王光越

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引言

水面船只在航行時(shí)可能受到接觸式或者非接觸式爆炸沖擊，爆炸沖擊通過(guò)船體結(jié)構(gòu)傳遞至船上設(shè)備。為保證船上設(shè)備在經(jīng)受爆炸沖擊后滿(mǎn)足使用要求，需要對(duì)船上設(shè)備進(jìn)行抗沖擊性能分析。線(xiàn)槽裝置通過(guò)焊接的方式固定在艦船甲板上，其主要功能是讓電纜在線(xiàn)槽內(nèi)部滑行，避免電纜在不受力狀態(tài)下在甲板上拖行時(shí)被甲板劃傷。線(xiàn)槽裝置在船體受到爆炸沖擊時(shí)直接承受船體傳過(guò)來(lái)的沖擊力，因此需要對(duì)線(xiàn)槽裝置進(jìn)行抗沖擊分析。

動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)方法DDAM(Dynamic Design Analysis Method)是廣泛使用的基于沖擊反應(yīng)譜的分析方法，主要用于艦船設(shè)備的抗沖擊分析設(shè)計(jì)。DDAM將設(shè)備簡(jiǎn)化為多個(gè)彈簧質(zhì)量系統(tǒng),通過(guò)對(duì)各階模態(tài)解的合成得到設(shè)備的位移和應(yīng)力。本文利用ANSYS仿真軟件通過(guò)對(duì)線(xiàn)槽的抗沖擊仿真分析得到線(xiàn)槽的薄弱部位，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出合理建議。

1 線(xiàn)槽模型的建立

線(xiàn)槽部件主要由線(xiàn)槽底座、線(xiàn)槽調(diào)節(jié)板和滾動(dòng)部件組成。基于經(jīng)濟(jì)成本和防腐性能的要求，線(xiàn)槽底座采用100×48×4.8的槽鋼，材質(zhì)為不銹鋼。線(xiàn)槽調(diào)節(jié)板主要用來(lái)調(diào)節(jié)線(xiàn)槽的高度，保證電纜在線(xiàn)槽內(nèi)的高度與導(dǎo)纜輪部件出纜口的高度基本一致。滾動(dòng)部件主要包括線(xiàn)槽底部的滾輪體和線(xiàn)槽側(cè)面的滾輪體。

UG是機(jī)械工程常用的三維設(shè)計(jì)軟件，具備模塊豐富、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。UG具有強(qiáng)大的建模功能，可以進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，大大提高建模的速度。本文通過(guò)UG建立了線(xiàn)槽裝置的三維模型，將該模型保存為igs格式后導(dǎo)入到Workbench中。線(xiàn)槽的三維模型如圖1所示。

圖1 線(xiàn)槽三維模型

2 模態(tài)分析

線(xiàn)槽裝置的主要材料為不銹鋼，其彈性模量為205 GPa、抗拉強(qiáng)度為520 MPa、屈服強(qiáng)度為205 MPa，線(xiàn)槽裝置總質(zhì)量為22 kg。

根據(jù)國(guó)軍標(biāo)GJB1060.1-91《艦船環(huán)境條件要求——機(jī)械環(huán)境》中的規(guī)定，對(duì)于給定沖擊方向的具有n個(gè)自由度的數(shù)學(xué)模型需要分析足夠的振型模態(tài)數(shù)N，以保證模態(tài)質(zhì)量一般不小于分析系統(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10%的所有模態(tài)，較低頻率的模態(tài)應(yīng)優(yōu)先考慮。

根據(jù)線(xiàn)槽在甲板上的安裝方式，在線(xiàn)槽的4個(gè)槽鋼安裝底面上施加固定約束，利用Workbench17.0平臺(tái)進(jìn)行仿真計(jì)算，線(xiàn)槽有限元模型如圖2所示。

圖2 線(xiàn)槽有限元模型

根據(jù)分析結(jié)果，分別提取線(xiàn)槽X、Y、Z三個(gè)方向的模態(tài)值，在X方向(橫向)1階和5階的模態(tài)質(zhì)量和占線(xiàn)槽質(zhì)量的83.16%；在Y方向(縱向)4階和6階的模態(tài)質(zhì)量和占線(xiàn)槽質(zhì)量的83.34%；在Z方向(垂向)2階、9階、13階和20階的模態(tài)質(zhì)量和占線(xiàn)槽質(zhì)量的73.96%，由于在該方向上更多階數(shù)線(xiàn)槽的振動(dòng)模態(tài)質(zhì)量產(chǎn)生的都比較小，實(shí)際意義不大，因此這里取到20階即可。線(xiàn)槽模態(tài)分析結(jié)果如表1所示。

表1 線(xiàn)槽模態(tài)分析結(jié)果

3 抗沖擊分析

3.1 輸入譜設(shè)計(jì)

