浦 軍，石邦凱

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

基于DDAM的某艦用升降裝置抗沖擊分析

浦 軍，石邦凱

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

介紹美國(guó)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），利用Ansys軟件對(duì)某艦用升降裝置進(jìn)行建模，并基于DDAM方法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和抗沖擊性能分析，分析結(jié)果可為艦用升降裝置抗沖擊設(shè)計(jì)和評(píng)估提供參考。

升降裝置；DDAM；抗沖擊；動(dòng)力學(xué)特性

0 引 言

艦船設(shè)備抗沖擊性能是評(píng)價(jià)艦艇生命力的重要指標(biāo)，因此為保證和提高艦船設(shè)備的抗沖擊性能，在研制過(guò)程中必須對(duì)其進(jìn)行抗沖擊性能分析。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法（DDAM）是由美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室定義的一種特定類(lèi)型的頻譜，用于分析船用裝備的抗沖擊性能。該方法是基于沖擊譜的響應(yīng)分析法[1,2]，它根據(jù)艦艇類(lèi)型、設(shè)備在艦艇上的安裝位置、設(shè)備重量、沖擊載荷作用方向等因素定義設(shè)備的沖擊環(huán)境（設(shè)計(jì)譜值）。升降裝置是水面艦船上用于轉(zhuǎn)運(yùn)彈藥等物資必不可少的設(shè)備。本文通過(guò)采用Ansys軟件對(duì)某艦用升降裝置建模，采用DDAM方法對(duì)其進(jìn)行抗沖擊仿真計(jì)算，得出了升降裝置在各方向上的抗沖擊性能。計(jì)算結(jié)果可為艦用升降裝置抗沖擊設(shè)計(jì)和評(píng)估提供參考。

1 計(jì)算原理

1.1 動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)分析方法（DDAM）

動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)分析方法的分析理論與常規(guī)反應(yīng)譜分析方法相同，都是采用模態(tài)疊加法的線性分析。該方法是限定設(shè)計(jì)譜值的反應(yīng)譜法，首先根據(jù)設(shè)計(jì)沖擊譜的輸入得出各階模態(tài)的位移和應(yīng)力，然后通過(guò)對(duì)各階模態(tài)解的合成得出設(shè)備的位移和應(yīng)力[3,4]。其設(shè)計(jì)譜值依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式定義，與艦艇類(lèi)型、設(shè)備安裝位置、沖擊考核方向以及設(shè)備各階模態(tài)的模態(tài)質(zhì)量等因素密切相關(guān)。

早期由于計(jì)算條件的限制，計(jì)算模型的自由度較少，且單向沖擊單向響應(yīng)，不考慮三向耦合作用。但隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，利用三維模態(tài)理論可以將DDAM拓展，不僅計(jì)算模型的自由度增加，而且可以實(shí)現(xiàn)單向沖擊多向響應(yīng)，且考慮系統(tǒng)的三向耦合作用，從而使計(jì)算精度大大提高，分析結(jié)果更為可信。

1.2 模態(tài)合成與應(yīng)力評(píng)估

常用的模態(tài)合成方法有絕對(duì)值求和（ABS）、平方和之平方根（SRSS）以及美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室求和（NRL）。根據(jù)國(guó)軍標(biāo)規(guī)定，對(duì)有效動(dòng)態(tài)模態(tài)應(yīng)力采用NRL方法進(jìn)行模態(tài)合成，即Ansys中DDAM模塊的NRLSUM方法。

采用動(dòng)力學(xué)分析得到的沖擊應(yīng)力與由分析系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性如旋轉(zhuǎn)力、蒸汽壓力等產(chǎn)生的連續(xù)工作應(yīng)力合成時(shí)，不考慮自身重力引起的應(yīng)力、螺栓的預(yù)應(yīng)力和非連續(xù)工作應(yīng)力。本文將升降裝置在5級(jí)海況搖擺慣性載荷下的應(yīng)力、位移與DDAM計(jì)算所得的沖擊應(yīng)力、位移進(jìn)行了合成，并將合成后的總應(yīng)力值與許用應(yīng)力值進(jìn)行比較，從而對(duì)升降裝置的抗沖擊性能進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估。

