沖擊荷載作用下船舶管路系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)時(shí)域仿真分析及模型試驗(yàn)

嵇春艷，沈晴晴，于 雯，楊 蘇

(江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

作為艦船生命力的重要組成部分，艦船內(nèi)部復(fù)雜交錯(cuò)管路系統(tǒng)的抗沖擊能力越來越受到關(guān)注。諸多戰(zhàn)例和試驗(yàn)情況表明，艦艇遭受近距離水下爆炸沖擊后，盡管船體結(jié)構(gòu)完整，但許多艦艇系統(tǒng)設(shè)備卻遭到功能性破壞，從而直接影響到其他設(shè)備、系統(tǒng)乃至艦艇的安全，因此管路系統(tǒng)的抗沖擊性能顯得尤為重要。

隨著艦船設(shè)備的沖擊理論研究、數(shù)學(xué)模型、計(jì)算方法及仿真研究等在不斷發(fā)展完善，目前對(duì)設(shè)備的抗沖擊分析經(jīng)歷了靜態(tài)等效法、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法和時(shí)域模擬法3 個(gè)階段。靜態(tài)等效法只考慮了受沖擊結(jié)構(gòu)的質(zhì)量效應(yīng)，當(dāng)一階響應(yīng)是設(shè)備的主要破壞因素時(shí)尚可用;動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法用于分析艦船設(shè)備結(jié)構(gòu)的最大線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)，只能分析線彈性安裝設(shè)備與設(shè)備線彈性破壞。而時(shí)域模擬法可采用實(shí)測(cè)的時(shí)間歷程曲線，或標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)輸入時(shí)間歷程曲線作為設(shè)備的輸入載荷，對(duì)設(shè)備進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)響應(yīng)分析，可分析設(shè)備的非線性響應(yīng)。開展艦船設(shè)備抗沖生命力的研究，最為準(zhǔn)確可信的方法是進(jìn)行實(shí)船水下爆炸試驗(yàn)。但是，實(shí)船水下爆炸試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，較為經(jīng)濟(jì)的數(shù)值試驗(yàn)方法受到廣大發(fā)展中國家青睞。數(shù)值試驗(yàn)方法如何使計(jì)算模型更為接近真實(shí)物理模型，仿真結(jié)果如何提高計(jì)算精度歷來是研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

目前，國內(nèi)關(guān)于艦艇管路系統(tǒng)的抗沖擊研究還比較少，主要集中在理論及數(shù)值模擬方面。汪宏偉，汪玉等應(yīng)用ANSYS—APDL 建立了某型艇動(dòng)力裝置管路系統(tǒng)的參數(shù)化模型，利用MATLAB 軟件編制了程序?qū)τ诠苈废到y(tǒng)沖擊響應(yīng)的靈敏度進(jìn)行分析，該方法為管路系統(tǒng)抗沖擊優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)［1］;李兆俊，汪玉分別采用等效靜加速度法、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析法和設(shè)計(jì)譜法對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行抗沖擊分析計(jì)算［2］;陳剛，汪玉等采用Sobol′法對(duì)半正弦沖擊載荷作用下二維的管路系統(tǒng)材料彈性模量、密度，管壁厚、內(nèi)徑，以及支承剛度及位置，沖擊作用間隔時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行了全局靈敏度分析，得出了單個(gè)或多個(gè)參數(shù)聯(lián)合對(duì)管路系統(tǒng)沖擊位移動(dòng)響應(yīng)的影響［3］;郭晉挺，司馬燦等對(duì)艦艇管路系統(tǒng)的抗沖擊性能進(jìn)行了研究［4］。

本文基于時(shí)域分析法，分別采用接觸單元、固定約束單元模擬管夾、支吊架管路元器件對(duì)管路系統(tǒng)的約束，建立沖擊荷載作用下管路系統(tǒng)的時(shí)域仿真計(jì)算分析方法，并通過典型船舶管路段跌落臺(tái)物理模型試驗(yàn)對(duì)上述仿真方法進(jìn)行有效修正和驗(yàn)證，通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證，本文給出的仿真分析方法仿真精度與試驗(yàn)結(jié)果相比，峰值誤差小于15%。

1 管路系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)時(shí)域仿真分析方法

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析時(shí)，建立數(shù)學(xué)模型通常有3 種方法:集中質(zhì)量法，廣義坐標(biāo)法和有限元法。實(shí)際的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在計(jì)算分析時(shí)，本文采用精度較高的有限元法。

考慮將管路離散為具有n 個(gè)自由度的有限元系統(tǒng)。管路結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程可以表示為:

