夏雪寶,明志茂,余云加,趙可淪

(廣電計(jì)量檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司,廣東 廣州 510000)

0 引 言

艦船裝備在設(shè)計(jì)過程中需進(jìn)行抗沖擊設(shè)計(jì)或試驗(yàn)驗(yàn)證,以提高其抗沖擊性能進(jìn)而保證裝備的戰(zhàn)場(chǎng)生命力。各海軍強(qiáng)國(guó)對(duì)艦船裝備的抗沖擊性能試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究,形成了BV043/85(德國(guó))、MIL-S-901D(美國(guó))等試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),我國(guó)也制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范GJB1060.1-91[1-2],該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定A、B級(jí)設(shè)備應(yīng)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)考核。對(duì)于過大或過重而不具備沖擊試驗(yàn)條件的設(shè)備,可采用動(dòng)力學(xué)分析的方法進(jìn)行抗沖擊合格鑒定[3-4]。

動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)法(DDAM,Dynamic Design Analysis Method)是美國(guó)海軍于1961年提出的一種基于沖擊反應(yīng)譜的分析方法,其廣泛用于水面艦船和潛艇的抗沖擊設(shè)計(jì)?；谝陨螪DAM算法,有限元分析軟件ANSYS開發(fā)了相應(yīng)的譜分析計(jì)算模塊,可進(jìn)行艦船設(shè)備的抗沖擊仿真分析計(jì)算[5]。

某大型艦船蓄電池組由于尺寸及重量過大,無法依據(jù)GJB150.18-1985進(jìn)行爆炸沖擊試驗(yàn)考核。筆者通過構(gòu)建蓄電池組有限元模型,采用ANSYS譜分析模塊,結(jié)合GJB1060.1-91的設(shè)計(jì)要求,對(duì)其進(jìn)行了DDAM三個(gè)方向的沖擊仿真計(jì)算,校核其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否符合要求,找到蓄電池組結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn),為后續(xù)產(chǎn)品的優(yōu)化改進(jìn)提供支撐。

1 蓄電池組介紹

1.1 樣品說明

某蓄電池組由蓄電池槽、蓋、極柱、匯流排、吊架、密封件及艙段結(jié)構(gòu)等組成,樣品尺寸約8 m×5 m×3m,質(zhì)量約50 t。有限元分析前需對(duì)模型進(jìn)行建模及簡(jiǎn)化。建立有限元模型時(shí),在保證有限元模型中的主要結(jié)構(gòu)尺寸與產(chǎn)品尺寸精確一致,保證計(jì)算精度的前提下盡量采用盡可能簡(jiǎn)單的模型,簡(jiǎn)化后的蓄電池組三維實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 蓄電池組模型(含艙段)

1.2 樣品材料力學(xué)參數(shù)

樣品使用的材料包括玻璃鋼、黃銅、鉛合金、木料、塑料及鋼結(jié)構(gòu)船體等,所有材料的力學(xué)參數(shù)如表1所列。

表1 材料參數(shù)表

2 有限元模型建立

將簡(jiǎn)化后模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)采用不同的網(wǎng)格劃分方法和尺寸。規(guī)則的結(jié)構(gòu)采用六面體,不規(guī)則的結(jié)構(gòu)采用四面體。為提高計(jì)算效率,在保證網(wǎng)格精度的前提下,對(duì)模型中較小尺寸結(jié)構(gòu)部位使用更小的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行劃分,其它較大尺寸結(jié)構(gòu)部位則使用較大的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行劃分。建立好的有限元模型如圖2所示,劃分后的有限元模型單元網(wǎng)格總數(shù)1 121 289個(gè),節(jié)點(diǎn)總數(shù)2 690 581個(gè)。

圖2 蓄電池組整體及電池模塊有限元模型

劃分網(wǎng)格之后對(duì)各零部件相互的接觸進(jìn)行設(shè)置,電池組各部件之間采用MPC綁定接觸,模擬兩個(gè)零件之間沒有相對(duì)位移。

3 模態(tài)分析

采用ANSYS對(duì)蓄電池組樣品進(jìn)行模態(tài)分析,仿真計(jì)算其前10階自由模態(tài),計(jì)算得到的固有頻率如表2所列,并輸出各階模態(tài)頻率下的振型云圖,由于篇幅有限,僅列出前2階模態(tài)振型,結(jié)果如圖3、4所示。

表2 固有頻率列表

圖3 第1階模態(tài)振型 圖4 第2階模態(tài)振型

第1階為整體模態(tài),頻率為25.404 Hz,模態(tài)振型表現(xiàn)為艙段樣品扭轉(zhuǎn)模態(tài);第2階頻率為36.05 Hz,模態(tài)振型表現(xiàn)為艙壁彎曲模態(tài);其它各階模態(tài)為整體艙段的高階彎曲、扭轉(zhuǎn)模態(tài)及橫艙壁、縱艙壁等結(jié)構(gòu)的多階彎扭復(fù)合振型或局部模態(tài)振型。