1.3 模態(tài)選擇

在DDAM計(jì)算中，不需要對(duì)所有模態(tài)進(jìn)行疊加合成，其計(jì)算結(jié)果與模態(tài)選擇數(shù)及輸入的設(shè)計(jì)譜參數(shù)密切相關(guān)。模態(tài)選擇要符合以下要求：

1）選擇的總模態(tài)質(zhì)量大于分析系統(tǒng)總質(zhì)量的80%。

2）分析的模態(tài)中應(yīng)包括模態(tài)質(zhì)量大于分析系統(tǒng)總質(zhì)量10%的所有模態(tài)。

3）優(yōu)先考慮較低頻率的模態(tài)。

2 升降裝置設(shè)計(jì)沖擊環(huán)境

水面艦船設(shè)備的安裝區(qū)域分為I類(lèi)、Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)，I類(lèi)區(qū)域?yàn)榧装宀课唬蝾?lèi)區(qū)域?yàn)榇w部位，Ⅲ類(lèi)區(qū)域?yàn)橥獍宀课?。基于艦船設(shè)備在不同安裝區(qū)域的沖擊譜計(jì)算公式為：

對(duì)于I類(lèi)安裝區(qū)域：

對(duì)于Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)安裝區(qū)域：

式中：ma為設(shè)備的模態(tài)質(zhì)量，t；Aa為標(biāo)稱加速度譜，m/s2；Va為標(biāo)稱速度譜，m/s。

升降裝置具體的設(shè)計(jì)譜Aa和Va采用表1的系數(shù)計(jì)算。根據(jù)式（1）～式（4）確定的V0和A0，取V0ω0與A0中的小值為動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)在給定沖擊方向上的沖擊設(shè)計(jì)加速度，ω0為模態(tài)質(zhì)量ma所對(duì)應(yīng)振動(dòng)模態(tài)的圓頻率。

采用GJB1060.1-91規(guī)定的用于水面艦船不同安裝區(qū)域沖擊譜的計(jì)算公式進(jìn)行響應(yīng)的沖擊譜計(jì)算，針對(duì)不同的工作方向，升降裝置設(shè)計(jì)沖擊譜值由經(jīng)驗(yàn)公式確定，具體要求見(jiàn)表1[5]。表中A0和V0為升降裝置的不同模態(tài)質(zhì)量所對(duì)應(yīng)各類(lèi)安裝區(qū)域的沖擊加速度譜和速度譜，彈性設(shè)計(jì)和彈塑性設(shè)計(jì)根據(jù)升降裝置是否允許出現(xiàn)塑性變形來(lái)確定。

表 1 升降裝置在各類(lèi)安裝區(qū)域的設(shè)計(jì)譜

3 升降裝置結(jié)構(gòu)組成與工作原理

升降裝置主要有基座，叉架，左、右側(cè)滾輪組合，臺(tái)面，止鎖塊和液壓缸等機(jī)構(gòu)組成，圖1所示為升降裝置三維模型。

液壓缸在油壓作用下，驅(qū)動(dòng)升降機(jī)的叉架及臺(tái)面作升降運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在甲板與運(yùn)送物資庫(kù)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。左、右叉架分別在底端和上端安裝有滾輪，在相應(yīng)的上下導(dǎo)軌中運(yùn)動(dòng)，上下導(dǎo)軌分別安裝在臺(tái)面和底座上，如圖2和圖3所示。

