丁 軍，史興華

（上海玻璃鋼研究院有限公司，上海 201404）

0 前言

艦船作為水面或水下各種作戰(zhàn)裝備的平臺，在使用過程中易遭受各種反艦武器攻擊（如炸彈、導(dǎo)彈、魚雷、水雷等武器）所帶來的爆炸沖擊影響。這種爆炸沖擊尤其以水下非接觸性爆炸對艦船設(shè)備的影響最大。二戰(zhàn)中大量戰(zhàn)艦在非接觸式爆炸沖擊作用下船體結(jié)構(gòu)及設(shè)備產(chǎn)生一定級別的損傷和破壞，戰(zhàn)艦因此失去戰(zhàn)斗力。因此，現(xiàn)代艦船設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)，對不能進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)的設(shè)備應(yīng)進(jìn)行抗沖擊設(shè)計(jì)分析，以檢驗(yàn)設(shè)備的抗沖擊能力［1-3］。

天線罩作為艦船設(shè)備的一部分，其作用是在雷達(dá)天線的周圍形成一個(gè)封閉空間，以保護(hù)艦船上雷達(dá)天線系統(tǒng)免受沖擊載荷的直接作用，保證內(nèi)部雷達(dá)天線正常工作，因此有必要對天線罩進(jìn)行抗沖擊響應(yīng)分析［4］。

國內(nèi)外現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計(jì)分析方法主要有：沖擊設(shè)計(jì)系數(shù)法（靜g法）、時(shí)間歷程法和譜分析法（BV043/85中規(guī)定的沖擊譜、DDAM）［5］。

本文結(jié)合某船用天線罩，基于ANSYS有限元分析軟件，采用時(shí)間歷程法對船用天線罩進(jìn)行抗沖擊響應(yīng)分析［6，7］，考察罩體結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)區(qū)，分析敏感部位的應(yīng)力、位移及加速度等的時(shí)間歷程，并且通過沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證仿真分析的正確性。

1 有限元模型

1.1 天線罩結(jié)構(gòu)形式

圖1為天線罩外形尺寸，罩體主體結(jié)構(gòu)為夾層結(jié)構(gòu)，其內(nèi)外蒙皮均為玻璃鋼，芯材為玻璃鋼蜂窩，法蘭為玻璃鋼實(shí)體。在罩體的下部（離底面120 mm以下部位）則為玻璃鋼實(shí)體層，在此部位以上30 mm高的位置為玻璃鋼實(shí)體層向蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的過渡段。

圖1 天線罩外形尺寸圖（單位：mm）

1.2 材料參數(shù)

天線罩所用的復(fù)合材料性能參數(shù)如下［8，9］：徑向拉伸模量Et1=13.8 GPa，緯向拉伸模量Et2=16.1 GPa，徑向拉伸強(qiáng)度σt1=247 MPa，緯向拉伸強(qiáng)度σt2=326 MPa，徑向壓縮模量Ec1=18.5 GPa，緯向壓縮模量Ec2=17 GPa，徑向壓縮強(qiáng)度σt1=235 MPa，緯向壓縮強(qiáng)度σt2=221 MPa，主泊松比μ=0.15。

依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［10］，蜂窩夾層材料面內(nèi)呈現(xiàn)弱各向異性，在此簡化為橫觀各向同性材料。蜂格為正六邊形，邊長4 mm，蜂壁厚度0.2 mm，蜂壁材料Es=10 GPa，Gs=5 GPa。換算得到參數(shù)如下：

1.3 沖擊載荷

艦船設(shè)備受到基于時(shí)間歷程的沖擊輸入，一般有半正弦波、三角波、梯形波、雙峰半正弦波和雙三角波［5］。本文采用半正弦波作為沖擊輸入環(huán)境進(jìn)行沖擊響應(yīng)分析，具體參數(shù)取值如表1。

表1 沖擊載荷量值

1.4 有限元模型

天線罩罩體采用ANSYS中可模擬夾層結(jié)構(gòu)的shell181層合殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示，單元總數(shù)為3 776，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為4 304。其中：底座位于X-Y平面內(nèi)，罩體高度方向沿Z方向；底座的16個(gè)螺孔關(guān)于X軸對稱，兩邊各8個(gè)；在后續(xù)的分析中，沖擊載荷沿X軸方向施加。

圖2 有限元模型

2 結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)分析

2.1 與試驗(yàn)工況一致的模型

為了與實(shí)驗(yàn)工況一致，建立底座的模型，對應(yīng)的激勵(lì)都將施加在底座上。底座為一塊600 mm×600 mm×10 mm的鋼板，連接16個(gè)圓柱體模擬螺栓，底座位于X-Y平面內(nèi)，螺栓與罩體的螺孔一一對應(yīng)。底座及螺栓如圖3所示：

圖3 底座有限元模型

定義函數(shù)：

對底面節(jié)點(diǎn)施加Z方向約束，值為0，對底座施加ACCX，值為%ACCE%，終止時(shí)間0.01，20個(gè)子步。

2.2 沖擊響應(yīng)分析結(jié)果

圖4為天線罩在沖擊載荷作用下罩體頂部節(jié)點(diǎn)和底座節(jié)點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線對比，罩頂加速度峰值為32.5659 g，罩頂響應(yīng)與激勵(lì)差別較大。

圖4 罩頂與底座加速度時(shí)程曲線

提取罩體頂部節(jié)點(diǎn)和底座節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線對比，如圖5所示，罩頂?shù)奈灰葡鄬τ诘鬃嬖谝欢?，在初始時(shí)刻滯后最大，隨后逐漸趨于一致。

