備在受沖擊前后性能應(yīng)無顯著變化,且不會(huì)對(duì)人員和其他A 級(jí)設(shè)備造成破壞。為達(dá)到以上目標(biāo),必須對(duì)其抗沖擊特性進(jìn)行考核和評(píng)估。目前,國內(nèi)外常用的艦艇設(shè)備抗沖擊性能考核方法有靜態(tài)等效法(靜G法)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析法(dynamic design analysis method,DDAM)和時(shí)域模擬法[3]。DDAM是美國海軍用于考核艦艇設(shè)備抗沖擊能力的手段之一,該方法建立在大量的水下爆炸試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上,應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式確定設(shè)計(jì)譜值大小,是一種方便、實(shí)用的工程技術(shù)。
文中采用魚雷發(fā)射裝置模態(tài)試驗(yàn)與有限元綜合建模技術(shù),在Ansys Workbench中精確建立發(fā)射裝置抗沖擊有限元分析模型; 使用DDAM方法,并結(jié)合國軍標(biāo)GJB1060考核了發(fā)射裝置橫向、縱向以及垂向的抗沖擊性能。
DDAM理論起源于地震工程的沖擊響應(yīng)譜方法。該理論發(fā)展于上世紀(jì)60年代,是一種正則模態(tài)響應(yīng)分析法,用于分析艦船設(shè)備線性結(jié)構(gòu)的最大動(dòng)態(tài)響應(yīng)。DDAM將設(shè)備沖擊輸入以設(shè)計(jì)沖擊譜來表示,并對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析,對(duì)模態(tài)結(jié)果使用美國海軍實(shí)驗(yàn)室組合(Naval research laboratory sum,NRL)方法進(jìn)行合成,求得所分析系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)。此外,DDAM考慮了艦船設(shè)備的彈性基礎(chǔ)對(duì)沖擊譜的譜跌效應(yīng),并且將譜跌體現(xiàn)在設(shè)計(jì)譜值中。目前,DDAM是很多國家艦船設(shè)備抗沖擊性能考核的主要方法。DDAM基本原理與應(yīng)用反應(yīng)譜方法計(jì)算結(jié)構(gòu)的峰值反應(yīng)相同,只是其設(shè)計(jì)譜值是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,考慮了設(shè)備載體、設(shè)備的安裝位置、模態(tài)質(zhì)量、沖擊考核方向等因素而選取輸入譜值。在應(yīng)用DDAM時(shí),模態(tài)質(zhì)量是其核心概念之一。
通過模態(tài)疊加原理,可以推導(dǎo)出模態(tài)質(zhì)量的概念及物理意義[4]。
式中:nΓ為振型參與系數(shù),表示第n階振型對(duì)系統(tǒng)反應(yīng)參與的程度;Mn*為基底剪力有效振型質(zhì)量,簡稱為有效質(zhì)量,是與基底剪力相關(guān)的物理概念?;准袅τ行д裥唾|(zhì)量的定義與DDAM中模態(tài)質(zhì)量的定義相同,因此模態(tài)質(zhì)量的概念是表征基底剪力的物理概念。
第n階振型引起的反應(yīng)
在DDAM計(jì)算中,利用式(2)計(jì)算各階振型峰值,再選取振型組合方法(square root of the sum of the squares,SRSS)、完全二次項(xiàng)組合(complete quadratic combination,CQC)和NRL等振型組合規(guī)則,一般情況下,選取CQC組合來估算結(jié)構(gòu)總反應(yīng)的峰值。
有限元分析理論及其工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明,結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果很大程度上取決于所建立結(jié)構(gòu)模型的準(zhǔn)確性。為了保證魚雷發(fā)射裝置抗沖擊有限元分析達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的精度,所建立的發(fā)射裝置沖擊有限元模型首先要有足夠的力學(xué)準(zhǔn)確性,其次計(jì)算模型應(yīng)有較高的仿真計(jì)算效率。
因此,文中采用魚雷發(fā)射裝置原型結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)分析與有限元綜合建模技術(shù),精確建立發(fā)射裝置抗沖擊有限元分析模型。首先,基于比利時(shí)LMS Test.Lab錘擊法模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析,獲取發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)的振動(dòng)固有模態(tài)信息(固有頻率、固有振型、模態(tài)質(zhì)量和阻尼比); 然后在ANSYS Workbench多物理場(chǎng)協(xié)同CAE仿真平臺(tái)中建立發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)的抗沖擊分析的有限元模型; 最后通過對(duì)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析,并與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,不斷修正有限元模型,比如有限元模型裝配結(jié)合部動(dòng)力學(xué)接觸類型、零部件簡化程度等。
2.1魚雷發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)的有限元分析模型
