艦用典型設(shè)備抗沖擊能力定量分析

馮麟涵 汪 玉 張 磊 杜儉業(yè)

海軍裝備研究院，北京 100073

艦用典型設(shè)備抗沖擊能力定量分析

馮麟涵 汪 玉 張 磊 杜儉業(yè)

海軍裝備研究院，北京 100073

艦用設(shè)備抗沖擊性能是其技術(shù)性能的重要要素之一，正確分析艦用設(shè)備抗沖擊能力也是開展系統(tǒng)級(jí)別抗沖擊性能設(shè)計(jì)、管理、優(yōu)化的前提。明確了艦用設(shè)備抗沖擊能力的定義，給出了采用時(shí)域模擬法確定艦用設(shè)備抗沖擊能力定量計(jì)算方法。選取某剛性安裝的艦用增壓鍋爐為研究對(duì)象，對(duì)影響設(shè)備抗沖擊能力的因素和抗沖擊能力值進(jìn)行了分析。旨在為今后艦船設(shè)備抗沖擊性能分析提供方法和手段。

艦用設(shè)備；抗沖擊能力；評(píng)估

1 引言

艦船設(shè)備的抗沖擊能力是整個(gè)艦船抗沖擊性能的重要組成要素，特別是一些關(guān)鍵設(shè)備，其抗沖擊能力更是決定了艦船在戰(zhàn)斗中的生存能力。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于艦船設(shè)備抗沖擊設(shè)計(jì)，主要是采取沖擊試驗(yàn)校核方法，而對(duì)其抗沖擊能力沒有定量的認(rèn)識(shí)，概念也尚未統(tǒng)一。這種現(xiàn)狀使得人們?cè)谶M(jìn)行艦船系統(tǒng)、整艦抗沖擊安全性評(píng)估時(shí)，缺乏基本的輸入數(shù)據(jù)［1］，需要工程設(shè)計(jì)人員和研究人員引入一定的假定，將相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備沖擊考核值作為各設(shè)備自身的抗沖擊能力值。這將直接影響到評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性，在一定程度上也制約了我國(guó)艦船抗沖擊性能設(shè)計(jì)的發(fā)展，因此亟需開展艦船設(shè)備的抗沖擊能力定量分析工作。

文中定義了艦用設(shè)備抗沖擊能力，給出了基于數(shù)值仿真定量評(píng)估設(shè)備抗沖擊能力的方法，并基于時(shí)域分析法選取某典型設(shè)備為研究對(duì)象，對(duì)影響設(shè)備抗沖擊能力的因素和抗沖擊能力值進(jìn)行了分析，為今后艦船設(shè)備抗沖擊性能分析提供技術(shù)手段，為艦船系統(tǒng)抗沖擊性能評(píng)估提供參考。

2 艦船設(shè)備抗沖擊能力

2.1 設(shè)備抗沖擊能力定義

由于裝艦設(shè)備品種繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備的質(zhì)量、剛度、在艦上的安裝方式、安裝位置、安裝方向的不同，以及爆炸環(huán)境和艦艇結(jié)構(gòu)的千差萬別，使得設(shè)備的毀傷有著很大的不確定性。不同設(shè)備的破壞機(jī)理各不相同，不能確定一個(gè)為所有設(shè)備都適用的破壞判據(jù)，故采用設(shè)備允許響應(yīng)量值作為抗沖擊能力值，將難以實(shí)現(xiàn)各設(shè)備抗沖擊能力值的統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化。

通過前期的研究，設(shè)備極限沖擊載荷定義為在沖擊作用過程中和沖擊作用過程后，艦用設(shè)備功能具有一定的可用性，其沖擊響應(yīng)（應(yīng)力、變形、配合情況等）達(dá)到最大允許值所對(duì)應(yīng)的虛擬理論載荷?？梢?，設(shè)備的沖擊極限載荷直接反映了設(shè)備的抗沖擊能力，因此本文采用設(shè)備所能承受的極限沖擊載荷作為抗沖擊能力的描述量。

設(shè)備抗沖擊能力不僅與其自身的力學(xué)特性有關(guān)，還與理論載荷形式有關(guān)。目前普遍將設(shè)計(jì)沖擊譜作為設(shè)備沖擊環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)描述方式（圖1）。本文分析設(shè)備抗沖擊能力采用設(shè)計(jì)沖擊譜（Ds、Vs、As）來描述。艦船設(shè)備的安裝頻率大多在幾赫茲到幾十赫茲之間，設(shè)備響應(yīng)主要對(duì)中頻段的等速度譜 Vs敏感［2－4］，故下面利用設(shè)備沖擊響應(yīng)達(dá)到最大允許值所對(duì)應(yīng)的沖擊譜速度Vd來定量描述設(shè)備抗沖擊能力值。同時(shí)為保證設(shè)備受到的沖擊作用與水下爆炸沖擊作用特征一致，沖擊譜左右頻率參照德國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn) BV0430－85來確定［5］。

