基于ANSYS的電流自動轉(zhuǎn)換裝置抗沖擊特性研究

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(海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，武漢 430033)

艦船設(shè)備的抗沖擊能力是整個(gè)艦船抗沖擊能力的重要組成要素，決定了艦船在戰(zhàn)斗中的生存能力。以電流自動轉(zhuǎn)換裝置為主要研究對象(如圖1)，通過建立該裝置的沖擊動力學(xué)計(jì)算模型，進(jìn)行抗沖擊特性仿真分析。

圖1 電流自動轉(zhuǎn)換裝置實(shí)物圖

1 電流自動轉(zhuǎn)換裝置工作原理

電流自動轉(zhuǎn)換裝置是艦船的重要電器設(shè)備，內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由鎖扣、主動觸頭、主靜觸頭組、導(dǎo)電板及電磁系統(tǒng)等元器件組成。當(dāng)手柄控制主動觸頭打向左側(cè)主靜觸頭組時(shí)，設(shè)備與左舷的發(fā)電機(jī)組連接，艦船由左舷發(fā)電機(jī)組供電。此時(shí)，電流自動轉(zhuǎn)換裝置被鎖扣鎖死，防止振動沖擊造成誤動作。當(dāng)左舷發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障斷電時(shí)，電流自動轉(zhuǎn)換裝置中的電磁系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁力瞬間消失，由彈簧帶動手柄打向右側(cè)，與右舷發(fā)電機(jī)組連通，供應(yīng)全艦用電。因此，電流自動轉(zhuǎn)換裝置的正常工作與否直接影響到艦船的用電安全。

2 三維實(shí)體模型

根據(jù)廠家提供的圖紙，采用三維建模軟件Pro/ENGINEER Wildfire 3.0對電流自動轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行實(shí)體建模，見圖2。

圖2 電流自動轉(zhuǎn)換裝置三維實(shí)體模型

在此基礎(chǔ)上，對電流自動轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行必要的簡化。由于實(shí)際中電流自動轉(zhuǎn)換裝置在船體上的安裝帶有減振器，為使仿真更接近實(shí)際，模型中在箱體底部加上減振器與船艙連接。通過三維實(shí)體建模軟件與有限元分析軟件的接口，將電流自動轉(zhuǎn)換裝置的Pro/E模型導(dǎo)入ANSYS中。

減振器的三向剛度用3個(gè)重疊的分別定義剛度方向的COMBIN14彈簧單元模擬[1]。由下式計(jì)算彈簧剛度k及阻尼系數(shù)ξ[2]。

(1)

式中：fn——彈簧固有頻率；

m——載荷質(zhì)量；

c——彈簧阻尼比。

電流自動轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)部零件用SOLID95單元模擬，在定義好材料屬性后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到該裝置的有限元模型，如圖3所示。

圖3 電流自動轉(zhuǎn)換裝置有限元模型

3 仿真計(jì)算

艦用設(shè)備的沖擊載荷大多以沖擊譜的形式給出，典型的沖擊譜曲線見圖4，由等位移、等速度和等加速度三段曲線組成，位移譜為D0，速度譜為V0，加速度譜為A0，等速度譜從頻率f1到f2。

圖4 典型沖擊譜曲線示意圖

f1=V0/2πD0
f2=A0/2πV0

(2)

根據(jù)BV043/85標(biāo)準(zhǔn)[3]，沖擊譜可等效為雙三角形或雙重半正弦時(shí)間歷程曲線。對電流自動轉(zhuǎn)換裝置施加雙重半正弦的橫向加速度沖擊，見圖5。由正負(fù)兩個(gè)脈沖組成。正脈沖加速度峰值大，持續(xù)時(shí)間短，負(fù)脈沖加速度峰值小，持續(xù)時(shí)間長。兩個(gè)脈沖的面積相等，致使基礎(chǔ)最終速度為零。a2和t1分別為正脈沖的加速度峰值和脈寬，a4和t2分別為負(fù)脈沖的加速度峰值和脈寬，v1和v2分別為正負(fù)脈沖的面積。

