船體與增壓鍋爐一體化抗沖擊研究

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(哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，哈爾濱150001)

無(wú)論是水面艦艇還是潛艇，其關(guān)鍵設(shè)備均應(yīng)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。水下沖擊試驗(yàn)固然可以獲得準(zhǔn)確可靠的結(jié)果，但它是一種極其昂貴的破壞性試驗(yàn)，人力投入大，且由于問(wèn)題本身的強(qiáng)非線性特征和不確定性也使實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在很大的局限性。而且設(shè)備沖擊試驗(yàn)存在很多不足之處，如受沖擊機(jī)和浮動(dòng)沖擊平臺(tái)限制，一些很大而且很重的機(jī)械設(shè)備無(wú)法進(jìn)行沖擊試驗(yàn)[1-4]。為模擬水下爆炸，實(shí)際載荷的時(shí)域曲線按BV043/85取為一個(gè)正波和一個(gè)負(fù)波的組合[5-6]。由于整船和船上設(shè)備之間的沖擊環(huán)境的多樣性，沖擊機(jī)不可能精確再現(xiàn)船上設(shè)備在某一特定地點(diǎn)的沖擊環(huán)境，或是設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)之間的相互耦合作用。艦船設(shè)備所在位置因艦艇沖擊所形成的局部沖擊環(huán)境不容易取定，設(shè)備的破壞形式也不清楚。因此采用試驗(yàn)的方法進(jìn)行水下爆炸的數(shù)值模擬[7]。

目前大多數(shù)設(shè)備的沖擊載荷以沖擊譜的形式給出，采用時(shí)域分析時(shí)需要將沖擊譜轉(zhuǎn)換為等效的時(shí)域加速度曲線，進(jìn)而對(duì)各考核方向進(jìn)行加載[8]。而在實(shí)際情況中，從炸藥爆炸到?jīng)_擊波、氣泡脈動(dòng)形成，然后傳遞到艦艇結(jié)構(gòu)，進(jìn)而傳遞到艦船設(shè)備，在時(shí)間上是連續(xù)發(fā)生的，并且互相耦合、互相作用[9]。為此，將設(shè)備安裝于船體之內(nèi)，進(jìn)行船體設(shè)備一體化計(jì)算，以期準(zhǔn)確描述設(shè)備的局部沖擊環(huán)境，分析設(shè)備響應(yīng)。

1 船體增壓鍋爐一體化有限元模型

按照真實(shí)情況，增壓鍋爐與船體基座之間采用剛性連接。增壓鍋爐經(jīng)裝配后的有限元模型見圖1、2。

圖1 船體與增壓鍋爐一體化有限元模型

圖2 加流場(chǎng)后船體與增壓鍋爐一體化有限元模型

2 工況設(shè)置

在船舯下方60 m處放置1 000 kg TNT，見圖3。

圖3 船體設(shè)備一體化加載示意

這種非接觸爆炸通常不會(huì)使船體產(chǎn)生嚴(yán)重的破損而導(dǎo)致艦艇的沉沒(méi)，但是可能引起船體劇烈的振動(dòng)和較大塑性變形，大面積破壞艦船機(jī)械設(shè)備和電子儀器，并且增壓鍋爐位于靠近船艉位置，水下爆炸產(chǎn)生的沖擊在增壓鍋爐三個(gè)方向的作用都不可忽略，適用于研究設(shè)備分別在垂向、橫向、縱向上與船體耦合沖擊響應(yīng)。加載曲線見圖4。

圖4 沖擊波加載曲線

為比較設(shè)備-船體一體化抗沖擊計(jì)算結(jié)果與采用BV0430/85中沖擊試驗(yàn)結(jié)果，將圖4工況轉(zhuǎn)換為等效加速度時(shí)歷曲線加載至設(shè)備，工況見表1。

表1 增壓鍋爐沖擊試驗(yàn)工況設(shè)置

將增壓鍋爐-船體一體化沖擊方法簡(jiǎn)稱為一體化方法，而BV0430/85中的時(shí)域加載法簡(jiǎn)稱為BV方法。

3 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)所列工況對(duì)增壓鍋爐進(jìn)行一體化計(jì)算和3個(gè)方向BV方法加載計(jì)算，鍋爐-設(shè)備一體化某時(shí)刻的響應(yīng)云圖見圖5。

圖5 鍋爐-設(shè)備一體化某時(shí)刻應(yīng)力云圖

在船舯下方的藥包爆炸之后沖擊波傳遞到船體，沖擊作用在船體結(jié)構(gòu)中傳遞到增壓鍋爐基座處，船體與增壓鍋爐的沖擊響應(yīng)是相互影響，相互耦合的過(guò)程。這與BV方法中有所不同，BV方法單獨(dú)對(duì)設(shè)備進(jìn)行單方向的沖擊試驗(yàn)，設(shè)備沖擊響應(yīng)不計(jì)及設(shè)備與實(shí)際安裝環(huán)境之間的相互作用。一體化計(jì)算方法與BV方法計(jì)算的同一時(shí)刻增壓鍋爐應(yīng)力云圖見圖6。