4 DDAM沖擊載荷

標(biāo)準(zhǔn)GJB1060.1-91中第5.7.2.2節(jié)規(guī)定了潛艇船體安裝部位彈塑性設(shè)計(jì)用的設(shè)計(jì)值,如表3所列。

表3 潛艇船體安裝部位彈塑性設(shè)計(jì)參數(shù)

表中的A0、V0按下列公式計(jì)算:

(1)

(2)

式中:ma為樣品的模態(tài)質(zhì)量,t;A0為基準(zhǔn)加速度,m/s2;V0為基準(zhǔn)速度,m/s。依據(jù)GJB1060.1-91中第5.7.4.3節(jié),樣品的模態(tài)質(zhì)量取10%的總質(zhì)量,可知ma=5 t。

由文獻(xiàn)[5]可知,采用ANSYS進(jìn)行沖擊設(shè)計(jì)譜計(jì)算時(shí),沖擊設(shè)計(jì)譜的表達(dá)式形式為:

(3)

(4)

式中:AF、VF為計(jì)算系數(shù),與表3對(duì)應(yīng);AA、AB、AC和VA、VB、VC為計(jì)算常數(shù),與式(1)、(2)對(duì)應(yīng);A為譜加速度,V為譜速度,與表3對(duì)應(yīng)。ANSYS默認(rèn)的DDAM算法為英制單位,因此采用國(guó)際單位制進(jìn)行沖擊設(shè)計(jì)譜ANSYS計(jì)算時(shí),需對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換[5]:

(5)

(6)

式中:c為英制單位重力加速度,為386 in/s2。根據(jù)式(3)～(6)及表3計(jì)算可得,采用ANSYS軟件中DDAM計(jì)算分析時(shí)輸入的計(jì)算常數(shù)和計(jì)算系數(shù)分別如表4、5所列。

表4 計(jì)算常數(shù)表

表5 計(jì)算系數(shù)表

5 沖擊仿真計(jì)算

5.1 約束邊界條件

在對(duì)電池組進(jìn)行DDAM抗沖擊仿真計(jì)算時(shí),模型處理是將電池組安裝艙段的艙壁、連接肋等結(jié)構(gòu)進(jìn)行截?cái)嗵幚?。由于截?cái)嗵幣摫?、支撐肋等結(jié)構(gòu)剛度高,在仿真計(jì)算時(shí),對(duì)電池組所在艙段的艙壁、連接肋等截?cái)辔恢檬┘庸潭s束來模擬電池組艙段的約束邊界條件,如圖5所示。

圖5 約束邊界條件

5.2 沖擊仿真計(jì)算結(jié)果

分別對(duì)蓄電池組樣品進(jìn)行三個(gè)方向(X、Y、Z向)譜分析,在ANSYS的DDAM模塊中輸入上節(jié)對(duì)應(yīng)計(jì)算參數(shù),通過DDAM譜分析分別得到蓄電池組樣品在X、Y、Z方向下的應(yīng)力分布云圖,各部件最大應(yīng)力匯總?cè)绫?所列,部分應(yīng)力云圖分別如圖6～11所示。

表6 沖擊仿真結(jié)果匯總

圖6 X方向沖擊下蓄電池槽、蓋應(yīng)力云圖 圖7 X方向沖擊下匯流排應(yīng)力云圖

圖8 Y方向沖擊下極柱應(yīng)力云圖 圖9 Y方向沖擊下吊架應(yīng)力云圖

圖10 Z方向沖擊下密封件應(yīng)力云圖 圖11 Z方向沖擊下艙體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

由以上計(jì)算結(jié)果可知:三個(gè)沖擊方向的樣品最大等效應(yīng)力分別為126.63MPa、194.31MPa、93.947MPa,均位于艙體部位并且小于對(duì)應(yīng)材料的強(qiáng)度極限。其它部件的仿真計(jì)算應(yīng)力也均小于對(duì)應(yīng)材料的強(qiáng)度極限,說明安全級(jí)蓄電池組樣品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合GJB1060.1-91動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)的要求。

6 結(jié) 語

文中針對(duì)某大型艦船蓄電池組因尺寸及重量過大而無法進(jìn)行爆炸沖擊試驗(yàn)考核的問題展開研究?；贒DAM分析方法,結(jié)合GJB1060.1-91的設(shè)計(jì)要求,采用ANSYS對(duì)蓄電池組進(jìn)行了三個(gè)方向的沖擊仿真計(jì)算,校核了其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否符合要求,該方法可為后續(xù)大型艦船設(shè)備的抗沖擊設(shè)計(jì)提供參考。