王 路, 尹韶平, 曹小娟, 郭 君, 郝東旭

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基于Workbench響應譜分析的魚雷振動傳遞優(yōu)化

王 路1, 2, 尹韶平1, 曹小娟1, 郭 君1, 郝東旭3

(1. 中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西西安, 710077; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西西安, 710077; 3. 中國人民解放軍92840部隊, 山東青島, 266405)

在魚雷方案設(shè)計階段, 為降低結(jié)構(gòu)振動傳遞響應, 優(yōu)化設(shè)計參數(shù), 采用有限元法, 建立了基于Work- bench的魚雷結(jié)構(gòu)參數(shù)化等效模型。以某型魚雷為例進行全雷結(jié)構(gòu)響應譜分析, 以減小振動傳遞響應為目標, 優(yōu)化等效集中質(zhì)量、殼體厚度、矩形截面加強筋尺寸等結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。仿真結(jié)果表明, 該參數(shù)化等效模型能有效仿真魚雷結(jié)構(gòu)振動傳遞特性, 結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化后自導頭段振動傳遞響應有所降低。

魚雷; 振動傳遞; 響應譜分析; 優(yōu)化設(shè)計; 有限元分析

0 引言

魚雷是一種復雜的水下武器系統(tǒng), 其結(jié)構(gòu)聲學設(shè)計直接影響魚雷戰(zhàn)斗性能。魚雷結(jié)構(gòu)振動傳遞特性研究及魚雷振動噪聲預報是魚雷產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)[1]。

隨著計算機運行速度的加快, 采用有限元法進行結(jié)構(gòu)動力學分析成為主流。有限元法具有計算精度高、成本低、快捷方便、適用于任何復雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)點, 因此考慮采用有限元法建立參數(shù)化模型進行振動噪聲預報和低噪聲設(shè)計優(yōu)化[2]。

文章采用ANSYS有限元商業(yè)軟件的work- bench界面建立魚雷殼體結(jié)構(gòu)參數(shù)化等效模型, 導入模態(tài)分析模塊根據(jù)以往模態(tài)試驗數(shù)據(jù)修正輸入?yún)?shù), 在響應譜分析模塊中加載發(fā)動機振動響應譜, 通過模態(tài)合并法計算結(jié)構(gòu)振動特性, 進行結(jié)構(gòu)振動傳遞特性建模仿真。加載優(yōu)化分析模塊, 進行可調(diào)參數(shù)敏感性分析, 選取設(shè)計變量, 優(yōu)化結(jié)構(gòu)振動傳遞響應。

1 全雷結(jié)構(gòu)簡介

魚雷結(jié)構(gòu)主要由自導頭段、戰(zhàn)雷段、電子段、燃料段、動力段、尾段六大艙段組成, 發(fā)動機是主要振源, 魚雷結(jié)構(gòu)振動主要通過殼體傳遞, 當動力系統(tǒng)的振動能量傳遞到艙段殼體后, 殼體結(jié)構(gòu)主要以彎曲波的形式把振動傳遞到給其他耦合殼體結(jié)構(gòu), 形成殼體表面振動場[3]。

研究考慮動力段振動向前傳遞, 自導頭段對振動傳遞最為敏感, 結(jié)構(gòu)振動傳遞噪聲會影響自導元器件及聲吶基陣工作效果。為方便參數(shù)化建模分析, 選擇動力段殼體為振動輸入端, 自導頭段殼體為振動輸出端, 建立全雷結(jié)構(gòu)有限元參數(shù)化模型, 為后續(xù)響應譜分析和優(yōu)化分析做準備。

2 基于workbench的有限元建模

2.1 艙段殼體

魚雷艙段殼體多為旋轉(zhuǎn)圓柱殼結(jié)構(gòu), 采用Shell單元建模比采用實體拉伸建模更易于參數(shù)化控制, 運算速度也更快捷。同時, 為方便后續(xù)參數(shù)優(yōu)化分析計算, 將頭段殼體及尾段殼體簡化為等長圓柱殼。

2.2 楔環(huán)結(jié)構(gòu)