魚雷發(fā)射裝置抗沖擊有限元分析模型采用Solid Edge軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)幾何3D建模,并導(dǎo)入ANSYS Workbench完成有限元前處理及仿真分析。發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)有限元模型中的主要結(jié)構(gòu)尺寸與產(chǎn)品尺寸精確一致; 分析模型僅對(duì)工藝孔、螺栓孔及其工藝臺(tái)等非主要?jiǎng)恿W(xué)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)等效簡化處理。幾何模型動(dòng)力學(xué)等效簡化遵循2條基本原則: 1) 不改變模型的基本力學(xué)特征; 2)簡化后模型質(zhì)量及網(wǎng)格劃分質(zhì)量應(yīng)有明顯改善。
發(fā)射裝置抗沖擊分析3D幾何模型如圖1(a)所示,有限元分析網(wǎng)格模型如圖1(b)所示。發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格主要采用六面體為主和自動(dòng)劃分的網(wǎng)格劃分方式,并對(duì)復(fù)雜局部進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,如轉(zhuǎn)臺(tái)、瓦板以及軸承等零部件及結(jié)合區(qū)域。
圖1 魚雷發(fā)射裝置抗沖擊分析3D幾何模型和有限元網(wǎng)格模型Fig. 1 Three-dimensional geometric model and finite element mesh model of a torpedo launcher used for anti-shock analysis
為了降低發(fā)射裝置有限元分析時(shí)間和計(jì)算的復(fù)雜程度,在保證分析精度的前提下,對(duì)發(fā)射裝置轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)軸承的滾動(dòng)體進(jìn)行了等效簡化。轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)軸承及滾動(dòng)體簡化模型如圖2所示。滾動(dòng)體采用等直徑圓環(huán)(滾動(dòng)體簡化模型見圖2箭頭所示)力學(xué)等效簡化處理。
最后,發(fā)射裝置整體結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為1 447.6 kg,有限元模型總質(zhì)量為1 450 kg,模型質(zhì)量誤差為0.17%,有限元單元數(shù)為258 763,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為604 512。
圖2 轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)軸承及有限元簡化模型Fig. 2 Turntable rotary bearing and its simplified finite element model
圖3 發(fā)射裝置主要零部件裝配面接觸面設(shè)置示意圖Fig. 3 Schematic of assembly surface for major parts of a torpedo launcher
2.2魚雷發(fā)射裝置有限元模型裝配接觸面設(shè)置
魚雷發(fā)射裝置有限元模型為一復(fù)雜裝配體,在其有限元?jiǎng)恿W(xué)建模中發(fā)現(xiàn)該模型零部件間的裝配接觸面接觸關(guān)系對(duì)其分析精度有較大影響。因此,文中基于原型結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果,對(duì)有限元模型進(jìn)行裝配結(jié)合部接觸特性調(diào)整修改,不斷提高有限元分析精度。發(fā)射裝置主要零部件裝配面接觸采用完全綁定和不分離2類線性接觸特征設(shè)置(見圖3(a)和(b)),以模擬焊接和螺栓連接面等裝配結(jié)合部的力學(xué)約束狀況。其中,轉(zhuǎn)臺(tái)瓦板與管體裝配接觸面、回轉(zhuǎn)軸承滾動(dòng)體與內(nèi)、外圈等接觸面采用不分離接觸設(shè)置,其余裝配結(jié)合面均為綁定接觸設(shè)置。建模時(shí),三聯(lián)裝發(fā)射管之間的實(shí)際連接方法與實(shí)際產(chǎn)品中發(fā)射管間的連接方法相同; 同時(shí),有限元模型與艦艇甲板間的約束方式與實(shí)際產(chǎn)品安裝方式一致。
3.1抗沖擊分析輸入譜設(shè)計(jì)
依據(jù)國軍標(biāo)GJB 1060.1-91《艦船環(huán)境條件要求-機(jī)械環(huán)境》5.7節(jié)中“動(dòng)力學(xué)分析”規(guī)定,魚雷發(fā)射裝置屬于水面艦艇甲板安裝的甲類設(shè)備,其設(shè)計(jì)沖擊加速度和沖擊速度值的計(jì)算公式分別為
式中: ma為發(fā)射裝置整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)質(zhì)量,A0為設(shè)計(jì)沖擊標(biāo)稱加速度,V0為設(shè)計(jì)沖擊標(biāo)稱速度。根據(jù)國軍標(biāo)GJB 1060.1-91規(guī)定的甲板部位彈性設(shè)計(jì)規(guī)范,ma取發(fā)射裝置總質(zhì)量(1.45 t)的80%,垂向、橫向、縱向抗沖擊分析的設(shè)計(jì)加速度、速度值如表1所示。
表1 魚雷發(fā)射裝置抗沖擊分析輸入譜設(shè)計(jì)值Table 1 Design values of input spectrum for anti-shock analysis of a torpedo launcher
