錢 平，戴志強

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

隨著機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的提高，結(jié)構(gòu)的減重問題也變得尤為突出，然而在不影響結(jié)構(gòu)整體力學(xué)與熱學(xué)性能的基礎(chǔ)上，材料的選取成為了研究的重點[1]。

復(fù)合材料的突出優(yōu)點是比強度和比模量(即強度、模量與密度之比)高[2]。比強度和比模量是度量材料承載能力的一個指標(biāo)，比強度愈高，同一零件的比重愈??；比模量愈高，零件的剛性愈大[3]。

聚合物基復(fù)合材料的彈性模量低[4]，因此制品容易變形。用碳纖維等高模量纖維作為增強材料可以提高復(fù)合材料的彈性模量；另外，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計也可以克服其彈性模量差的缺點。

1 模型處理與參數(shù)設(shè)置

1.1 模型簡化

圖1是簡化的某天線仿真模型，其中除頂部圓柱天線與上下2層共10個天線為金屬鋁外，其余結(jié)構(gòu)支撐件均為研究討論對象，分為金屬材料與復(fù)合材料進行仿真分析。

圖1 某天線仿真模型

從表1中也可看出復(fù)合材料玻璃鋼的比強度確實較大，對于設(shè)計減重而言比鋁更合適。

1.2 模型概述

當(dāng)模型全用鋁件加工時質(zhì)量為41.6 kg，結(jié)構(gòu)承載件用玻璃鋼時質(zhì)量減為30.2 kg，其質(zhì)量分布情況如表2所示。

表1 鋁與玻璃鋼的基本材料屬性

表2 金屬鋁與玻璃鋼材料部件重量對比

2 沖擊仿真分析

模型仿真部件底部中心受脈沖沖擊作用，按仿真設(shè)計輸入要求條件進行仿真試驗，通過對平方和的平方根(SRSS)方法的峰值評估數(shù)據(jù)云圖的研究，表征部件在此脈沖沖擊下的應(yīng)力分布情況，仿真以鋁材料(ZL101 A)屈服應(yīng)力230 MPa、玻璃鋼的屈服應(yīng)力290 MPa為極限應(yīng)力。

2.1 仿真評估方法

本次力學(xué)仿真采用UG-NX8.0軟件進行。對仿真對象的應(yīng)力響應(yīng)峰值評估方法有多種，本文中涉及到的評估方法主要采用SRSS規(guī)則。SRSS評估方法即為通過將各個節(jié)點每個方向矢量的計算應(yīng)力值求平方和開根號的形式來達到輸出SRSS結(jié)果的目的，此方法假設(shè)響應(yīng)是相互獨立的，同時每個模態(tài)下輸出的特征峰值是發(fā)生在不同的時段。此方法相比于實際的輸出響應(yīng)結(jié)果可認為附加了1.5～2的安全系數(shù)。

SRSS峰值響應(yīng)的計算方程如下：

(1)

2.2 仿真設(shè)計輸入

根據(jù)激勵附加形式與位置，將設(shè)計輸入沖擊譜轉(zhuǎn)化為全頻域曲線分析，轉(zhuǎn)化后的全頻域曲線如圖2所示。本文選取最高峰值為300 g加速度的沖擊信號從底部進行仿真試驗，沖擊響應(yīng)譜根據(jù)海軍標(biāo)如圖2所示。加速度值在1～300 Hz遞增，近似一個指數(shù)函數(shù)(最大值為300 g)；大于300 Hz頻率后，加速度值穩(wěn)定于300 g。

圖2 仿真分析激勵

2.3 模態(tài)分析

模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以通過計算或試驗分析取得，利用NX的有限元仿真模塊計算得到某天線的模態(tài)信息。因為模態(tài)振幅之間是逐級遞減的過程，因此對于前3階模態(tài)的分析已經(jīng)足夠能反映總體振型趨勢，每階模態(tài)反映的是在該固有頻率下對象系統(tǒng)的振型。

可以通過比較鋁材料和與之替換的復(fù)合材料的模態(tài)信息的差異來研討該結(jié)構(gòu)形式下各種材料應(yīng)用的優(yōu)缺點，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 2種材料前3階模態(tài)

圖3和圖4是鋁材料與玻璃鋼第1階模態(tài)振型的比較，圖中顯示的第1階主振型是沿y方向的振動。該模態(tài)下振動是全局振型。

圖3 鋁材料第1階模態(tài)振型

圖4 玻璃鋼第1階模態(tài)振型

第1階模態(tài)結(jié)構(gòu)件為鋁材料時固有頻率為155.2 Hz，為玻璃鋼時固有頻率為72.9 Hz，從固有頻率上可以看出玻璃鋼的剛度要低于鋁材料。同時比較一階模態(tài)下振型的差別，剛度的差異就更為明顯。結(jié)構(gòu)件為鋁材料時，因為某天線和中部支撐架剛度一致，表現(xiàn)出振幅是一個逐層遞增的過程；而當(dāng)結(jié)構(gòu)件為玻璃鋼時，因為中部支撐架為玻璃鋼，剛度要差于鋁材料，所以在支撐架中表現(xiàn)有振幅的突變(藍和青的交界處)，形變基本作用在其上，反而頂部的總體位移沒有鋁材料來得大，即由小剛度物體支撐大剛度質(zhì)量塊時很明顯會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

2.4 沖擊響應(yīng)分析

根據(jù)仿真設(shè)計輸入，在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進行沖擊響應(yīng)分析，評估方法采用SRSS，根據(jù)設(shè)計要求輸入激勵曲線。圖5和圖6為鋁材料與玻璃鋼在300 g強度沖擊下的應(yīng)力云圖。

圖5 結(jié)構(gòu)件為鋁材料的某天線模型沖擊仿真應(yīng)力云圖

圖6 結(jié)構(gòu)件為玻璃鋼的某天線模型沖擊仿真應(yīng)力云圖

可以看出，云圖分布表明當(dāng)結(jié)構(gòu)件為鋁材料時，最大應(yīng)力發(fā)生在中部支撐架幾條加強筋處，最大值為62 MPa；當(dāng)結(jié)構(gòu)件為玻璃鋼時，最大應(yīng)力發(fā)生部位位置相近，最大值為41 MPa，其中金屬鋁的拉伸強度為230 MPa，玻璃鋼的拉伸強度為290 MPa。對于強度而言，玻璃鋼復(fù)合材料因為有較高的比強度，所以比金屬材料還略微出色；對于緩沖能力而言，玻璃鋼也能更好地抵御沖擊載荷。

3 結(jié)束語

(1) 剛度方面，玻璃鋼要低于鋁材料，當(dāng)遇到用金屬材料與復(fù)合材料銜接的器件時，要注意對剛度較低的復(fù)合材料部分通過布加強筋的方式增加復(fù)合材料部分的剛度；

(2) 拉伸強度方面，玻璃鋼略高于鋁材料，而且密度1.8 g/cm3，對于有減重需要的部件，復(fù)合材料是很不錯的金屬材料替代品，且緩沖性能相對優(yōu)越。