史 健，洪學武，趙 堅，朱廣超，陳祖銀

（1.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.天津城建大學，天津 300384）

0 引言

水下滑翔器是一種新型的水下無人潛航器，具有持續(xù)工作時間長、航跡可控等優(yōu)點，主要用于海洋環(huán)境觀測、信息收集和礦產(chǎn)探測等，可在未來戰(zhàn)爭中發(fā)揮重要作用[1]。水下滑翔器的中部耐壓艙兩側(cè)各安裝一塊滑翔翼板，構(gòu)成了動力部件，其在海水的動載荷作用下極易發(fā)生劇烈振動，直接影響著水下滑翔器的滑翔效率，甚至導致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞威脅航行安全[2,3]。

研究水下滑翔器動力部件的模態(tài)特性，可避免結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，防止振動變形過大造成結(jié)構(gòu)疲勞損壞[4]。模態(tài)分析是獲得結(jié)構(gòu)模態(tài)特性參數(shù)的有效方法，通常有計算模態(tài)分析和試驗?zāi)B(tài)分析兩種途徑。隨著計算機和有限元理論的發(fā)展，可以對結(jié)構(gòu)模型做適當簡化，利用有限元分析軟件計算得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，了解其模態(tài)特性，這是復(fù)雜結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的常用方法。對于要求較高的情況，往往采用試驗?zāi)B(tài)分析的方法來得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性參數(shù)，固有頻率、阻尼參數(shù)和振型。

本文基于模態(tài)分析理論，利用有限元分析軟件ANSYS對水下滑翔器動力部件進行計算模態(tài)分析，分析計算結(jié)果，找到部件結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。繼而，對滑翔翼板做了模態(tài)試驗，并辨識得到翼板的模態(tài)參數(shù)，這為進一步的結(jié)構(gòu)振動故障診斷、結(jié)構(gòu)動力修改提供了依據(jù)。

1 動力部件實體模型

水下滑翔器動力部件主要由滑翔翼板和耐壓艙組成，他們之間通過卡扣結(jié)構(gòu)實現(xiàn)緊連接[5]。水下滑翔器再滑行過程中，動力部件配合重力調(diào)節(jié)機構(gòu)產(chǎn)生俯仰運動，實現(xiàn)滑行。

分別使用三維制圖軟件建立耐壓艙和滑翔翼板的實體模型，然后組裝成動力部件裝配體，如圖1所示。為減少計算負荷，對結(jié)構(gòu)中倒角、圓角等細小特征做了簡化。

圖1 水下滑翔器動力部件

2 動力部件有限元模型

將實體模型導入ANSYS軟件中建立動力部件的有限元模型。在滑翔運動中，要求滑翔翼板和耐壓艙之間沒有相對滑動，故在結(jié)構(gòu)處理時可以使用布爾運算（Booleans）將兩者做相加(add)處理[6]。

耐壓艙的材料為6 0 6 1鋁合金，彈性模量E=0.7×1011Pa，泊松比μ=0.33，密度ρ=2700kg/m3；滑翔翼板的材料為碳纖維樹脂復(fù)合材料，彈性模量E=19.3×109Pa，泊松比μ=0.32，密度ρ=1400kg/m3。選用單元類型Solid186進行網(wǎng)格劃分，得到919072個節(jié)點和554037個單元。

動力部件由滑翔翼板和耐壓艙構(gòu)成，劃分網(wǎng)格成功后，兩者的網(wǎng)格不連續(xù)，可使用MPC滑槽連接單元加以處理。該連接單元具有2個節(jié)點，且僅有1個相對位移自由度，兩節(jié)點的轉(zhuǎn)動自由度相互獨立即無關(guān)。該單元的節(jié)點不能施加約束條件，為避免發(fā)生剛體運動，可采用剛度的梁和殼單元覆蓋在類似銷軸節(jié)點連接的實體單元上。MPC滑槽連接單元輸入?yún)?shù)如表1所示。翔翼板和耐壓艙的連接位置，可采用滑槽連接單元處理，將兩者的網(wǎng)格相連。動力部件有限元模型如圖2所示。