楔環(huán)聯(lián)接是魚雷典型聯(lián)接結(jié)構(gòu)。由于魚雷殼體楔環(huán)部位涉及到2段殼體、2個楔環(huán)、填片、蓋板和蓋板螺釘?shù)榷鄠€零件, 相互的力傳遞特性也很復雜, 為了方便建模和保證計算過程的穩(wěn)定性和收斂性, 將楔環(huán)和殼體軸結(jié)構(gòu)、殼體孔結(jié)構(gòu)連接段作為整體建立等效楔環(huán)段模型[4], 如圖1所示。

圖1 楔環(huán)等效模型對比示意圖

Fig. 1 Comparison of wedged-ring equivalent models

在幾何模塊中依次拉伸面體建立自導頭段、楔環(huán)1、操雷段、楔環(huán)2、電子段、楔環(huán)3、燃料段、楔環(huán)4、動力段、楔環(huán)5和尾段。

2.3 艙段殼體加強筋

魚雷艙段殼體為保證殼體強度需要在內(nèi)部建立環(huán)狀加強筋, 加強筋采用線體單元建模。并賦予加強筋線體截面幾何形狀。在偏置選項中將沿中心偏置改為沿頂部偏置, 并將偏置距離參數(shù)與殼體厚度關(guān)聯(lián)起來, 使加強筋與殼體幾何模型得以連接。

2.4 艙段內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效質(zhì)量

魚雷各艙段內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復雜, 如果內(nèi)部按照實體建模, 勢必增加運算量。文中所研究魚雷結(jié)構(gòu)振動傳遞主要沿殼體傳播, 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要作為質(zhì)量參與振動。故可選擇將內(nèi)部結(jié)構(gòu)作為集中質(zhì)量點單獨賦予。

各艙段除殼體外內(nèi)部組件質(zhì)量用等效集中質(zhì)量點來表示并附加在各段重心上, 如圖2所示。

3 模型參數(shù)

3.1 材料參數(shù)

將得到的幾何模型導入workbench模態(tài)分析模塊, 賦予材料屬性初值參數(shù)。各艙段殼體及加強筋采用鋁合金材料, 其彈性模量=71 GPa, 泊松比=0.33, 密度=2 770 kg/m3。

由于魚雷艙段連接并非完全剛性, 其柔性連接剛度不宜測定, 需要參考經(jīng)驗值并依據(jù)試驗結(jié)果進行調(diào)節(jié)。而各楔環(huán)連接段作為單獨子結(jié)構(gòu), 調(diào)整其彈性模量即可調(diào)整各艙段間的連接剛度。

3.2 幾何參數(shù)及網(wǎng)格劃分

幾何模塊中, 艙段模型及楔環(huán)連接段模型都為面體, 應在分析界面中賦予面體厚度, 并沿面體劃分網(wǎng)格, 網(wǎng)格要求均勻且適當細致, 過于細致會影響后續(xù)參數(shù)優(yōu)化分析效率。因魚雷結(jié)構(gòu)尺寸較大, 圓柱殼體網(wǎng)格較為規(guī)則, 本模型選取網(wǎng)格單元尺寸為30 mm, 繪制四邊形面網(wǎng)格見圖3。

3.3 各楔環(huán)彈性模量

采用響應譜分析模塊計算魚雷殼體振動傳遞基于模態(tài)合并法, 故首先進行模態(tài)分析。調(diào)整各楔環(huán)彈性模量, 使前3階方向自由模態(tài)固有頻率對準試驗值。調(diào)整方法可采取參數(shù)設(shè)計點手動調(diào)整或采用對準前3階自由模態(tài)頻率作為目標函數(shù)根據(jù)優(yōu)化模塊算法自動調(diào)整。文中采用手動調(diào)整, 調(diào)整后的各楔環(huán)彈性模量如表1所示[5]。

表1 各楔環(huán)彈性模量

前3階自由模態(tài)頻率試驗值與模型楔環(huán)彈性模量調(diào)整前后值對比如表2所示, 括號內(nèi)為模型仿真值與試驗值的相對誤差。

表2 前3階自由模態(tài)頻率

可以看出, 楔環(huán)彈性模量對全雷自由模態(tài)頻率影響較大, 調(diào)整后的模型前3階自由模態(tài)頻率與試驗值更為接近。調(diào)整后模型其前3階自由方向模態(tài)振型如圖4所示。