另外,根據(jù)國軍標(biāo)GJB 1060.1-91 中5.7.4危險(xiǎn)區(qū)域的確定”一節(jié)所規(guī)定: 若采用頻率計(jì)算確定危險(xiǎn)區(qū)域(即在沖擊載荷作用下可能破壞的區(qū)域或部件)時(shí),水面艦艇甲類及丙類設(shè)備彈性設(shè)計(jì)動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)的截止頻率fc為
其中,z?a為分析系統(tǒng)最高振動(dòng)模態(tài)的模態(tài)質(zhì)量,一般取分析系統(tǒng)總質(zhì)量的10%。針對(duì)發(fā)射裝置分析系統(tǒng),按其總質(zhì)量1.45 t的10%計(jì)算得到的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)分析截止頻率fc為122.75 Hz。通過發(fā)射裝置模態(tài)分析得知,其前3階模態(tài)頻率最高為106.94 Hz。因此,發(fā)射裝置抗沖擊分析截止頻率fc覆蓋了前3階振動(dòng)模態(tài)垂向、橫向和縱向動(dòng)力學(xué)沖擊疊加響應(yīng)。根據(jù)國軍標(biāo)GJB1060.1-91規(guī)定的一維DDAM,結(jié)合表1的輸入譜設(shè)計(jì)值,魚雷發(fā)射裝置垂向沖擊設(shè)計(jì)輸入譜如圖4所示,橫向、縱向的沖擊設(shè)計(jì)輸入譜類似。
圖4 發(fā)射裝置垂向沖擊設(shè)計(jì)輸入譜Fig. 4 Design input spectrum of a torpedo launcher in vertical direction shock
3.2抗沖擊仿真分析及評(píng)價(jià)
魚雷發(fā)射裝置一維DDAM抗沖擊仿真分析主要基于Ansys Workbench的響應(yīng)譜分析技術(shù),發(fā)射裝置轉(zhuǎn)臺(tái)底部采用模擬裝艦工況的固定約束。根據(jù)3.1節(jié)中抗沖擊分析輸入譜,分別對(duì)發(fā)射裝置進(jìn)行垂向、橫向、縱向加載,沖擊輸入譜通過約束邊界施加于發(fā)射裝置結(jié)構(gòu); 沖擊響應(yīng)譜采用CQC算法,計(jì)算得到發(fā)射裝置垂向、橫向、縱向3個(gè)方向上的沖擊響應(yīng)。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),發(fā)射裝置分別在垂向、橫向、縱向沖擊作用下,在發(fā)射管后蓋處出現(xiàn)了Von Mises應(yīng)力奇異點(diǎn),最大值為330.54 MPa。分析原因是由于沖擊輸入均勻化處理及單元網(wǎng)格自身應(yīng)力集中等問題,該點(diǎn)單元應(yīng)力與周圍單元應(yīng)力有非線性突變,因而在抗沖擊分析中應(yīng)依據(jù)力學(xué)漸變?cè)瓌t忽略此類單元的應(yīng)力。因此,剔除應(yīng)力奇異點(diǎn)后,發(fā)射裝置最大Von Mises應(yīng)力均出現(xiàn)在轉(zhuǎn)臺(tái)瓦板面上,具體應(yīng)力值和位置如表2所示。
圖5(a)、(b)、(c)分別為發(fā)射裝置在垂向、橫向、縱向沖擊作用下,整體Von Mises應(yīng)力分布云圖。圖5(d)、(e)、(f)分別為發(fā)射裝置在垂向、橫向、縱向沖擊作用下,轉(zhuǎn)臺(tái)瓦板面局部Von Mises應(yīng)力云圖及最大應(yīng)力發(fā)生位置。一維DDAM發(fā)射裝置抗沖擊有限元仿真分析結(jié)果表明: 1) 三向一維沖擊譜加載工況下發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)應(yīng)力主要集中于轉(zhuǎn)臺(tái)、發(fā)射管體、上管托架以及管體瓦板連接螺栓。2) 在垂向沖擊譜加載工況下,發(fā)射裝置轉(zhuǎn)臺(tái)瓦板支撐弧面最大Von Mises應(yīng)力為191.9 MPa; 轉(zhuǎn)臺(tái)底部支撐筋最大應(yīng)力接近100 MPa; 下管Von Mises應(yīng)力<55 MPa; 管體與瓦板連接螺栓Von Mises應(yīng)力<83.9 MPa。
表2 魚雷發(fā)射裝置三向一維DDAM法沖擊響應(yīng)最大Von Mises應(yīng)力值及位置Table 2 Maximum von Mises stress of shock response and its position in a torpedo launcher in three directions by using dynamic design analysis method(DDAM)
圖5 發(fā)射裝置在3個(gè)方向沖擊作用下的整體應(yīng)力及最大應(yīng)力分布圖Fig. 5 Overall stress and maximum stress distribution in a torpedo launcher under the shock in three directions
3) 在橫向沖擊譜加載工況下,發(fā)射裝置轉(zhuǎn)臺(tái)瓦板支承弧面外側(cè)邊緣最大Von Mises應(yīng)力為224.2 MPa; 下管體Von Mises應(yīng)力<65 MPa; 管體與瓦板連接螺栓Von Mises應(yīng)力<51.3 MPa; 上管托架應(yīng)力<77.4 MPa。
4) 在縱向沖擊譜加載工況下,發(fā)射裝置轉(zhuǎn)臺(tái)瓦板面最大Von Mises應(yīng)力為91.5 MPa(與垂向沖擊最大應(yīng)力位置相同); 下管體Von Mises應(yīng)力<40 MPa; 管體瓦板連接螺栓Von Mises應(yīng)力<30 MPa; 上管托架應(yīng)力<10 MPa。