關(guān)于在時(shí)域求解如式(1)所表述平臺(tái)的振動(dòng)方程一般可以采用2 類方法，一類是直接積分法，就是按時(shí)間歷程對(duì)上述微分方程直接進(jìn)行數(shù)值積分，即數(shù)值解法。常用的數(shù)值解法有中心差分法、紐馬克法和威爾遜θ 法;另一類是模態(tài)(振型)疊加法。如采用中心差分法求解平臺(tái)的時(shí)域動(dòng)力響應(yīng)。

2 典型管路段沖擊試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)使用上海交通大學(xué)的振動(dòng)沖擊平臺(tái)，平臺(tái)尺寸為1.2 m×1.2 m，管路參考實(shí)船動(dòng)力機(jī)艙中海水管路中典型段按1:10 比例設(shè)計(jì)，為了充分利用沖擊平臺(tái)的尺寸，管路設(shè)計(jì)水平長1.2 m，直徑20 mm，壁厚4 mm，包括6 個(gè)彎頭，1 個(gè)法蘭連接件。管路與沖擊平臺(tái)通過槽鋼進(jìn)行固定，槽鋼與管路之間通過4 個(gè)管夾支撐，如圖1所示。測(cè)試系統(tǒng)主要包括，沖擊試驗(yàn)臺(tái)1 個(gè)，加速度傳感器4 個(gè)，信號(hào)分析儀1 臺(tái)，電荷放大器2 臺(tái)，信號(hào)發(fā)生器1 臺(tái)。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

試驗(yàn)沖擊工況共4 種，振動(dòng)臺(tái)跌落高度依次為100 mm，110 mm，120 mm，130 mm。通過沖擊試驗(yàn)記錄4 個(gè)測(cè)試點(diǎn)在4 種工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以便于仿真模型結(jié)果比較。

圖1 管路系統(tǒng)管夾位置Fig.1 Position of clap of pipeline system

2.2 沖擊載荷

試驗(yàn)過程中的加速度響應(yīng)信號(hào)為振動(dòng)臺(tái)面的加速度響應(yīng)信號(hào)，試驗(yàn)臺(tái)的加速度通過與管路兩端的固定連接部位輸入管路，從而模擬管路受沖擊下的動(dòng)力響應(yīng)。在數(shù)值模擬中采用施加整體加速度的方法輸入試驗(yàn)過程中的加速度響應(yīng)信號(hào)來模擬沖擊輸入。試驗(yàn)測(cè)得的跌落時(shí)輸入加速度響應(yīng)如圖3 ～圖6所示，數(shù)值模擬過程中將該加速度響應(yīng)以加速度的輸入方式作為荷載輸入。

圖2 加速度傳感器測(cè)試位置Fig.2 Position of acceleration transducer

3 模型數(shù)值仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

3.1 典型管路系統(tǒng)及元器件建模

采用ANSYS10.0 軟件建立試驗(yàn)管路沖擊模型，采用自下而上的實(shí)體建模技術(shù)，分別采用殼單元?jiǎng)澐止苈?、體單元?jiǎng)澐衷囼?yàn)管夾，共劃分16 387 個(gè)單元，9 557 個(gè)節(jié)點(diǎn)。為了保證數(shù)值模擬的計(jì)算精度，同時(shí)提高計(jì)算效率，對(duì)于管夾與管路之間的連接分別采用接觸單元及剛性位移固定處理，比較2 種邊界條件下數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果。圖7 為使用接觸單元處理管路與管夾連接的有限元模型。圖8 為使用剛性固定方式處理管路與管夾連接的有限元模型。

3.2 兩種約束條件下數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

接觸約束可以較好地反應(yīng)管路與管夾及支吊架的約束情況，但計(jì)算非常耗時(shí);位移約束對(duì)管夾約束和支吊架約束進(jìn)行了簡化處理，計(jì)算效率高，耗時(shí)少。因此為了既能保證計(jì)算精度又能提高計(jì)算效率，本項(xiàng)目對(duì)2 種約束情況下4 種沖擊工況下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了仿真，分別對(duì)4 種工況下2 種不同邊界處理方式進(jìn)行比較，圖9 為工況為120 mm 跌落下位移約束與接觸約束結(jié)果對(duì)比。

圖9 120 mm 通道2 位移約束和接觸約束對(duì)比圖Fig.9 Comparison between displacement constraint and contact constraint at falling off 120 mm

對(duì)4 種工況比較結(jié)果可以看出，2 種約束處理情況的計(jì)算結(jié)果非常接近，因此為了提高計(jì)算效率，采用位移約束的處理方式進(jìn)行數(shù)值仿真分析。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析