4 升降裝置DDAM有限元分析

GJB1060.1-91對(duì)艦載設(shè)備的抗沖擊等級(jí)分為A，B，C三級(jí)，其劃分依據(jù)主要是艦載設(shè)備對(duì)艦船安全和連續(xù)作戰(zhàn)能力的重要程度。抗沖擊等級(jí)為A的設(shè)備是指對(duì)艦船連續(xù)作戰(zhàn)和安全必不可少的設(shè)備；抗沖擊等級(jí)為B的設(shè)備是指對(duì)艦船連續(xù)作戰(zhàn)和安全不是必需的設(shè)備，但其在艦船上的位置和布置在艦船受沖擊時(shí)或沖擊后對(duì)人員或A級(jí)設(shè)備可能構(gòu)成危險(xiǎn)?？箾_擊等級(jí)為C的設(shè)備是指除布置和位置不會(huì)對(duì)A級(jí)設(shè)備和人員構(gòu)成危險(xiǎn)外沒(méi)有抗沖擊要求的非A級(jí)設(shè)備。

該升降裝置為水面艦船設(shè)備，位于艙室內(nèi)，安裝位置為船體部位，即II類(lèi)安裝區(qū)域，是轉(zhuǎn)運(yùn)艦上彈藥物資必不可少的設(shè)備，抗沖擊等級(jí)為A級(jí)，彈性抗沖擊設(shè)計(jì)。本文基于以上參數(shù)對(duì)該升降裝置進(jìn)行三維實(shí)體建模，采用國(guó)軍標(biāo)規(guī)定對(duì)其進(jìn)行DDAM方法的抗沖擊驗(yàn)證。

升降裝置整體結(jié)構(gòu)為鋼，其力學(xué)性能和特性參數(shù)見(jiàn)表2。

表 2 材料特性參數(shù)

4.1 計(jì)算模型的建立與假設(shè)

升降裝置計(jì)算模型坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)系，z軸豎直向上，x軸為船體縱向，y軸為橫向。為簡(jiǎn)化升降裝置計(jì)算模型，作如下假設(shè)：

1）升降裝置的所有焊縫聯(lián)接可靠，通過(guò)焊縫聯(lián)接的各部件為一整體；

2）升降裝置上任何通過(guò)螺栓連接的2個(gè)部件，均視為一個(gè)整體，兩者連接可靠；

3）液壓油缸根據(jù)其剛度等效為彈簧；

4）升降裝置大部分部件采用鋼板或鋼質(zhì)型材焊接而成，符合殼單元簡(jiǎn)化理論，因此升降裝置大部分部件采用殼單元建模；

5）升降裝置的材料是線彈性材料，計(jì)算按照線性材料計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，若是應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力則認(rèn)為結(jié)構(gòu)失效。

升降裝置計(jì)算模型總質(zhì)量為2 850 kg，其中升降裝置機(jī)架質(zhì)量為2 250 kg，模擬負(fù)載質(zhì)量為600 kg。

根據(jù)以上假設(shè)條件，采用Ansys建立的升降裝置計(jì)算模型如圖4所示。

4.2 工作載荷與邊界條件

升降裝置工作載荷為5級(jí)海況，x向最大過(guò)載為0.070 9 g，y向最大過(guò)載0.366 g，z向最大過(guò)載為1.441 3 g。

升降裝置受沖擊狀態(tài)時(shí)的邊界條件為：

1）升降裝置底座安裝位置與甲板焊接在一起，因此升降裝置底座與甲板連接部位完全約束；

2）側(cè)導(dǎo)軌底部與甲板焊接在一起，因此升降裝置側(cè)導(dǎo)軌底部完全約束；

3）液壓鎖作用在升降裝置頂部臺(tái)面，限制其垂向位移，因此升降裝置頂部臺(tái)面與液壓鎖作用位置約束其垂向位移；

4）升降裝置工作時(shí)的最大載重約600 kg，通過(guò)存放架及轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)固定在升降裝置頂部臺(tái)面。