線(xiàn)槽裝置屬于艦船裝備，剛性安裝在艦船的甲板上。本文研究的艦船設(shè)備沖擊譜設(shè)計(jì)條件為：艦船類(lèi)型為水面艦艇；抗沖擊等級(jí)為A級(jí)；安裝位置為甲板安裝；分析類(lèi)型為彈性設(shè)計(jì)。

DDAM分析中，水面艦艇設(shè)備按照設(shè)備沖擊譜的設(shè)計(jì)條件設(shè)計(jì)沖擊加速度值和沖擊速度值，甲板部位的沖擊輸入譜如下：

(1)

(2)

其中：A0為基準(zhǔn)加速度，m/s2；V0為基準(zhǔn)速度，m/s；ma為模態(tài)質(zhì)量，t。

根據(jù)國(guó)軍標(biāo)GJB1060.1-91《艦船環(huán)境條件要求——機(jī)械環(huán)境》中規(guī)定，ma可取設(shè)備總質(zhì)量的80%，垂向、橫向、縱向的抗沖擊分析設(shè)計(jì)加速度Aa、設(shè)計(jì)速度Va的計(jì)算公式為：

垂向：

Aa=1.0A0,Va=0.5V0.

(3)

橫向：

Aa=0.4A0,Va=0.2V0.

(4)

縱向：

Aa=0.2A0,Va=0.2V0.

(5)

根據(jù)國(guó)軍標(biāo)GJB1060.1-91《艦船環(huán)境條件要求——機(jī)械環(huán)境》中的規(guī)定，取Vaωa(ωa為圓頻率，是頻率的2π倍)與Aa中的較小值作為動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)在給定沖擊方向的沖擊設(shè)計(jì)加速度。將模態(tài)分析所得的各向模態(tài)質(zhì)量和頻率代入式(1)～式(5)，經(jīng)計(jì)算得到線(xiàn)槽部件抗沖擊分析輸入譜設(shè)計(jì)值，如表2所示。

表2 線(xiàn)槽部件抗沖擊分析輸入譜設(shè)計(jì)值

3.2 抗沖擊仿真計(jì)算

根據(jù)表2的規(guī)定，在響應(yīng)譜分析中分別對(duì)線(xiàn)槽裝置進(jìn)行垂向、橫向和縱向加速度加載。加載方式采用單點(diǎn)響應(yīng)譜，模態(tài)合成采用SRSS的方法進(jìn)行，設(shè)置完成后求解計(jì)算得到線(xiàn)槽裝置在垂向、縱向和橫向3個(gè)方向的沖擊響應(yīng)，如圖3～圖8所示。

圖3 線(xiàn)槽垂向應(yīng)力云圖

圖4 線(xiàn)槽垂向應(yīng)力集中部位

圖5 線(xiàn)槽縱向應(yīng)力云圖

圖6 線(xiàn)槽縱向應(yīng)力集中部位

圖7 線(xiàn)槽橫向應(yīng)力云圖

從圖3、圖4中可以看出，線(xiàn)槽垂向等效應(yīng)力最大值為567.52 MPa，超過(guò)了材料的屈服極限，具體位置發(fā)生在線(xiàn)槽側(cè)立板與上底板的安裝部位，此部位可考慮加厚材料或改變支撐結(jié)構(gòu)的方式來(lái)減小沖擊應(yīng)力。

從圖5、圖6中可以看出，線(xiàn)槽縱向等效應(yīng)力最大值為110.71 MPa，具體位置發(fā)生在線(xiàn)槽側(cè)立板與下底板的安裝部位，沒(méi)有超過(guò)材料的屈服極限，滿(mǎn)足使用要求。

從圖7、圖8中可以看出，線(xiàn)槽橫向等效應(yīng)力最大值為521.48 MPa，具體位置發(fā)生在線(xiàn)槽側(cè)立板與下底板的安裝部位，超過(guò)了材料的屈服極限，此部位可考慮加厚材料或改變支撐結(jié)構(gòu)的方式來(lái)減小沖擊應(yīng)力。

圖8 線(xiàn)槽橫向應(yīng)力集中部位

4 結(jié)論

利用UG建立了線(xiàn)槽裝置的三維模型，通過(guò)GJB1060設(shè)計(jì)了線(xiàn)槽裝置的沖擊加速度譜值,利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)線(xiàn)槽抗沖擊強(qiáng)度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

(1) 線(xiàn)槽垂向沖擊最大等效應(yīng)力為567.52 MPa，超過(guò)了材料的屈服極限，可通過(guò)加厚立板或者改變支撐結(jié)構(gòu)的方式減小沖擊應(yīng)力。

(2) 線(xiàn)槽縱向沖擊最大等效應(yīng)力為110.71 MPa，整體都沒(méi)有超過(guò)材料的屈服極限，滿(mǎn)足抗沖擊使用要求。

(3) 線(xiàn)槽橫向沖擊最大等效應(yīng)力為521.48 MPa，超過(guò)了材料的屈服極限，可通過(guò)加厚立板或者改變支撐結(jié)構(gòu)的方式減小沖擊應(yīng)力。