圖1 沖擊譜特征及其應(yīng)用Fig.1 Application and characteristics of shock response spectrum

2.2 設(shè)備抗沖擊能力值的確定

艦船設(shè)備一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有較多的構(gòu)件，且非線性元素較多，如減振器、構(gòu)件間大量非線性接觸關(guān)系等。相比于普通結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，沖擊作用下艦船設(shè)備具有多損傷模式且非線性程度高的特點(diǎn)。

設(shè)備在沖擊作用下的失效形式是突發(fā)失效，故失效機(jī)制采用首次超越失效機(jī)制。根據(jù)定義，設(shè)備抗沖擊能力所對(duì)應(yīng)的響應(yīng)狀態(tài)，即為沖擊響應(yīng)（應(yīng)力、變形、配合情況等）達(dá)到最大允許值。借鑒可靠性思想，根據(jù)應(yīng)力—強(qiáng)度干涉模型［6］，令設(shè)備各失效模式的極限狀態(tài)方程為：

考慮到設(shè)備本身構(gòu)件出現(xiàn)冗余情況較少，故將設(shè)備在沖擊作用下的各失效模式視為串聯(lián)關(guān)系，則設(shè)備失效域Df與每個(gè)模式失效域Df（k）的關(guān)系如下：

根據(jù)設(shè)備研究所給定相應(yīng)設(shè)備所允許的沖擊響應(yīng)閾值 Xk*（k＝1，2，…，m），逐漸改變沖擊環(huán)境量值，那么引起設(shè)備破壞所對(duì)應(yīng)的最小的沖擊環(huán)境Vsmin即為設(shè)備抗沖擊能力值Vd。

3 典型設(shè)備抗沖擊能力分析

下面以某艦船增壓鍋爐為研究對(duì)象，分析抗沖擊能力值Vd，為今后艦船設(shè)備抗沖擊能力分析提供參考。本文采用時(shí)域模擬法分析設(shè)備沖擊響應(yīng)，建立設(shè)備精確有限元模型。通過逐漸增強(qiáng)沖擊環(huán)境，計(jì)算設(shè)備響應(yīng)，例如設(shè)備受到?jīng)_擊作用后的加速度、速度和位移響應(yīng)，應(yīng)力以及應(yīng)變等參數(shù)。所對(duì)應(yīng)設(shè)備損毀的最小沖擊輸入，即為該設(shè)備抗沖擊能力值（Ds、Vs、As），從而與抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)考核工況相對(duì)應(yīng)。

3.1 有限元模型

沖擊問題為瞬時(shí)強(qiáng)非線性問題，建立合理的有限元模型，來描述沖擊作用下艦船設(shè)備的實(shí)際結(jié)構(gòu)，是艦載設(shè)備沖擊動(dòng)力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

采用ABAQUS軟件分析增壓鍋爐的沖擊響應(yīng)，設(shè)備結(jié)構(gòu)分析采用三維有限元模型，共有29 739個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元31 316個(gè)，其中殼單元31 000個(gè)，質(zhì)量單元321個(gè)，有限元模型如圖2，坐標(biāo)軸方向定義為：X—左右舷方向 （橫向），Y—艏艉方向（縱向），Z—垂向。

圖2 增壓鍋爐計(jì)算有限元模型Fig.2 Finite elementmodel of supercharged boiler

增壓鍋爐內(nèi)殼采用235-B鋼，彈性模量為2.14E5 MPa，靜態(tài)屈服極限為 235 MPa，外殼材料采用907A鋼，彈性模量為2.06E5 MPa，靜態(tài)屈服極限為390 MPa。本模型中材料選用雙線性彈塑性本構(gòu)模型，材料應(yīng)變率效應(yīng)由Cowper-Symonds模型描述，則材料動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度為：

其中，σ0為靜態(tài)屈服強(qiáng)度，Eh為應(yīng)變硬化模量，εp和ε˙分別為有效塑性應(yīng)變及等效塑性應(yīng)變率，D、n為材料參數(shù)。 對(duì)于低碳鋼，D=40.4 s-1，n=5，Eh=250 GPa［7］。

3.2 加載方式及失效判據(jù)