分別對(duì)有限元模型輸入4 種獲得的加速度響應(yīng)，依次獲取通道2、通道3 及通道4 的數(shù)值模擬結(jié)果，圖10 ～圖13 分別為從100 mm，110 mm，120 mm 及130 mm 高度跌落時(shí)通道2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的對(duì)比圖。表1 ～表3 分別為通道2、通道3 及通道4 數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果對(duì)比數(shù)據(jù)。

圖13 130 mm 通道2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.13 Comparison of channel 2 between experiment and simulation at falling off 130 mm

表1 通道2 數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1 Comparison of channel 2 between result of experiment and simulation

表2 通道3 數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.2 Comparison of channel 3 between result of experiment and simulation

表3 通道4 數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Comparison of channel 4 between result of experiment and result of simulation

從表1、表2 及表3 中數(shù)值仿真試驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)所得結(jié)果數(shù)值比較可知，誤差均小于15%，因此采用該時(shí)域方法對(duì)管路系統(tǒng)抗沖擊性能進(jìn)行計(jì)算是可行性的，并且能保證計(jì)算精度。

4 結(jié) 語

本文在管路沖擊試驗(yàn)的技術(shù)上，基于多點(diǎn)時(shí)域分析方法及ANSYS 仿真軟件，對(duì)數(shù)值仿真模型邊界條件及安裝因素不斷修正，找出一種與試驗(yàn)結(jié)果誤差小于15%的數(shù)值仿真計(jì)算方法。對(duì)管路系統(tǒng)模擬過程中管路與連接件之間2 種處理方式進(jìn)行比較，大大減少了計(jì)算時(shí)間。本文為管路系統(tǒng)抗沖擊數(shù)值仿真研究提供了新的思路，為系統(tǒng)研究管路系統(tǒng)的抗沖擊性能提供了方便。

［1］汪宏偉，汪玉，趙建華.EFAST 法在管路系統(tǒng)沖擊響應(yīng)中的應(yīng)用研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2010，29(4):197-199.

WANG Hong-wei，WANG Yu，ZHAO Jian-hua.Application of extended Fourier amplitude sensitivity test method in shock response of a piping system［J］.Journal of Vibration and Shock，2010，29(4):197-199.

［2］李兆俊，汪玉，陳學(xué)德，等.管路系統(tǒng)沖擊設(shè)計(jì)方法分析［J］.振動(dòng)與沖擊，2008，27(9):171-174.

LI Zhao-jun，WANG Yu，CHEN Xue-de，et al.Analysis for pipeline system shock design methods［J］.Journal of Vibration and Shock，2008，27(9):171-174.

［3］陳剛，汪玉，毛為民，等.沖擊載荷作用下艦艇管路系統(tǒng)全局參數(shù)靈敏度分析［J］.振動(dòng)與沖擊，2007，26(3):45-48.

CHEN Gang，WANG Yu，MAO Wei-min，et al.Gloabl parameter sensitivity analysis of shipboard piping systems under shock loads［J］.Journal of Vibration and Shock，2007，26(3):45-48.

［4］郭晉挺，司馬燦，劉建湖，等.艦艇管路系統(tǒng)的抗沖擊性能彈性評(píng)估方法［J］.船舶力學(xué)，2004，8(4)108-115.

GUO Jin-ting，SIMA Can，LIU Jian-hu，et al.A evaluation method for the anti-shock strength safety of shipboard pipelines in elastic domain［J］.Journal of Ship Mechanics，2004，8(4):108-115.

［5］姚熊亮，馮麟涵，張阿漫.艦船設(shè)備抗沖擊時(shí)域模擬研究［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2009，52(3):190-194.

YAO Xiong-liang，F(xiàn)ENG Lin-han，ZHANG A-man.Antishock simulation of equipments on board in time-domain［J］.Turbine Technology，2009，52(3):190-194.

［6］趙應(yīng)龍，何琳，黃映云，等.船舶浮筏隔振系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的時(shí)域計(jì)算［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2005，(2):14-17.

ZHAO Ying-long，HE Lin，HUANG Ying-yun，et al.Thc computation of shock response of marine floating raft shockresistant system in the time domain［J］.Noise and Vibration Control，2005，(2):14-17.

［7］周其新，姚熊亮，張阿漫.艦用齒輪箱抗沖擊能力時(shí)域計(jì)算［J］.中國艦船研究，2007，2(3):44-48.

ZHOU Qi-xin，YAO Xiong-liang，ZHANG A-man，et al.Anti-shock performance analysis of marine gear case by time domain calculation［J］.Chinese Journal of Ship Research，2007，2(3):44-48.