圖5 雙重半正弦加速度時(shí)歷曲

根據(jù)BV043/85標(biāo)準(zhǔn)，上述系數(shù)與沖擊譜值之間存在下列轉(zhuǎn)換關(guān)系：

(3)

在ANSYS中采用大質(zhì)量法計(jì)算電流自動轉(zhuǎn)換裝置的沖擊響應(yīng)，即在彈簧單元下部相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上布置大質(zhì)量點(diǎn)，用MASS21單元模擬，所施加的沖擊載荷一般取裝置整體質(zhì)量的10～20倍[4]。

根據(jù)BV043/85標(biāo)準(zhǔn)選取加速度833 m/s2、脈寬0.007 54 s的工況，計(jì)算得到電流自動轉(zhuǎn)換裝置關(guān)鍵部位節(jié)點(diǎn)垂向沖擊的Mises應(yīng)力和加速度時(shí)間歷程響應(yīng)曲線，見圖6～11。

圖6 減振器與箱腳連接處Mises應(yīng)

圖7 減振器與箱腳連接處垂向加速度響

圖9 箱體與開關(guān)件連接垂向加速度響

圖10 電磁系統(tǒng)與安裝板連接處Mises應(yīng)

圖11 電磁系統(tǒng)與安裝板連接處垂向加速度響

BV043/85標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，沖擊安全級為A的設(shè)備其沖擊載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，在正常情況下不得超越靜態(tài)屈服極限。也就是當(dāng)σMises<σs時(shí)，可認(rèn)為設(shè)備的結(jié)構(gòu)是安全的。式中，σMises為考核節(jié)點(diǎn)的Mises應(yīng)力峰值；σs為材料靜態(tài)屈服極限。

由圖6、圖8、圖10可得到減振器與箱腳連接處、箱體與開關(guān)件連接處、電磁系統(tǒng)與安裝板連接處的Mises應(yīng)力分別在0.024 9 s、0.028 8 s、0.028 8 s達(dá)到峰值661.418 MPa、127.367 MPa和11.246 7 MPa。對比材料的靜態(tài)屈服極限，可得出在脈寬為0.007 54 s、加速度為833 m/s2的沖擊工況下箱體的應(yīng)力峰值超過了靜態(tài)屈服極限，會產(chǎn)生一定程度的損壞，而電流自動轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)部元器件應(yīng)力峰值則小于屈服極限，對功能不會有影響。因此得到以下結(jié)論：

1) 電流自動轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)承受垂向沖擊載荷時(shí)薄弱環(huán)節(jié)的分布位置主要集中在部件連接處。

2) 電流自動轉(zhuǎn)換裝置的箱體沖擊響應(yīng)較內(nèi)部元器件劇烈，電流自動轉(zhuǎn)換裝置整體下部沖擊響應(yīng)較上部劇烈。

4 結(jié)束語

采用德國海軍規(guī)范BV043/85中的沖擊分析方法，對艦用電流自動轉(zhuǎn)換裝置抗沖擊特性進(jìn)行仿真計(jì)算，總結(jié)其中的規(guī)律，找出薄弱環(huán)節(jié)，為今后進(jìn)一步研究電流自動轉(zhuǎn)換裝置的抗沖擊特性提供借鑒。

[1] 黃國強(qiáng)，路秋海.艦船發(fā)電機(jī)抗沖擊性能分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，46(11):1913-1917.

[2] 師漢明.機(jī)械振動系統(tǒng)——分析·測試· 建?！Σ遊M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004.

[3] 中國艦船研究所科技發(fā)展部.BV0430，沖擊安全性[S].聯(lián)邦德國國防軍艦艇建造規(guī)范，1998:19-23.

[4] 張朝暉.ANSYS11.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.