夏樹昂，王喜祥，趙宴輝，岳強，韓洋洋

（中國船舶集團有限公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027）

0 引言

膜分離制氮裝置由壓縮、過濾、分離、緩沖、增壓等步驟組成。其中，從膜分離裝置分離得到的氮氣壓力在管道內(nèi)波動較大，不適合直接進入增壓機進行壓縮，需要氮氣緩沖罐暫時存儲以及緩沖氮氣增壓機入口處的壓力波動，為氮氣增壓機提供穩(wěn)定的氣源。氮氣緩沖罐起到“承上啟下”的作用，使整個制氮系統(tǒng)工作更平穩(wěn)。

艦船在航行或作戰(zhàn)過程中，艦船和其上的化工機械設備會受到來自惡劣環(huán)境、兵器爆炸等因素產(chǎn)生的沖擊載荷。沖擊具有瞬態(tài)性，如果引起的沖擊應力超過設備的強度極限，則會對設備造成不可逆的破壞[1]。上世紀，船用設備沖擊計算方法采用沖擊設計因子法[2]。隨著現(xiàn)代艦船軍事科技的發(fā)展，對船用設備提出更高的安全質(zhì)量要求，剛性連接船用設備的抗沖擊計算大都采用沖擊響應的譜分析方法[3]。隨著有限元軟件的發(fā)展，計算機仿真模擬[4]成為船用設備抗沖擊能力的校核國內(nèi)外學者采用的經(jīng)濟性更高的方法。

目前國內(nèi)外對氮氣緩沖罐的研究多為靜力學分析或振動分析，馮俊森[8]對一種天然氣緩沖罐采用Workbench靜力學分析模塊進行仿真，但沒有計算緩沖罐的最大應力，對其是否具有抗沖擊能力也沒有研究。禹貴成等[6]針對往復式壓縮機緩沖罐振動超標問題，通過數(shù)值仿真驗證提出了減振方案，但未考慮瞬時的沖擊對緩沖罐的影響，未對緩沖罐進行沖擊仿真與校核。朱冠楠[7]采用ASPEN HYSYS軟件對二甲基亞砜精餾塔設備進行仿真模擬，研究了不同流量、成分組成對精餾塔的沖擊影響，但多從化工工藝角度出發(fā)，沒有用有限元方法進行沖擊動力學性能分析。綜上所述，國內(nèi)外對緩沖罐等設備仿真研究多為靜力學仿真或模態(tài)仿真，沖擊仿真計算研究較少，整個沖擊參數(shù)和沖擊仿真計算校核過程介紹不夠完善，并且，對于船用設備沖擊性能的要求與重視程度不斷提高。針對這一現(xiàn)狀，以剛性安裝的氮氣緩沖罐這一船用設備作為研究對象，采用ANSYS Workbench軟件中的模態(tài)分析和譜分析模塊對其進行抗沖擊仿真計算。

1 沖擊條件

譜分析的基礎是模態(tài)分析，模態(tài)分析基本方程為[8]：

式中：[M]為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；[C]為系統(tǒng)的阻尼矩陣；[K]為系統(tǒng)的剛度矩陣；[x¨]、[x˙]、[x]分別是系統(tǒng)的加速度、速度和位移矢量。

船用設備沖擊設計值由艦船安裝部位確定，根據(jù)GJB1060.1.1991，船用設備三向沖擊加速度設計值Aa和速度設計值Va見表1。

表1 船用設備沖擊設計值

表1中相關(guān)參數(shù)按照下列公式計算：

對于船體和外板安裝部位：

2.2兩組甲狀腺激素指標變化 治療前,兩組患者甲狀腺激素指標間差異不具有統(tǒng)計學意義(P>0.05);治療后,兩組患者的TSH水平顯著提高(P<0.05),FT3、FT4、TT3、TT4水平明顯下降(P<0.05),并且與對照組相比,觀察組的改善情況更加顯著(P<0.05)。具體見表2。

式中：ma為氮氣緩沖罐的模態(tài)質(zhì)量。

對于甲板安裝部位：

甲板安裝部位V0的計算方法與式（3）一致。沖擊設計加速度應取Aa和Vaωa中較小值，作為其動力學分析系統(tǒng)在某一方向上的沖擊設計加速度。其中，是模態(tài)質(zhì)量ma對應的振動模態(tài)圓頻率，單位是rad/s。

根據(jù)氮氣緩沖罐的工作環(huán)境，確立氮氣緩沖罐的抗沖擊設計分析的條件。

（1）艦船類型：大型水面艦艇；

（2）安裝位置：甲板部位安裝；

（4）分析類型：彈性設計。

2 氮氣緩沖罐抗沖擊計算

采用ANSYS WORKBENCH 15.0計算軟件進行氮氣緩沖罐抗沖擊仿真分析。首先利用Modal模塊對氮氣緩沖罐進行模態(tài)分析，以模態(tài)分析結(jié)果為基礎，在Response Spectrum模塊對其進行譜分析。

