艦船管道抗沖減振優(yōu)化

杜鑫，杜儉業(yè)，汪玉

(1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 噪聲與振動重點(diǎn)實驗室，北京 100190;2.海軍裝備研究院 艦船所，北京 100073)

在實船爆炸試驗中，艦艇管路的沖擊破壞是一個不容忽視的問題.實船爆炸試驗的結(jié)果突出說明，管路系統(tǒng)是艦艇抗沖擊的重要薄弱環(huán)節(jié)，其沖擊損傷直接影響到艦船的生命力和作戰(zhàn)能力.艦艇管路系統(tǒng)看似簡單，但在艦船上的分布范圍廣泛，遍及全船，影響管路系統(tǒng)沖擊動力響應(yīng)的參數(shù)也很多，除了復(fù)雜的外部沖擊激勵(具有多點(diǎn)、多相位、多幅值、多頻段的特點(diǎn))外，還有管路支撐的方式、種類、數(shù)量、位置、剛度及阻尼等.多年來在海軍艦艇的研制建造中很少有人進(jìn)行研究，僅僅是在船廠生產(chǎn)時才考慮如何安裝，因此應(yīng)給予充分的重視.

國內(nèi)外對關(guān)于管道抗沖擊減振方面的研究公開的資料不多.Dennis Harold Peters［1］用單點(diǎn)沖擊譜分析方法對水面艦艇管路系統(tǒng)進(jìn)行抗沖擊設(shè)計，這種方法由多支撐點(diǎn)的不同輸入沖擊譜構(gòu)建等效的單點(diǎn)沖擊譜.Rudolph J.Scavuzo等［2］使用了梁模型來設(shè)計等跨距管(管路支吊架等距分布).國內(nèi)的丁旭杰［3］對管路的沖擊進(jìn)行了整體的沖擊波加載，可以宏觀的反映整體的沖擊響應(yīng).陳剛等［4-5］對艦艇管路系統(tǒng)全局參數(shù)靈敏度進(jìn)行分析建模，把影響艦艇管路系統(tǒng)沖擊位移響應(yīng)的主要因素影響因子化來進(jìn)行分析.顧文彬［6］在空間領(lǐng)域內(nèi)用模態(tài)分析的方法對單個的梁模型進(jìn)行不同的激勵，考慮了多種加載的情況.叢培責(zé)［7］用頻域分析的方法對管道的管夾吊架位置、剛度阻尼進(jìn)行優(yōu)化.但這些方法對于艦船上復(fù)雜的管道而言忽略因素過多，與實際的情況有較大程度的差別.可以說目前我國對艦艇管路系統(tǒng)的沖擊載荷及響應(yīng)還缺乏規(guī)律性的認(rèn)識和了解.

本文采用單點(diǎn)沖擊譜分析方法與時間歷程分析方法相結(jié)合［8］，對艦艇典型管道系統(tǒng)上不同的點(diǎn)，施加不同的載荷激勵，克服了單點(diǎn)沖擊分析方法的不足，既可較真實客觀的反映實際情況又可以清楚的看到在時域范圍內(nèi)管道的沖擊加載響應(yīng)，在周期性載荷的加載下優(yōu)化效果良好.

1 管道沖擊響應(yīng)理論基礎(chǔ)

本文研究管夾吊架支撐約束作用下的艦船管道系統(tǒng)，根據(jù)管夾吊架的實際分布情況，可將管路系統(tǒng)中的一部分取為梁模型.而管路系統(tǒng)除去管夾吊架的在垂直于管道方向的剛性約束外，可把由沖擊所導(dǎo)致的振動分為2個階段［5］:1)沖擊階段:在沖擊載荷作用下，系統(tǒng)獲得初速度.由于沖擊載荷作用時間較短，沖擊強(qiáng)度較大，因此在這個階段有限的力可以忽略不計.2)沖擊后階段，系統(tǒng)獲得了初速度，在隨機(jī)作用和周期作用下發(fā)生強(qiáng)迫振動.對于一個直管道模型，其運(yùn)動方程如下.

