王海濤，趙 彬

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

0 引言

支撐平臺(tái)是某升降裝置主要承力部件，用于在運(yùn)行過(guò)程中支撐轉(zhuǎn)運(yùn)載荷進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)。該支撐平臺(tái)采用桁架結(jié)構(gòu)，選用鋁合金材料焊接而成，上表面設(shè)置平板，用于承載轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)象，支撐平臺(tái)本體4個(gè)角設(shè)置提拉鋼絲繩的安裝接口。該升降裝置作為船舶設(shè)備，在工作過(guò)程中除承受轉(zhuǎn)運(yùn)載荷外，還可能承受沖擊載荷作用，根據(jù)艦船環(huán)境條件要求，需要考慮其抗沖擊能力[1]，設(shè)備抗沖擊能力可通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析方法進(jìn)行計(jì)算。

動(dòng)力學(xué)分析方法是基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)迭加的分析方法[2-5]，支撐平臺(tái)可簡(jiǎn)化為承受給定沖擊輸入的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，通過(guò)有限元模型得到模態(tài)振型，進(jìn)而通過(guò)對(duì)各階模態(tài)解的合成可以得出設(shè)備的位移和應(yīng)力，最后將這些位移和應(yīng)力的計(jì)算值與規(guī)定的許用值進(jìn)行比較，確定該支撐平臺(tái)是否滿足抗沖擊要求。

本文以該升降裝置支撐平臺(tái)為研究對(duì)象，通過(guò)建立該支撐平臺(tái)的ProE三維有限元模型（圖1），在Ansys Workbench 對(duì)其進(jìn)行三維模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，采用抗沖擊動(dòng)力學(xué)分析方法對(duì)支撐平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算，以檢驗(yàn)該支撐平臺(tái)是否符合抗沖擊要求。

圖1 某升降裝置支撐平臺(tái)實(shí)體模型

1 模態(tài)分析意義

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性[6-7]。每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型，其與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布、剛度特性、約束形式和預(yù)應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，而與外界的激勵(lì)沒(méi)有任何關(guān)系。模態(tài)是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng)后，會(huì)以特定的頻率發(fā)生振動(dòng)，且振動(dòng)的形狀（振型）也始終是和特定頻率保持唯一對(duì)應(yīng)。若結(jié)構(gòu)是單自由度系統(tǒng)，那么特定的振動(dòng)頻率只有1 個(gè)，二自由度系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的特定振動(dòng)頻率就有2個(gè)。因此，如果結(jié)構(gòu)是無(wú)限自由度系統(tǒng)，就有無(wú)限多個(gè)特定的頻率，每個(gè)特定振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的狀態(tài)被稱為該階模態(tài)。當(dāng)激勵(lì)頻率與特定頻率一致時(shí)，會(huì)激發(fā)出結(jié)構(gòu)該階模態(tài)對(duì)應(yīng)的特征，如振型，這時(shí)也被稱為共振。模態(tài)分析的意義在于可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振或者以特定的頻率進(jìn)行振動(dòng)。

2 抗沖擊動(dòng)力學(xué)分析方法

2.1 動(dòng)力學(xué)分析方法

動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算主要是確定支撐平臺(tái)在給定沖擊方向危險(xiǎn)區(qū)域的沖擊應(yīng)力和位移。

動(dòng)力學(xué)分析得到的沖擊應(yīng)力應(yīng)與支撐平臺(tái)運(yùn)行時(shí)受到的連續(xù)工作應(yīng)力進(jìn)行綜合，但不需要考慮重力作用、螺栓緊固預(yù)應(yīng)力和斷續(xù)工作應(yīng)力。因此本文只考慮支撐平臺(tái)計(jì)算所得的沖擊應(yīng)力、位移，將所得到的應(yīng)力值與許用應(yīng)力值進(jìn)行比較，從而評(píng)估支撐平臺(tái)的抗沖擊性能。

2.2 模態(tài)選擇

對(duì)于給定沖擊方向的具有N 個(gè)自由度的數(shù)學(xué)模型，需分析足夠的振動(dòng)模態(tài)數(shù)N，一般應(yīng)保證總模態(tài)質(zhì)量不小于分析系統(tǒng)總質(zhì)量的80%。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)量的10%的所有模態(tài)[8]。較低頻率的模態(tài)應(yīng)優(yōu)先考慮。