表1 MPC滑槽鏈接單元輸出參數(shù)

圖2 水下滑翔器動力部件有限元模型

3 動力部件有限元模態(tài)分析

水下滑翔器運動過程中，遭受水流沖擊等復(fù)雜載荷，且在低頻環(huán)境中易產(chǎn)生振動，造成結(jié)構(gòu)受損[7]。對建立的動力部件有限元模型進行模態(tài)分析，在0～500Hz感興趣頻率范圍內(nèi)，得到24階計算結(jié)果。自由狀態(tài)下的計算結(jié)果會出現(xiàn)剛體模態(tài)，剔除剛體模態(tài)和虛擬模態(tài)后，取前8階模態(tài)結(jié)果，模態(tài)頻率如表2所示，模態(tài)振型如圖3所示。

分析得出，第1階振型為滑翔翼板一階彎曲；第2階振型為滑翔翼板二階彎曲；第3階振型為滑翔翼板二階彎曲，同時耐壓艙軸向翻滾；第4階振型為滑翔翼板一階扭轉(zhuǎn)；第5階振型為滑翔翼板三階彎曲；第6階振型為滑翔翼板二階扭轉(zhuǎn)；第7階振型為滑翔翼板水平方向同步擺動；第8階振型為滑翔翼板四階彎曲。

從振型分析不難得出，在動力部件結(jié)構(gòu)中，滑翔翼板的運動較激烈，且最大變形量產(chǎn)生在翼板上。為優(yōu)化動力部件結(jié)構(gòu)，需對滑翔翼板做進一步分析，研究其結(jié)構(gòu)動態(tài)特性。

表2 水下滑翔器動力部件有限元模態(tài)分析結(jié)果

圖3 水下滑翔器動力部件前8階振型

4 滑翔翼板模態(tài)分析

滑翔翼板為薄壁件，質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單，材料為碳纖維樹脂復(fù)合材料，具有良好的材料特性，對其做實驗?zāi)B(tài)分析。

可將其視為一個多自由度系統(tǒng)，系統(tǒng)振動方程為：

M質(zhì)量矩陣，C是阻尼矩陣，K是剛度矩陣, {F}是強迫力。經(jīng)坐標變換{x}=φ{(diào)q}，振動方程解耦為：

單點激勵測點P時，F(xiàn)P=F：

則：

測點L處的響應(yīng)：

得到P點激勵，L點測量的頻響函數(shù)：

從式(4)對滑翔翼板的動態(tài)參數(shù)進行識別，可以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型。

考慮到滑翔翼板的材料和結(jié)構(gòu)特點，模態(tài)測試采用“錘擊法”?！板N擊法”是一種最簡便的激振方法，移動激勵位置特別容易，且對試件沒有附加質(zhì)量、附加剛度和附加阻尼。試驗采用懸掛方式模擬翼板的自由狀態(tài)?；枰戆宓膶嶒?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 滑翔翼板實驗?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)

信號采集使用壓電式力傳感器和PCB單向加速度計。在翼板上共布置5行7列共35個測點，采用單輸入單輸出測試方式，加速度計布置在測點23上。采用模態(tài)參數(shù)識別頻域法辨識出翼板前8階模態(tài)，模態(tài)頻率如表3所示，模態(tài)振型如圖5所示。

表3 水下滑翔器動力部件實驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果

圖5 滑翔翼板前8階模態(tài)振型

5 結(jié)論

1）采用有限元法，在500Hz頻率范圍內(nèi)，計算得到水下滑翔器動力部件前8階模態(tài)參數(shù)。分析模態(tài)參數(shù)得出，滑翔翼板是部件的薄弱部位，可進一步分析。

2）構(gòu)建了滑翔翼板的模態(tài)測試系統(tǒng)，并采用單輸入單輸出的測試方式完成實驗，進而辨識出翼板的前8階模態(tài)參數(shù)。

3）分析結(jié)果為下一步優(yōu)化滑翔翼板的結(jié)構(gòu)，進而優(yōu)化動力部件，提供了數(shù)據(jù)支撐。