圖6 同一時(shí)刻增壓鍋爐內(nèi)殼響應(yīng)應(yīng)力云圖

對(duì)比圖6中的應(yīng)力云圖，在船體設(shè)備一體化抗沖擊計(jì)算中，增壓鍋爐的響應(yīng)最惡劣，內(nèi)殼上大面積出現(xiàn)了較大應(yīng)力區(qū)域；由于垂向沖擊輸入最大，BV方法垂向沖擊響應(yīng)相對(duì)其它兩個(gè)方向最惡劣，但比一體化計(jì)算結(jié)果要緩和一些?？梢姴捎靡惑w化方法所得設(shè)備的沖擊環(huán)境最為惡劣。取增壓鍋爐設(shè)備上典型位置單元的Mises應(yīng)力極值對(duì)比見圖7。

圖7 典型位置單元的Mises應(yīng)力極值對(duì)比

BV方法在不同的沖擊加載方向下與一體化加載方法相同考核點(diǎn)的相對(duì)誤差不同，相對(duì)來(lái)說(shuō)一體化與垂向加載的結(jié)果相差最小，最小為20%。采用一體化計(jì)算設(shè)備的沖擊響應(yīng)最劇烈，比相當(dāng)工況下的BV方法計(jì)算的設(shè)備沖擊響應(yīng)要大很多。這就可能出現(xiàn)設(shè)備雖在進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)合格，但安裝在艦艇上時(shí)，設(shè)備的局部惡劣沖擊環(huán)境會(huì)使其遭受破壞。

4 增壓鍋爐在三向協(xié)調(diào)加載下的沖擊響應(yīng)分析

采用BV方法分別對(duì)增壓鍋爐三個(gè)方向進(jìn)行加載，發(fā)現(xiàn)每個(gè)方向的響應(yīng)都顯著小于一體化計(jì)算結(jié)果。由于BV方法計(jì)算工況與一體化計(jì)算工況相當(dāng)，單獨(dú)方向加載計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)的設(shè)備響應(yīng)過(guò)小;采用三個(gè)方向即橫向、縱向、垂向同時(shí)協(xié)調(diào)加載的方法，將BV方法三個(gè)方向的加速度激勵(lì)同時(shí)加載到增壓鍋爐基座上，再與一體化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而更進(jìn)一步分析兩種計(jì)算方法的區(qū)別。

圖8給出了增壓鍋爐在三向協(xié)調(diào)加載工況下與一體化工況下，某兩考核單元的Mises應(yīng)力時(shí)歷曲線，同時(shí)也給出了與上節(jié)中BV方法垂向加載工況結(jié)果對(duì)比?？梢钥闯?，采用三向協(xié)調(diào)加載的方法，對(duì)于不同的部位響應(yīng)程度不同，但總的來(lái)說(shuō)相對(duì)于BV方法單向加載更加劇烈，但是與設(shè)備-船體一體化加載方法相比，其響應(yīng)仍是較弱。取增壓鍋爐設(shè)備上某些考核單元的Mises應(yīng)力極值對(duì)比見圖9。

圖8 不同加載方法下增壓鍋爐某考核單元Mises應(yīng)力響應(yīng)

圖9 增壓鍋爐設(shè)備上某些考核單元的Mises應(yīng)力極值對(duì)比

可以看出，設(shè)備-船體一體化工況比BV三向協(xié)調(diào)加載工況下的響應(yīng)要?jiǎng)×遥槍?duì)不同的部位，可能響應(yīng)劇烈程度相差大至54.96%，相差程度小的也有8%。而三向協(xié)調(diào)加載工況下的鍋爐響應(yīng)并不絕對(duì)大于垂向沖擊工況，這說(shuō)明三向同時(shí)加載對(duì)于鍋爐某些部位可能反而會(huì)減緩沖擊。

5 討論

對(duì)非接觸水下爆炸和非直接命中(對(duì)設(shè)備)而言，鍋爐與其所在整個(gè)艙室甚至船體為一體，其沖擊響應(yīng)必然與艙室結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)設(shè)備的抗沖擊響應(yīng)分析來(lái)說(shuō)，艙室的沖擊響應(yīng)特性是基本環(huán)境，必須對(duì)這個(gè)環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確描述后，分析增壓鍋爐的沖擊響應(yīng)才有前提。實(shí)際增壓鍋爐在底座處的沖擊輸入在各點(diǎn)是不同的，以垂向?yàn)槔?，在底座不同部位選取4個(gè)考核點(diǎn)，見圖10。水下爆炸沖擊下基座不同位置處加速度響應(yīng)見圖11。