4 Workbench響應譜分析

響應譜分析是模態(tài)分析的延伸, 用于計算結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊載荷或隨機載荷(如地震、波浪、發(fā)動機推力、振動等)時產(chǎn)生的動力響應情況。譜分析計算結(jié)構(gòu)在每個固有頻率處給定譜值下的最大響應, 將其作為模態(tài)的比例因子, 并將模態(tài)合并來給出結(jié)構(gòu)的總響應。

本模型采用單點譜分析, 模態(tài)合并采用SRSS均方根法?？紤]到模態(tài)質(zhì)量大于0.9時模態(tài)合并法有效, 模態(tài)分析頻段取0~800 Hz。去除呼吸模態(tài), 前3階自由模態(tài)頻率與試驗值相仿認為模態(tài)分析可靠。恒定阻尼比取0.02, 選擇動力艙段殼體作為輸入端加載發(fā)動機振動加速度響應譜, 方向沿軸正向。自導頭段殼體為振動傳遞響應輸出端, 提取正向加速度響應輸出。輸入響應譜頻段在1~500 Hz, 分析頻段在1~800 Hz(已將前3階自由模態(tài)頻率包含在內(nèi)), 步長為1Hz。由于在workbench環(huán)境下加載響應譜需要施加動力段殼體位移約束, 故頭段加速度響應為動力段加速度輸入的相對值。

以上魚雷結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)均為初值, 可得到設(shè)計初值響應譜分析結(jié)果。

5 Workbench優(yōu)化設(shè)計

Workbench設(shè)計探索(design exploration)是功能強大、方便易用的多目標優(yōu)化及穩(wěn)健性設(shè)計模塊。該模塊包括目標驅(qū)動優(yōu)化(goal driven optimization), 用于尋找最佳設(shè)計點; 相關(guān)參數(shù)(parameters correlation), 用于得到輸入?yún)?shù)敏感性; 響應曲面(response surface), 用于觀察輸入?yún)?shù)的影響, 通過圖表的形式動態(tài)顯示輸入輸出參數(shù)間的關(guān)系; 六西格瑪設(shè)計(six sigma analysis),用于評估產(chǎn)品的可靠性, 其技術(shù)基于6個標準誤差理論[6]。

Workbench優(yōu)化設(shè)計的思想是按某種算法生成一系列的離散設(shè)計點帶入模型運算并擬合成響應曲面, 在響應曲面上插值選出3組滿足目標函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計點, 最終將優(yōu)化設(shè)計點代入計算模型得到優(yōu)化結(jié)果。

5.1 目標函數(shù)

本次優(yōu)化為單目標優(yōu)化, 以頭段殼體加速度響應的最大值變得最小作為優(yōu)化目標。即目標函數(shù)為

其中:max代表頭段殼體加速度響應的最大值;代表輸入設(shè)計參數(shù)矩陣;和分別代表輸入設(shè)計參數(shù)取值的下限與上限;T代表設(shè)計參數(shù)系數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置。

5.2 設(shè)計變量

在滿足結(jié)構(gòu)強度的前提下, 可調(diào)參數(shù)分為3組: 一是各段等效集中質(zhì)量, 共6個參數(shù), 變化范圍為; 二是各段殼體厚度, 共6個參數(shù), 變化范圍可上調(diào)1 mm; 三是矩形截面加強筋尺寸, 燃料段加強筋形狀尺寸保持不變, 可變尺寸參數(shù)有戰(zhàn)雷段筋1、筋2, 電子段筋, 動力段筋1、筋2這5個矩形截面加強筋徑向厚度與軸向厚度共10個參數(shù), 變化范圍為。

由于可調(diào)參數(shù)較多, 需分別對各組參數(shù)作敏感性分析, 找到對振動傳遞貢獻量敏感性較大的參數(shù)作為最終優(yōu)化設(shè)計變量。

設(shè)定好目標函數(shù)及可調(diào)參數(shù)變化范圍后, 分別對3組可調(diào)參數(shù)進行敏感性分析, 在相關(guān)參數(shù)模塊中查看輸入?yún)?shù)敏感性分析如圖5所示。