1)運(yùn)動方程:

式中:ρ為單位長度，E為拉壓彈性模量，I為斷面慣性矩，Cin為內(nèi)部粘性系數(shù)，x為軸向坐標(biāo)，y(x，t)為梁的撓度，w(t)為激振位移，lci為彈性支撐位置.

2)沖擊階段運(yùn)動方程:

艦船受到水下爆炸沖擊時，運(yùn)動時間曲線的近似表達(dá)式［6］為

式中:參量V是表示攻擊強(qiáng)度的一個速度參數(shù);時間T1是沖擊運(yùn)動的非振蕩分量之衰減時間，它隨攻擊強(qiáng)度、船只類型及運(yùn)動方向而變化;時間T2是這個主振蕩運(yùn)動分量的衰減時間;時間T3是主振蕩運(yùn)動分量的周期，它隨船上位置不同而變化;t為沖擊作用的時間.

3)沖擊后運(yùn)動方程:

在管道受力分析的過程中，采用以上的運(yùn)動方程描述形式進(jìn)行分析.

2 艦船管道沖擊響應(yīng)分析及優(yōu)化設(shè)計

2.1 單個梁模型管夾吊架沖擊響應(yīng)研究

以一根梁模型為例，分析管道的邊界條件、支吊架個數(shù)、約束方向?qū)艿罌_擊響應(yīng)的影響.本計算在ANSYS環(huán)境中實現(xiàn)，參數(shù)的設(shè)置:管道的密度7 850 kg/m3，材料的彈性模量和泊松比分別為2.11×1011N/m2和0.3.基本單元的選取:structural Beam和3D elastic 4.在放置管夾的地方加上彈簧約束，彈性系數(shù)為109N/m，以管子偏離原來位置的位移和為目標(biāo)函數(shù).在有管夾約束的地方施加沖擊載荷，沖擊曲線為中所述，為雙正弦曲線.

圖1是管道放置不同管夾數(shù)目條件下的位移響應(yīng)隨管夾在管道的位置變化情況.圖2為不同的管夾個數(shù)下管道的沖擊響應(yīng).從圖1、2可以看出，對于管道的抗沖擊，管夾的個數(shù)并不是越多越好，在某些位置，3個管夾的管道變形大于1個管夾的管道變形;也不是越少越好，在某些位置1個管夾的管道變形大于2個管夾的管道變形.對于固支和簡支兩種邊界條件，應(yīng)考慮不同的管夾放置位置，在某些位置，固支占優(yōu)勢，在另外一些位置，簡支占優(yōu)勢.

圖1 管道放置不同管夾數(shù)目條件下的位移響應(yīng)Fig.1 The response of the pipe with different clamps

接下來考慮不同的約束方向?qū)艿揽箾_擊的影響.圖3(a)為管夾約束方向與沖擊方向平行，兩端是簡支條件下管道的沖擊響應(yīng).可以看到1個支架的管子的變形大于3個的管子的變形.圖3(b)為在不同約束方向的管道的沖擊響應(yīng).可以看出，垂直于沖擊方向上的彈簧的約束遠(yuǎn)小于在平行于沖擊方向上的約束.

圖2 管道不同邊界條件下的位移響應(yīng)Fig.2 Piping displacement response under different boundary conditions

圖3 管道的沖擊響應(yīng)Fig.3 The shock response of the pipe

2.2 艦船管道建模及沖擊響應(yīng)分析

根據(jù)ANSYS優(yōu)化的特點(diǎn)，實施優(yōu)化循環(huán)的過程必須使用參數(shù)化的模型，所以對艦船管道的建模采用參數(shù)化建模，即APDL命令流的形式［9］.考慮選擇某艦艇中右舷柴油發(fā)電機(jī)組排氣管模型［10］進(jìn)行簡化建模.分別對此模型放置不同的管夾個數(shù).