考慮到水下爆炸作用下艦船沖擊響應(yīng)以垂向?yàn)橹?，本文?duì)增壓鍋爐的垂向抗沖擊能力進(jìn)行分析。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，按照由小到大的順序設(shè)置一系列沖擊譜速度 Vsi（i=1，2，…，n），相應(yīng)的譜加速度Asi=2πfRVsi， 譜位移則為 Dsi=Vsi／2πfL（i=1，2，…，n），針對(duì)增壓鍋爐，依據(jù)德國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)BV0430-85， fL=10.3 Hz， fL=50.4 Hz， 將沖擊譜轉(zhuǎn)換為正負(fù)三角波的時(shí)間歷程加速度進(jìn)行加載。由于增壓鍋爐剛性安裝，因此載荷直接加載于底座。定義各沖擊工況之間的關(guān)系如下：

其中，λ稱為動(dòng)態(tài)比例系數(shù)，隨著n增大。當(dāng)對(duì)設(shè)備抗沖擊能力值Vd沒有定量估計(jì)時(shí)，可設(shè)Δλ=0.3～0.5，根據(jù)少量的沖擊數(shù)值實(shí)驗(yàn)，快速定量估計(jì)設(shè)備抗沖擊能力值Vd的可能范圍；在大致確定抗沖擊能力值后，可取 Δλ =0.05～0.1，精確搜索設(shè)備抗沖擊能力值Vd。

根據(jù)各設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)［8］中的設(shè)備失效判據(jù)，以及增壓鍋爐的特點(diǎn)，確定其在沖擊作用下的失效模式為應(yīng)力失效，即其失效域Df為：

根據(jù)增壓鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及相應(yīng)規(guī)范，判斷其沖擊破壞采用應(yīng)力失效模式。在沖擊載荷作用下，如果增壓鍋爐結(jié)構(gòu)中任何部位的應(yīng)力響應(yīng)超過其材料靜態(tài)屈服極限σs，則認(rèn)為設(shè)備已經(jīng)破壞，此時(shí)增壓鍋爐所能承擔(dān)的最大沖擊載荷Vsmax為設(shè)備的抗沖擊能力值。

如果分析其它設(shè)備時(shí)需要考慮更多類型的失效模式，即在式（2）中將其包含進(jìn)去，而分析過程與本文一致。

3.3 極限能力分析

設(shè)備的抗沖擊薄弱環(huán)節(jié)是指該設(shè)備在沖擊載荷作用下，最可能出現(xiàn)破壞的區(qū)域或部件。在垂向沖擊載荷作用下，增壓鍋爐的薄弱環(huán)節(jié)為外殼與底座相交處，外殼與上下集箱、上鍋筒相交處，以及內(nèi)殼與上下集箱、上鍋筒相交處，內(nèi)殼尖角部位，其位置如圖3所示。垂向沖擊作用下增壓鍋爐的響應(yīng)云圖如圖4所示。

首先給定譜速度初始值Vs0，設(shè)置λ的步長(zhǎng)較大，通過3～5個(gè)工況大致確定增壓鍋爐抗沖擊能力Vd范圍后，取Δλ=0.05，設(shè)定一系列工況搜尋設(shè)備抗沖擊能力值Vd。隨著λ的增大，設(shè)備沖擊響應(yīng)逐漸增大，當(dāng)薄弱環(huán)節(jié)沖擊應(yīng)力響應(yīng)一旦達(dá)到了靜態(tài)屈服極限，就認(rèn)為此時(shí)達(dá)到了設(shè)備抗沖擊極限狀態(tài)。

（b）內(nèi)殼沖擊薄弱環(huán)節(jié)示意圖圖3 增壓鍋爐抗沖擊薄弱環(huán)節(jié)Fig.3 V ulnerable spots of supercharged boiler subjected to shock loading

圖4 沖擊作用下增壓鍋爐應(yīng)力響應(yīng)云圖Fig.4 Stress distribution of supercharged boiler subjected to shock loading