計(jì)算模型添加了相應(yīng)的質(zhì)量單元。添加相應(yīng)邊界條件約束后的計(jì)算模型如圖5所示。

5 計(jì)算結(jié)果與分析

5.1 升降裝置沖擊設(shè)計(jì)加速度

根據(jù)升降裝置有限元分析計(jì)算得到的頻率、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)參與因子計(jì)算的沖擊設(shè)計(jì)加速度值見(jiàn)表3。為提高分析精度，在3個(gè)沖擊方向所選取的模態(tài)階數(shù)應(yīng)使模態(tài)質(zhì)量的總和大于總質(zhì)量的80%。

表 3 升降裝置沖擊設(shè)計(jì)加速度

由表3可知，升降裝置的最大沖擊輸入來(lái)自于垂向，最大沖擊設(shè)計(jì)加速度達(dá)675.23 m/s2，其次是橫向，最大沖擊設(shè)計(jì)加速度為272.68 m/s2，縱向的沖擊輸入最小，最大沖擊設(shè)計(jì)加速度只有136.50 m/s2。

5.2 升降裝置的位移和應(yīng)力合成

通過(guò)將升降裝置在5級(jí)海況搖擺慣性載荷下的應(yīng)力和位移與DDAM計(jì)算所得的沖擊應(yīng)力和位移進(jìn)行合成，得出表4所示升降裝置的合成位移與應(yīng)力。

5.3 結(jié)果分析

升降裝置3個(gè)方向的合成位移與應(yīng)力分布如圖6～圖11所示。

表 4 升降裝置合成位移與應(yīng)力

由圖6～圖11可知，5級(jí)海況下，升降裝置受縱向沖擊時(shí)，最大合成位移為3.1 mm，最大合成應(yīng)力為283 MPa；升降裝置受橫向沖擊時(shí)，最大合成位移為9.27 mm，最大合成應(yīng)力為304 MPa；升降裝置受垂向沖擊時(shí)，最大合成位移為6.49 mm，最大合成應(yīng)力為339 MPa。由此可見(jiàn)，升降裝置在3個(gè)方向的最大合成應(yīng)力均小于表4所示的材料屈服應(yīng)力345 MPa。因此，升降裝置在受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)，整體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生失效。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某艦用升降裝置進(jìn)行基于DDAM的抗沖擊計(jì)算與分析可知，升降裝置在艦上II類(lèi)安裝區(qū)域的抗沖擊性能可以保證其整體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生塑性變形，機(jī)械結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生失效。

[1]汪玉, 華宏星. 艦船現(xiàn)代沖擊理論及應(yīng)用[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2006.

[2]蔣濤, 王偉力. DDAM方法的艦船甲板設(shè)備垂向沖擊環(huán)境分析[C]// 第九屆全國(guó)沖擊動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集, 2005.

[3]趙應(yīng)龍, 何琳, 呂志強(qiáng). 應(yīng)用DDAM進(jìn)行船舶浮筏隔振裝置抗沖擊計(jì)算[J]. 工程力學(xué), 2007(4).

[4]姚熊亮, 馮林涵, 張阿曼. 利用DDAM方法分析艦用增壓鍋爐抗沖擊特性[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2009(3).

[5]GJB1060. 1-91艦船環(huán)境條件要求機(jī)械環(huán)境[S]. 北京, 國(guó)防科學(xué)技術(shù)委員會(huì), 1991.

Shock resistance analysis on certain ship lift based on DDAM

PU Jun, SHI Bang-kai
(The 713 Research Institute of CSIC, Zhengzhou 450015)

The dynamic design analysis method (DDAM) for testing the shock resistance capability of ship equipments used by the US Navy is introduced and the models for certain ship lift is built by using Ansys. The calculation and shock resistance analysis are also made based on DDAM, the analysis results can provide reference for the design and evaluation of shock resistance of ship lifts.

lift；DDAM；shock resistance；dynamic performance

TH132

A

1672 – 7649(2017)08 – 0128 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.027

2017 – 05 – 17

浦軍(1962 – )，男，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作。