圖5 罩頂與底座位移時(shí)程曲線

圖6為天線罩在沖擊載荷作用下罩體Mises應(yīng)力時(shí)程曲線，罩體Mises應(yīng)力最大值為8.2 MPa。

圖6 罩體應(yīng)力時(shí)程曲線

圖7為天線罩在加速度峰值時(shí)的XZ方向應(yīng)變云圖。罩體的危險(xiǎn)區(qū)主要集中在螺孔、倒角和過渡區(qū)，且應(yīng)變最大值為780。

圖7 加速度峰值時(shí)的XZ向應(yīng)變云圖

3 天線罩沖擊試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

按照GJB150.18A軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第18部分：沖擊試驗(yàn)規(guī)定的試驗(yàn)方法［11］，對船用天線罩開展沖擊試驗(yàn)，測定罩體在規(guī)定的水平?jīng)_擊載荷作用下的應(yīng)變及加速度響應(yīng)等，分析罩體結(jié)構(gòu)在沖擊環(huán)境下的安全性。

3.2 貼片方案

試驗(yàn)件安裝于振動臺上，如圖8所示。該試驗(yàn)罩罩體采用壓板法安裝于振動臺水平滑臺上，試驗(yàn)中共布置了11個(gè)加速度傳感器和4個(gè)應(yīng)變片，具體布置位置說明見圖9。

圖8 試驗(yàn)件安裝于振動臺上

圖9 加速度傳感器和應(yīng)變片布置示意圖

應(yīng)變片是依據(jù)前期數(shù)值模擬確定的危險(xiǎn)區(qū)位置布置的，分別位于法蘭倒角上邊緣和過渡區(qū)下邊緣。

加速度傳感器一共11個(gè)，1號和2號位于水平滑臺上作反饋控制用，7號位于罩頂，其余8個(gè)關(guān)于縱剖面對稱布置，各傳感器距離法蘭上表面豎直距離如圖9中標(biāo)注。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

控制信道7 065（1號加速度傳感器）的加速度曲線如圖10所示，測量信道7 080（罩頂7號加速度傳感器）如圖11所示。

圖10 控制信道7065加速度曲線

圖11 測量信道7080加速度曲線

加速度峰值31.2295 g，與沖擊荷載的峰值同步，脈沖結(jié)束后的峰值最大值為1.64517 g。

加速度峰值33.6367 g，與沖擊荷載的峰值同步，脈沖結(jié)束后的峰值最大值為12.7419 g。在此沖擊載荷作用下四個(gè)應(yīng)變片采集到的應(yīng)變輸出曲線如圖12所示。

圖12 應(yīng)變片輸出曲線

其中，應(yīng)變片1、2位于平動方向側(cè)面，測量的是水平方向應(yīng)變，應(yīng)變片3、4位于平動方向正面，測量的是豎直方向應(yīng)變；應(yīng)變片2、4布置在過渡區(qū)下邊緣，1、3布置在倒角區(qū)上邊緣。4個(gè)應(yīng)變片輸出曲線的峰值如表2。

表2 應(yīng)變曲線峰值

2號測點(diǎn)的應(yīng)變水平明顯高于1號測點(diǎn)，4號測點(diǎn)略高于3號測點(diǎn)，即過渡區(qū)的應(yīng)變水平要比倒角區(qū)高。

3.4 試驗(yàn)與仿真對比

3.4.1 罩頂加速度響應(yīng)對比

試驗(yàn)測得的罩頂加速度曲線在沖擊載荷過后有一個(gè)振蕩衰減的過程，而仿真中由于沒有設(shè)置阻尼，難以模擬出衰減過程，所以只計(jì)算了沖擊載荷作用時(shí)間段內(nèi)的響應(yīng)。表3為沖擊試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比。從表中可以看出，試驗(yàn)與仿真結(jié)果之間的誤差為3.18%，兩者基本符合。

表3 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比

3.4.2 應(yīng)變對比

沖擊試驗(yàn)得到的曲線噪聲較大，而仿真得到的曲線相對光滑很多。在此，主要對比兩者的峰值以考察響應(yīng)的差異。從分析模型中提取測點(diǎn)處單元對應(yīng)的應(yīng)變值，結(jié)果如下：

表4 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比

可見，對應(yīng)平動方向上的3、4號應(yīng)變片，仿真與試驗(yàn)結(jié)果分別相差5.75%和5.58%，符合性比較好；對應(yīng)平動方向側(cè)面的1、2號應(yīng)變片，仿真與試驗(yàn)結(jié)果分別相差6.01%和3.75%，符合性也同樣比較好。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用ANSYS有限元軟件建立了船用天線罩的有限元模型，在加速度為30 g、脈寬為10 ms的半正弦波沖擊載荷作用下，通過沖擊響應(yīng)分析，得到天線罩罩頂?shù)募铀俣确逯禐?2.5659 g，與試驗(yàn)結(jié)果基本符合。

天線罩罩體的危險(xiǎn)區(qū)主要在根部倒角及夾層結(jié)構(gòu)與實(shí)體結(jié)構(gòu)過渡區(qū)域。其中，平動方向側(cè)面的過渡區(qū)的應(yīng)變水平最高，應(yīng)變峰值為768.45，遠(yuǎn)小于材料的失效應(yīng)變，結(jié)構(gòu)安全可靠，且仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本符合，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真分析的正確性。