以首次超越機(jī)制來判定對(duì)增壓鍋爐沖擊破壞，圖5給出了不同λ時(shí)，增壓鍋爐各處薄弱環(huán)節(jié)的最大，M ises應(yīng)力響應(yīng)隨著λ的變化趨勢(shì)。對(duì)比各個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)最先出現(xiàn)破壞的是增壓鍋爐內(nèi)殼尖角部位。根據(jù)增壓鍋爐的沖擊失效判據(jù)，當(dāng)該處的應(yīng)力值大于235 MPa就表明失效，即λ=3.2時(shí)增壓鍋爐破壞，此時(shí)對(duì)應(yīng)的沖擊作用即為增壓鍋爐的抗沖擊能力值 Vd*＝Vs0（1+λ）=4.2Vs0。當(dāng)λ＜1.7時(shí)，該部位M ises應(yīng)力響應(yīng)隨著沖擊載荷Vs基本呈現(xiàn)線性變化趨勢(shì)；當(dāng)λ＞1.7后應(yīng)力響應(yīng)呈現(xiàn)非線性關(guān)系，證明了在分析設(shè)備抗沖擊能力值時(shí)需要?jiǎng)討B(tài)改變?chǔ)说谋匾浴Ｆ溆嗫箾_擊薄弱環(huán)節(jié)（外殼與底座相交處、外殼與下集箱相交處、內(nèi)殼與下集箱相交處）雖然應(yīng)力也較大，但尚未出現(xiàn)破壞。當(dāng)λ在0～3.2之間時(shí)，這些部位的M ises應(yīng)力響應(yīng)與沖擊載荷作用基本呈線性關(guān)系；而λ＞3.2以后，應(yīng)力響應(yīng)呈現(xiàn)非線性關(guān)系，主要由設(shè)備某些部位失效引起。

圖5 增壓鍋爐抗沖擊薄弱環(huán)節(jié)M ises應(yīng)力響應(yīng)隨沖擊載荷變化Fig.5 Relationships of M ises stress of vulnerable spots subjected to shock loading

通過上述分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)備在沖擊作用下，各處沖擊薄弱環(huán)節(jié)響應(yīng)相對(duì)其他部位明顯嚴(yán)重，增壓鍋爐抗沖擊薄弱環(huán)節(jié)中內(nèi)殼尖角部位最先出現(xiàn)破壞，其抗沖擊能力值 Vd＝ 3.2Vs0。

隨著沖擊環(huán)境Vs的逐漸增大，設(shè)備各處的應(yīng)力沖擊響應(yīng)基本與沖擊環(huán)境呈現(xiàn)線性變化規(guī)律；當(dāng)沖擊作用接近其抗沖擊能力值時(shí)，薄弱環(huán)節(jié)的應(yīng)力響應(yīng)隨沖擊響應(yīng)則出現(xiàn)非線性變化規(guī)律?？梢姡∪醐h(huán)節(jié)決定了設(shè)備抗沖擊能力，進(jìn)行抗沖擊設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該首先關(guān)注這些薄弱環(huán)節(jié)，通過改善局部結(jié)構(gòu)或優(yōu)化材料從而有效提高設(shè)備抗沖擊能力。當(dāng)設(shè)備具有其他失效模式時(shí)，上述方法同樣可以應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過文中分析發(fā)現(xiàn)，艦用設(shè)備受到?jīng)_擊作用下，沖擊薄弱環(huán)節(jié)響應(yīng)相對(duì)其他部位明顯嚴(yán)重；隨著沖擊環(huán)境Vs的逐漸增大，設(shè)備各處的應(yīng)力沖擊響應(yīng)基本與沖擊環(huán)境呈現(xiàn)線性變化規(guī)律；當(dāng)沖擊作用接近其抗沖擊能力值時(shí)，薄弱環(huán)節(jié)的應(yīng)力響應(yīng)隨沖擊響應(yīng)則出現(xiàn)非線性變化規(guī)律。薄弱環(huán)節(jié)決定了設(shè)備抗沖擊能力，進(jìn)行抗沖擊設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該首先關(guān)注這些薄弱環(huán)節(jié)，并通過改善局部結(jié)構(gòu)或優(yōu)化材料等途徑提高設(shè)備抗沖擊能力。

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Quantitative Analysis on Shock Resistance Ability of Shipboard Equipment

Feng Lin－h(huán)an Wang Yu Zhang Lei Du Jian－ye
Naval Academy of Armament， Beijing 100073， China

Anti-shock performance is one of the essential technical capabilities of shipboard equipment，which requir s to be precisely predicted and is the prerequisite to carrying out the design，management and optimization of shock resistance in the system level.The definition of equipment shock resistance ability was clarified in this study， and the quantitative analysismethod based on time－domain simulation was presented.Taking rigid mounting supercharged boiler as an example， the contributing factor s of shock resistance for the equipmentwere analyzed，and obtained themagnitude of shock resistance ability.The proposedmethod can be used to analyze the shock resistance of shipboard equipment.

shipboard equipment； shock resistance ability； assessment

U664.1

A

1673－3185（2011）06－23－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.06.005

2010-05-13

中國(guó)博士后科學(xué)基金（20100481494）

馮麟涵（1982－），女，博士。研究方向：艦船設(shè)備抗沖擊性能研究。E-mail：lenefeng＠gmail.com

汪 玉（1964－），男，研究員。研究方向：艦艇抗沖擊技術(shù)。

馮麟涵。