5) 從沖擊響應(yīng)Von Mises應(yīng)力分析結(jié)果來看,發(fā)射裝置整體結(jié)構(gòu)沖擊應(yīng)力以垂向和橫向?yàn)橹?,縱向沖擊應(yīng)力次之。
由于轉(zhuǎn)臺(tái)及瓦板的材料屈服強(qiáng)度為300 MPa,發(fā)射管、管體連接架、腹條、腹板的材料屈服強(qiáng)度為315 MPa,管體瓦板連接螺栓的材料屈服強(qiáng)度為1 080 MPa。因此,發(fā)射裝置在垂向、橫向、縱向沖擊作用下,各零部件結(jié)構(gòu)的最大Von Mises應(yīng)力均沒有超過材料的屈服強(qiáng)度,滿足國軍標(biāo)GJB1060.1-91規(guī)定的抗沖擊設(shè)計(jì)要求,發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)安全。
文中使用魚雷發(fā)射裝置模態(tài)試驗(yàn)與有限元綜合建模技術(shù),建立了發(fā)射裝置抗沖擊有限元分析模型; 以Ansys Workbench的響應(yīng)譜分析技術(shù)為基礎(chǔ),使用DDAM方法對(duì)艦艇魚雷發(fā)射裝置進(jìn)行了抗沖擊仿真分析。仿真結(jié)果表明: 在三向一維設(shè)計(jì)沖擊載荷作用下,發(fā)射裝置重點(diǎn)考核對(duì)象(即轉(zhuǎn)臺(tái)、瓦板、發(fā)射管體和管體瓦板連接螺栓)滿足國軍標(biāo)GJB1060.1-91規(guī)定的抗沖擊設(shè)計(jì)要求,發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)安全; 發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)最大沖擊應(yīng)力均集中于轉(zhuǎn)臺(tái)零件; 其中,轉(zhuǎn)臺(tái)瓦板支承面四角邊緣以及轉(zhuǎn)臺(tái)局部支承筋沖擊響應(yīng)應(yīng)力數(shù)值較大,可考慮對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行抗沖擊結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì); 從沖擊響應(yīng)Von Mises應(yīng)力分析結(jié)果來看,發(fā)射裝置整體結(jié)構(gòu)沖擊應(yīng)力以垂向和橫向?yàn)橹鳎v向沖擊應(yīng)力次之。因此,今后對(duì)發(fā)射裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)重點(diǎn)考慮三向均衡抗沖擊設(shè)計(jì)。
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(責(zé)任編輯: 許妍)
Research on Anti-Shock Capability of Shipborne Torpedo Launcher Based on Dynamic Design Analysis Method
HE Jia-lei,ZHOU Chuan,ZHOU Ning-bo,Duan Hao
(Kunming Branch of the 705 Research Institute,China Shipbuilding Industry Corporation,Kunming 650118,China)
The anti-shock capability of marine equipment and system is an important factor in determining the vitality of a ship in wartime. Based on the modal test for shipborne torpedo triple launcher and the finite element modeling technology,we establish a finite element analysis model of the launcher to investigate its anti-shock capability. In terms of the dynamic design analysis method(DDAM),with which American navy assess the anti-shock capability of marine equipment,we design launcher shock input spectrum according to the GJB1060 Standard to simulate and assess the anti-shock capability of the triple torpedo launcher. Simulation results demonstrate that on the turntable tile plate the maximum shock response displacement and the maximum Von-Mises stress appear in transverse direction,but the max transverse Von-Mises stress is less than the yield strength of material. The transverse,longitudinal and vertical anti-shock capabilities meet the requirements of the ship anti-shock assessment.
torpedo launcher; dynamic design analysis method(DDAM); modal test; anti-shock capability
TJ635
A
1673-1948(2015)02-0139-06
2014-07-28;
2014-09-20.
何佳磊(1990-),男,在讀碩士,主要研究方向?yàn)轸~雷發(fā)射技術(shù).