從圖5(a)各段等效集中質(zhì)量組可以看出, 頭段等效集中質(zhì)量和燃料段等效集中質(zhì)量敏感性較大, 可選為優(yōu)化設(shè)計變量。從圖5(b)各段殼體厚度組可以看出, 頭段殼體厚度和燃料段殼體厚度敏感性較大, 可選為優(yōu)化設(shè)計變量。從圖5(c)各矩形截面加強筋尺寸組可以看出, 戰(zhàn)雷段筋1的B1和電子段筋的A3敏感性較大(A代表加強筋徑向厚度, B代表加強筋軸向厚度, 1代表第1根筋, 3代表第3根筋), 可選為優(yōu)化設(shè)計變量。

5.3 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

經(jīng)過敏感性分析, 最終選定的設(shè)計變量為: 頭段等效集中質(zhì)量和燃料段等效集中質(zhì)量, 頭段殼體厚度和燃料段殼體厚度, 戰(zhàn)雷段筋1的B1和電子段筋的A3, 共6個參數(shù)。其他參數(shù)按初值取, 使頭段殼體加速度響應的最大值變得最小作為優(yōu)化目標, 尋找到3組優(yōu)化設(shè)計點, 代入計算。

通過有限元軟件仿真優(yōu)化結(jié)果(見表3)可以看出, 經(jīng)過優(yōu)化, 頭段殼體加速度響應的最大值由初值192.05 mm/s2降到166.58 mm/s2, 降低了1.24 dB, 表明該魚雷結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型可較好地應用于魚雷結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計的振動聲學特性優(yōu)化。

表3 參數(shù)化模型優(yōu)化結(jié)果

6 結(jié)束語

文章建立的有限元參數(shù)化模型可有效用于魚雷結(jié)構(gòu)振動傳遞研究。其中楔環(huán)等效模型、加強筋的線體模型, 艙段殼體的面體模型、艙段內(nèi)部等效集中質(zhì)量的建模方法提高了建模及運算效率, 加強了參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性?？烧{(diào)設(shè)計參數(shù)敏感性分析使后續(xù)優(yōu)化工作減小了計算量, 為魚雷結(jié)構(gòu)聲學設(shè)計參數(shù)優(yōu)化提供了有效解決途徑。

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

[2] 曹銀萍, 石秀華. 基于ANSYS的魚雷有限元建模與模態(tài)分析[J]. 彈箭與指導學報, 2009, 29(3): 289-292.Cao Yin-ping, Shi Xiu-hua. Finite Element Modeling and Modal Analysis of Torpedo Based on ANSYS[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2009, 29 (3): 289-292.

[3] 張宇文. 魚雷總體設(shè)計原理與方法[M]. 西安: 西北工業(yè)大學出版社, 1995.

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[6] 凌貴龍. ANSYS Workbench 13.0從入門到精通[M]. 北京: 清華大學出版社, 2012.

Vibration Transfer Optimization of Torpedo Based on Workbench Response Spectrum

WANG Lu1,2, YIN Shao-ping1, CAO Xiao-juan1, GUO Jun1, HAO Dong-xu3

(1. The 705th Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi￠an 710077, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi￠an 710077, China; 3. 92840thUnit, The People′s Liberation Army of China, Qingdao266405, China)

For reducing structural vibration transfer response and optimizing design parameters in the scheme design phase of a torpedo, finite element analysis is employed to establish a parameterized equivalent model of torpedo structure based on Workbench. Response spectrum analysis is conducted for the shell of a certain type torpedo. The design parameters, like equivalent concentration of mass, shell thickness, and size of reinforcing rib with rectangular cross section, are optimized to reduce the vibration transfer response. Simulation results show that this parameterized equivalent model can effectively simulate the characteristic of structural vibration transfer of a torpedo, and the vibration transfer response of the homing head cabin decreases after optimization.

torpedo; vibration transfer; response spectrum analysis; optimization design; finite element analysis(FEA)

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.01.003

TJ630

A

1673-1948(2016)01-013-05

2015-09-02;

2015-10-19.

王 路(1991-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為魚雷總體技術(shù).

(責任編輯: 陳 曦)