2.3 沖擊環(huán)境

由艦船環(huán)境條件要求可知，支撐平臺(tái)應(yīng)滿足如表1 所示的沖擊環(huán)境對(duì)應(yīng)的沖擊加速度和速度設(shè)計(jì)值。彈性設(shè)計(jì)和彈塑性設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)備是否允許出現(xiàn)塑性變形來(lái)確定。A0、V0分別為設(shè)備不同模態(tài)質(zhì)量所對(duì)應(yīng)各類安裝區(qū)域的沖擊譜加速度和譜速度，用下列公式計(jì)算。

對(duì)于I類安裝區(qū)域：

對(duì)于II類和III類安裝區(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。

設(shè)備具體的設(shè)計(jì)譜依據(jù)Aa和Va采用如表1 所示的系數(shù)計(jì)算。根據(jù)式（1）～（4）確定的V0和A0，取V0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。

表1 各類安裝區(qū)域A0、V0

2.4 計(jì)算模型

計(jì)算模型采用了梁?jiǎn)卧?（beam188）、殼單元（shell181） 和實(shí)體單元（solid185），模型的坐標(biāo)軸定義X 為縱向；Y 為橫向；Z 為垂向。劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2 所示。支撐平臺(tái)本體有限元模型總質(zhì)量約為2 600 kg。

工作過(guò)程中，支撐平臺(tái)垂直方向由4 根鋼絲繩提拉，由于鋼絲繩有一定的彈性，能緩沖來(lái)自垂向的沖擊，因此本計(jì)算只計(jì)算縱向（X向）和橫向（Y向）兩個(gè)方向的沖擊。

圖2 支撐平臺(tái)有限元計(jì)算模型

2.5 工作載荷

支撐平臺(tái)如圖2所示，運(yùn)行時(shí)額定載荷為6 000 kg。

2.6 邊界條件

支撐平臺(tái)4 根鋼絲繩部位施加固定約束，導(dǎo)向輪按其各自作用的方向分別對(duì)X和Y方向添加約束。

2.7 沖擊設(shè)計(jì)條件

按照三維動(dòng)力學(xué)分析要求以及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，支撐平臺(tái)進(jìn)行沖擊設(shè)計(jì)分析的條件為設(shè)備抗沖擊等級(jí)為A 級(jí)；設(shè)備安裝位置為Ⅰ類安裝區(qū)域，進(jìn)行彈性分析。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)加速度

不同方向沖擊時(shí)，支撐平臺(tái)所選模態(tài)的模態(tài)頻率、模態(tài)質(zhì)量以及設(shè)計(jì)加速度值如表2所示。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)使總的模態(tài)質(zhì)量盡量大，都達(dá)到總質(zhì)量的80%。

表2 支撐平臺(tái)沖擊設(shè)計(jì)加速度

3.2 支撐平臺(tái)計(jì)算應(yīng)力與位移

支撐平臺(tái)利用動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算所得的沖擊應(yīng)力、位移結(jié)果如表3所示，其應(yīng)力與位移云圖如圖3～8所示。

表3 升降平臺(tái)合成位移、應(yīng)力值

圖3 支撐平臺(tái)上部面板橫向沖擊應(yīng)力圖

圖4 支撐平臺(tái)底架橫向沖擊應(yīng)力圖

圖5 支撐平臺(tái)橫向沖擊位移圖

圖6 支撐平臺(tái)上部面板縱向沖擊應(yīng)力圖

圖7 支撐平臺(tái)底架縱向沖擊應(yīng)力圖

圖8 支撐平臺(tái)縱向沖擊位移圖

由表3以及圖3～5可知，支撐平臺(tái)橫向沖擊時(shí)，最大位移為2.6 mm，最大應(yīng)力為66 MPa。由表3以及圖6～8可知，支撐平臺(tái)縱向沖擊時(shí)，最大位移為6.4 mm，最大應(yīng)力為133 MPa。由結(jié)果分析可知，支撐平臺(tái)在承受兩個(gè)方向沖擊作用下時(shí)，支撐平臺(tái)上面板和支撐平臺(tái)底架的最大應(yīng)力為133 MPa，小于支撐平臺(tái)材料的屈服強(qiáng)度240 MPa。由此可知，兩個(gè)方向沖擊時(shí)，支撐平臺(tái)的沖擊安全性滿足要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)ANSYS動(dòng)力學(xué)分析模塊對(duì)某船用升降裝置支撐平臺(tái)進(jìn)行抗沖擊動(dòng)力學(xué)計(jì)算和分析，計(jì)算結(jié)果表明，該支撐平臺(tái)在船上I 類安裝區(qū)域的抗沖擊性能可以保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，即機(jī)械結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生塑性變形和失效。