圖10 考核點(diǎn)示意

圖11 船體增壓鍋爐一體化水下爆炸沖擊下基座不同位置輸入加速度時(shí)歷曲線

由圖11可以看出，在水下爆炸工況下，設(shè)備基座處所受到的加速度激勵(lì)作用隨著基座不同位置也是不同的，且有較大差異。說(shuō)明在模擬爆炸沖擊作用時(shí)不能簡(jiǎn)單地在設(shè)備基座各處輸入采用同一沖擊波形。

圖12給出了對(duì)應(yīng)于圖10中4個(gè)位置加速度曲線的頻譜分析曲線。

可見，對(duì)于設(shè)備的沖擊輸入，在不同位置處的頻率成分也是不同的。這就說(shuō)明了采用BV單向加載分析以及三向協(xié)調(diào)加載情況，簡(jiǎn)單地認(rèn)為在設(shè)備基座各處輸入采用同一沖擊波形，與真實(shí)沖擊環(huán)境不符。同時(shí)，設(shè)備與船體的耦合作用與邊界條件也是不可忽略的。只有采用增壓鍋爐-船體一體化分析，才能對(duì)增壓鍋爐與船體之間相互耦合作用真實(shí)模擬，而其余兩種方法都無(wú)法考慮設(shè)備與船體之間的耦合作用，三向協(xié)調(diào)加載雖考慮3個(gè)方向沖擊作用的耦合，但僅是對(duì)增壓鍋爐單獨(dú)進(jìn)行沖擊計(jì)算，與船體結(jié)構(gòu)之間的耦合作用卻是無(wú)法考慮。

圖12 船體增壓鍋爐一體化水下爆炸下基座不同位置輸入加速度激勵(lì)的頻譜分析

以上因素造成了BV加載法不能準(zhǔn)確再現(xiàn)設(shè)備在艦上的沖擊環(huán)境，或是設(shè)備響應(yīng)與船體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的交互作用。因此，很有可能出現(xiàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)是合格的，而設(shè)備安裝在艦艇上時(shí)，設(shè)備所在的局部惡劣沖擊環(huán)境會(huì)使該設(shè)備遭到破壞。并且艦艇上設(shè)備所在位置由于艦艇沖擊所形成的局部沖擊環(huán)境不同，設(shè)備的破壞形式也不清楚。

6 結(jié)論

1)BV單向加載時(shí)垂向響應(yīng)比橫向和縱向響應(yīng)大。

2)結(jié)構(gòu)在一體化方法加載下沖擊響應(yīng)最嚴(yán)重，采用一體化加載評(píng)估更安全。

3)三向協(xié)調(diào)加載時(shí)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)仍弱于一體化工況，并且在某些部位的響應(yīng)甚至小于BV垂向加載工況。

4)采用BV單向加載分析以及三向協(xié)調(diào)加載情況，簡(jiǎn)單地在設(shè)備基座各處輸入同一沖擊波形，與真實(shí)沖擊環(huán)境不符。

5) 設(shè)備與船體的耦合作用及邊界條件是不可忽略的，只有采用增壓鍋爐-船體一體化分析，才能真實(shí)模擬增壓鍋爐與船體之間相互耦合作用。

[1] 王貢獻(xiàn),褚德英,張 磊,等.艦船設(shè)備沖擊試驗(yàn)機(jī)研究進(jìn)展[J].振動(dòng)與沖擊,2007,26(2)152-183.

[2] 侯維達(dá),李國(guó)華,趙本立.強(qiáng)碰撞中型沖擊機(jī)及其應(yīng)用[J].船舶科學(xué)技術(shù),1994(6):69-75.

[3] 李伯松.模擬爆炸振動(dòng)的沖擊試驗(yàn)機(jī)簡(jiǎn)介[J].爆炸與沖擊,2002,22(1):79-82.

[4] 徐 敏.船舶動(dòng)力機(jī)械的振動(dòng)沖擊與測(cè)量[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1981.

[5] BV0430/85聯(lián)邦德國(guó)國(guó)防軍艦艇建造規(guī)范[S].沖擊安全性,中國(guó)艦船研究院科技發(fā)展部，譯.1998.

[6] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)委員會(huì).GJB1060.1—91中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)[S].艦船環(huán)境條件要求機(jī)械環(huán)境.

[7] 江國(guó)和，沈榮瀛.艦船機(jī)械設(shè)備沖擊隔離技術(shù)研究進(jìn)展[J].船舶力學(xué),2006(1)：135-144.

[8] 陳海龍,姚熊亮,張阿漫,等.船用典型動(dòng)力設(shè)備抗沖擊性能評(píng)估研究[J].振動(dòng)與沖擊,2007,28(2)45-50.

[9] 劉建湖.艦船非接觸水下爆炸動(dòng)力學(xué)的理論與應(yīng)用[D].無(wú)錫:中國(guó)船舶科學(xué)研究中心,2002.