基于DDAM方法的船舶推進(jìn)系統(tǒng)沖擊響應(yīng)仿真

， ，

(1.海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033;2.海軍91765部隊(duì)，浙江 溫州 325000)

由于船舶動(dòng)力設(shè)備對(duì)保障船舶戰(zhàn)斗力和生命力的重要意義，為保證和提高船舶動(dòng)力設(shè)備的抗沖擊性能，必須在其研制過(guò)程中的各階段開(kāi)展抗沖擊性研究。采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法(DDAM)對(duì)船舶動(dòng)力設(shè)備進(jìn)行抗沖擊研究具有成本低，分析方便等優(yōu)點(diǎn)，所以該方法被各國(guó)海軍廣泛用作船用設(shè)備設(shè)計(jì)和評(píng)估方法[1-2]。對(duì)某型船舶推進(jìn)系統(tǒng)建立有限元模型，采用了NASTRAN軟件基于DDAM方法進(jìn)行了抗沖擊仿真計(jì)算，得到船舶推進(jìn)系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)規(guī)律及抗沖擊特性，為船舶設(shè)計(jì)早期抗沖擊性分析提供參考依據(jù)。

1 理論分析

DDAM是基于沖擊譜的響應(yīng)分析方法，將設(shè)計(jì)沖擊譜作為設(shè)備的沖擊輸入，并對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行合成，從而求得系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)。將一臺(tái)設(shè)備或系統(tǒng)簡(jiǎn)化為多個(gè)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，在計(jì)算出模態(tài)振型和模態(tài)質(zhì)量后，根據(jù)設(shè)計(jì)沖擊譜得出各階模態(tài)的模態(tài)位移和應(yīng)力，然后通過(guò)對(duì)各階模態(tài)解的合成就可以得出設(shè)備的位移和應(yīng)力[3-4]。

對(duì)于N質(zhì)量三向耦合振動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的每個(gè)質(zhì)量點(diǎn)都有6個(gè)自由度，因而該系統(tǒng)自由度為6N。沖擊激勵(lì)在一個(gè)方向，系統(tǒng)的微分方程為

(1)

式中:M——質(zhì)量矩陣；

K——?jiǎng)偠染仃?，進(jìn)行解耦運(yùn)算，可得其零初始條件下模態(tài)a的位移解為

(2)

式中：pa——模態(tài)參與因子；

ωa——模態(tài)頻率，可定義速度譜為

(3)

其最大的模態(tài)位移

(4)

因此，模態(tài)a的最大可能位移為

(5)

通過(guò)剛度矩陣能夠得到模態(tài)a中的動(dòng)態(tài)力：

(6)

計(jì)算得到每個(gè)振動(dòng)模態(tài)在全部時(shí)間內(nèi)的最大響應(yīng),通過(guò)NRL法進(jìn)行合成

(7)

式中：xb——任一模態(tài)的最大模態(tài)響應(yīng)。

2 推進(jìn)系統(tǒng)建模計(jì)算

以某型船舶推進(jìn)系統(tǒng)為模本,應(yīng)用MSC.patran軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模。該型船舶推進(jìn)系統(tǒng)由主機(jī)、聯(lián)軸器、齒輪箱、軸及螺旋槳等幾部分組成。其中主機(jī)簡(jiǎn)化為25 t的質(zhì)量塊，彈性安裝； 聯(lián)軸器簡(jiǎn)化為剛度較小的圓盤(pán)；齒輪箱也簡(jiǎn)化為質(zhì)量塊，剛性安裝；軸和螺旋槳簡(jiǎn)化為質(zhì)量分布均勻的圓盤(pán)，其中螺旋槳帶水重量為16 800 kg，見(jiàn)圖1。

圖1 推進(jìn)系統(tǒng)三維模型

2.1 有限元模型

對(duì)該模型進(jìn)行有限元分析，該模型采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可得123 362個(gè)節(jié)點(diǎn)，80 996個(gè)單元，主機(jī)的彈性安裝及軸承的支撐部分采用三向的一維彈簧進(jìn)行模擬，將其安裝在船體上。

2.2 沖擊設(shè)計(jì)輸入譜

該型推進(jìn)系統(tǒng)屬于水面船舶，抗沖擊等級(jí)，設(shè)備類型，分析類型，危險(xiǎn)區(qū)域等選用設(shè)計(jì)沖擊輸入，見(jiàn)表1[5]。

表1 沖擊設(shè)計(jì)輸入譜

對(duì)于船體安裝部位

(8)

式中：VF、AF——系數(shù)；

VA、VB、VC、AA、AB、AC、AD——常數(shù)；

Ma——模態(tài)質(zhì)量。

2.3 仿真計(jì)算分析

對(duì)船舶設(shè)備進(jìn)行DDAM分析的步驟[6]如下。

1)計(jì)算結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型向量, 并對(duì)振型向量正則化。

2)計(jì)算每一階模態(tài)的模態(tài)參與因子和有效模態(tài)質(zhì)量。

3)定義具體應(yīng)用的沖擊譜。

4)計(jì)算沖擊作用下每個(gè)模態(tài)的響應(yīng)。

5)采用NRL合成方法得到結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng), 包括結(jié)構(gòu)的位移、速度、加速度、單元應(yīng)力及單元力的響應(yīng)。

按照沖擊標(biāo)準(zhǔn)要求的模態(tài)選擇標(biāo)準(zhǔn)，不同方向沖擊時(shí)，所選模態(tài)的模態(tài)頻率、參與系數(shù)、模態(tài)質(zhì)量以及沖擊設(shè)計(jì)加速度值見(jiàn)表2，沖擊計(jì)算時(shí)存在部分密集模態(tài)現(xiàn)象，所占比重不大，不影響整體計(jì)算結(jié)果。

表2 沖擊設(shè)計(jì)加速度

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)沖擊應(yīng)力響應(yīng)，見(jiàn)圖2～4。

圖2 縱向沖擊應(yīng)力響應(yīng)

由圖2～4可知，應(yīng)力最大一般出現(xiàn)在主機(jī)和齒輪箱的支撐處，是由于次區(qū)域承受其上的質(zhì)量慣性作用，在沖擊作用下的慣性力導(dǎo)致其產(chǎn)生向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故其響應(yīng)較大的部位出現(xiàn)在固定位置處，垂向沖擊時(shí)在尾軸段，尾軸承處所受應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為7.01×1011pa，超出了材料的許用應(yīng)力范圍，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)。主機(jī)齒輪箱等于軸的連接部位也是應(yīng)力出現(xiàn)較大的部位。圖4表明垂向沖擊的響應(yīng)為最烈，橫向和縱向次之。

圖3 垂向沖擊應(yīng)力響應(yīng)

圖4 橫向沖擊應(yīng)力響應(yīng)

3 結(jié)論

該船用推進(jìn)系統(tǒng)沖擊響應(yīng)DDAM分析計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，垂向沖擊對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的沖擊明顯大于橫向和縱向沖擊的作用。推進(jìn)系統(tǒng)的受力主要集中在各支撐連接部位，其原因是由于主機(jī)的支撐部位和軸承支撐部位受大部分重量，慣性力作用較大，使該部分應(yīng)力響應(yīng)較大。

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