在施加剛性約束沖擊載荷和正弦載荷后的管道變形如圖4所示，從圖中可以看出，管道在沖擊載荷下略有變形，在我們施加約束的點(diǎn)的位移基本上不發(fā)生變化，所以選擇合適的管夾吊架位置和合適的管夾吊架個數(shù)對提高管路系統(tǒng)的抗沖擊能力有很大的意義.

圖4 沖擊加載后的管道變形圖Fig.4 The pipe deformation diagram with shock loading

2.3 對設(shè)計工況下艦船管道支吊架優(yōu)化計算

通過對管道的建模、加載和瞬時響應(yīng)分析后，提取各吊架沖擊響應(yīng)后的位移的總值做為目標(biāo)函數(shù)，分別優(yōu)化管系吊架的位置，管系吊架彈簧的剛度以及吊架的阻尼.位移響應(yīng)的總值的計算公式為

選擇吊架的位置作為設(shè)計變量，設(shè)計范圍為吊架在直管道上可以活動的設(shè)計范圍.以建立模型的所有的節(jié)點(diǎn)偏移原來的位移之和的總值作為目標(biāo)函數(shù)，吊架剛度與阻尼分別取4.43×103N/m和0.1 N·s/m，選擇吊架剛度和阻尼為狀態(tài)變量，取值范圍分別為4.43×103～8.86×1010N/m，0.1～1 N·s/m.選用零階優(yōu)化方法，優(yōu)化循環(huán)30次，若收斂，取收斂值;若未收斂，取30次中的最優(yōu)值.本文的計算收斂通過優(yōu)化后得到，優(yōu)化結(jié)果如表1所示.

從表1中的優(yōu)化結(jié)果可以看出:優(yōu)化后管夾吊架位置較管夾吊架設(shè)計位置都有所改變，變化的幅度不盡相同，但由于在直管段吊架的設(shè)計范圍內(nèi)網(wǎng)格劃分的很細(xì)，所以節(jié)點(diǎn)間的距離也不是很大，即優(yōu)化后吊架的位置改變不是很大.得到的偏移位置的TOTAL值的改變也不是很大.從結(jié)果的對比可以看出，在節(jié)點(diǎn)YA、YD處的改變比較小，在節(jié)點(diǎn)XC、YB處的改變比較大.

表1 初始設(shè)計位置和優(yōu)化后管夾吊架設(shè)計位置及目標(biāo)參數(shù)Table 1 Original and optimized position with objective parameters

3 結(jié)論

通過對算例的計算結(jié)果分析可得:

1)不同的約束條件，造成了不同的沖擊響應(yīng);支吊架的位置布置對艦船管道的抗沖擊性能有顯著的影響;對于同一系統(tǒng)，當(dāng)支吊架的參數(shù)給定時，支吊架的個數(shù)選擇要給予優(yōu)化，不是越多越好，也不是越少越好，應(yīng)針對不同的情況優(yōu)化出具體的數(shù)量及響應(yīng)布設(shè)的位置;在垂直于沖擊方向上的管夾的約束遠(yuǎn)小于在平行于沖擊方向上的約束;針對本文中的某艦艇中右舷柴油發(fā)電機(jī)組排氣管模型，文中給出了管夾吊架布置的最優(yōu)位置.

2)在本文的分析中，考慮到管徑比較小的情況，采用了一維管道的單元進(jìn)行模擬，但是對于沖擊破壞，只考慮到了沖擊引起的管道的位移破壞，對于直接引起的管道的破壞(例如剪切和環(huán)向彎曲等)沒有考慮;破壞形式和支撐有很大的關(guān)系，由于管路的彈性支撐多為符合結(jié)構(gòu)，很難用計算的方法模擬其力學(xué)彈性，需要用試驗的方法進(jìn)行檢測.總之，對于艦艇管路系統(tǒng)的沖擊載荷還缺乏規(guī)律性的認(rèn)識和了解，提高管路的抗沖擊能力，是一個長期需要逐步來實施的工程.

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