2.1 幾何模型構(gòu)建與簡化

氮氣緩沖罐為一種立式緩沖罐，利用三個地腳螺栓與氮氣緩沖罐三個支座上的開孔進行固定，將設備固定在水面艦船的甲板部位，其最高工作壓力為2.2 MPa。在Creo 5.0中構(gòu)建氮氣緩沖罐幾何實體模型，如圖1所示。為了提高運算速度和網(wǎng)格質(zhì)量，對該模型進行結(jié)構(gòu)簡化，消除了氮氣緩沖罐上細管、進出口管、儀器儀表等不利于網(wǎng)格劃分的部分，如圖2所示。將其轉(zhuǎn)化為ANSYS Workbench可識別的文件類型（.stp格式、.igs格式），將此模型導入ANSYS Workbench軟件中進行沖擊仿真分析。

圖1 氮氣緩沖罐幾何實體模型

圖2 氮氣緩沖罐簡化模型

2.2 定義材料屬性

氮氣緩沖罐采用不銹鋼材料，彈性模量為：E=2e11 N/m2，泊松比為：λ=0.3，密度為7850 kg/m3。

2.3 網(wǎng)格劃分

氮氣緩沖罐采用四面體網(wǎng)格劃分，有限元網(wǎng)格一共有13651個節(jié)點，共劃分為6707個網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。

圖3 氮氣緩沖罐網(wǎng)格劃分模型

2.4 載荷與約束的施加

氮氣緩沖罐模型各部分采用粘接命令，對該緩沖罐三個支座的底面采用Fixed Support模塊約束全自由度。邊界條件的約束施加如圖4所示。

圖4 氮氣緩沖罐設備邊界條件的約束施加

2.5 仿真模型

氮氣緩沖罐在Workbench中沖擊仿真模型搭建如圖5所示。其中譜分析采用Response Spectrum模塊進行仿真，整個仿真模型框圖均顯示設置正確，仿真計算過程（網(wǎng)格劃分、參數(shù)設置等）中沒有報錯（Error）提示，建立的模型具有有效性。

圖5 氮氣緩沖罐沖擊仿真搭建模型圖

2.6 模態(tài)計算

在Modal中設置模態(tài)數(shù)為20階，氮氣緩沖罐的第1階模態(tài)頻率為58.4 Hz，第2階模態(tài)頻率為92.1 Hz，第3階模態(tài)頻率為93.3 Hz，第4階模態(tài)頻率為283.7 Hz，第5階模態(tài)頻率為285.7 Hz，第6階模態(tài)頻率為322.4 Hz。前6階模態(tài)如圖6所示。氮氣緩沖罐模態(tài)分析為后續(xù)譜分析沖擊仿真墊定基礎。

圖6 氮氣緩沖罐前六階模態(tài)

2.7 譜分析仿真

利用模態(tài)仿真計算得到的模態(tài)質(zhì)量，利用式（3）和式（4）進行沖擊設計值的計算，氮氣緩沖罐作為一個多自由度系統(tǒng)要分析足夠的振動模態(tài)數(shù)，垂向、橫向和縱向選取的總模態(tài)質(zhì)量應大于氮氣緩沖罐總質(zhì)量的80%，其中超過總質(zhì)量10%的模態(tài)必須分析。按照這一標準，得到氮氣緩沖罐三向沖擊設計值見表2、表3和表4。

表2 氮氣緩沖罐垂向沖擊設計值

表3 氮氣緩沖罐橫向沖擊設計值

表4 氮氣緩沖罐縱向沖擊設計值

將選取計算得到的沖擊設計加速度用RS Acceleration單元進行輸入，仿真計算得到氮氣三向沖擊應力云圖如圖7、圖8和圖9所示。

圖7 氮氣緩沖罐垂向沖擊應力云圖

圖8 氮氣緩沖罐橫向沖擊應力云圖

觀察氮氣緩沖罐設備的應力云圖，可知應力集中在罐體支座處和支座與罐體的連接處，垂向最大應力數(shù)值為62.9 MPa，橫向最大應力數(shù)值136.0 MPa，縱向最大應力數(shù)值75.7 MPa，均小于不銹鋼條件屈服強度205 MPa，因此，該氮氣緩沖罐設備具有抗垂向、橫向和縱向沖擊的能力。

圖9 氮氣緩沖罐縱向沖擊應力云圖

2.8 地腳螺栓校核

根據(jù)國軍標GJB1060.1.1991中5.7.7.1.5條可以得到：

式中：F為氮氣緩沖罐重心處的有效靜力；Da為最大沖擊設計加速度；M為氮氣緩沖罐質(zhì)量。

設備重量為M=779.44kg

單個螺栓拉力為

所以，氮氣緩沖罐的地腳螺栓具備抗沖擊能力。

3 結(jié)語

采用動態(tài)設計分析方法（DDAM），對水面艦艇甲板部位安裝的氮氣緩沖罐設備進行沖擊評估，對比三向譜分析應力云圖，看出三向最大應力均小于不銹鋼的條件屈服強度，并對氮氣緩沖罐的地腳螺栓進行校核，氮氣緩沖罐滿足抗三向沖擊的能力?？梢园l(fā)現(xiàn)應力集中部位主要在罐體支座處，可以采取加厚罐體支座，支座加斜撐等方式，進一步減小應力集中現(xiàn)象。該研究對船用罐體的結(jié)構(gòu)設計和加工生產(chǎn)具有一定的參考性意義。