艦船聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)剛度評估研究

陳 輝

（海軍駐滬東中華造船集團(tuán)有限公司軍事代表室 上海200129）

艦船聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)剛度評估研究

陳 輝

（海軍駐滬東中華造船集團(tuán)有限公司軍事代表室 上海200129）

采用計(jì)算機(jī)輔助空間有限元前后處理軟件（ViziCAD）對艦船聯(lián)合基座進(jìn)行三維建模，按照GJB/Z119-1999《水面艦艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法》對聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)在艦船正浮靜置、橫搖10°、縱傾5°三種狀態(tài)下進(jìn)行基座剛度仿真計(jì)算與分析。經(jīng)仿真計(jì)算表明：聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有足夠剛度，可滿足裝艦技術(shù)要求。

計(jì)算機(jī)輔助空間有限元前后處理軟件；聯(lián)合基座；結(jié)構(gòu)剛度；評估

引 言

艦船聯(lián)合基座指將天文經(jīng)緯儀、慣性導(dǎo)航平臺、被試導(dǎo)航設(shè)備和變形測量裝置綜合在一個聯(lián)合的基座上，通過高精度變形測量裝置實(shí)時測量、記錄和顯示聯(lián)合基座上下平臺相對于基座平臺的縱橫向相對變形值，消除或減少船體變形對慣性導(dǎo)航設(shè)備系統(tǒng)精度的影響［1-2］。一般的導(dǎo)航設(shè)備基座加工與定位精度控制在3′～5′，而該聯(lián)合基座變形精度需控制在角秒級，從而使基座的設(shè)計(jì)、制造與上艦安裝等極為困難。

本文采用ViziCAD軟件對聯(lián)合基座進(jìn)行建模，分別對艦船正浮靜置、橫搖10°、縱傾5°三種工況下進(jìn)行聯(lián)合基座剛度仿真計(jì)算，對相關(guān)部位的水平偏差值進(jìn)行評估，為聯(lián)合基座設(shè)計(jì)、制造與上艦安裝提供了重要的理論依據(jù)。

1 聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)概況

該聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)主要由上平臺、下平臺和四根連接支撐柱及相關(guān)附件組成。其中：上平臺為半徑約500 mm的圓形結(jié)構(gòu)，下平臺為1 000 mm×1 800 mm 的長方帶橢圓形結(jié)構(gòu)，支柱為四根直徑為108 mm 、長度約1 900 mm的鋼管結(jié)構(gòu)。在兩根支柱間、支撐柱與平臺間，可采用厚度為25 mm 的加強(qiáng)筋板連接。聯(lián)合基座上平臺板裝有天文經(jīng)緯基座，下平臺裝有前后兩個慣性導(dǎo)航主儀器基座以及中心處基準(zhǔn)檢驗(yàn)平臺板，其制造與加工總成要求如圖1所示。

圖1 聯(lián)合基座總成圖

2 結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算與分析

聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算采用GJB/Z119-1999《水面艦艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法》以及ViziCAD 有限元結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)（Sap5程序超級版本）。聯(lián)合基座剛度計(jì)算與分析處理流程為：

（1）利用SuperDrawⅡ模塊構(gòu)建三維模型，生成有限元網(wǎng)格并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲；

（2）利用DecoDes模塊建立數(shù)據(jù)輸入文件；

（3）通過SuperView 模塊校核有限元模型；

（4）使用SSAP等相應(yīng)模塊進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，觀察分析結(jié)果。

2.1 計(jì)算模型

2.1.1 單元劃分

由于聯(lián)合基座剛度極大，其上、下平臺以及基準(zhǔn)平臺均為厚45 mm的B級碳素鋼板，因此，聯(lián)合基座計(jì)算模型采用了三維8節(jié)點(diǎn)四邊形單元劃分模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)?？紤]到上平臺的M12×25固定螺栓孔尺度比一個劃分單元小，在建模時可忽略該螺栓孔對網(wǎng)格的影響。據(jù)此，聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)模型共劃分為2 427個單元，4 918個節(jié)點(diǎn)數(shù)。其模型如下頁圖2所示。

圖2 聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)模型及部分單元劃分示意圖

2.1.2 邊界條件

由于聯(lián)合基座固有振動頻率比連接甲板處的基頻高，因此，可將剛度較小的連接甲板視為聯(lián)合基座的柔性吸振裝置。考慮到艦船靜水橫搖周期約為10 s，縱搖周期約為5 s，比甲板的基模態(tài)所對應(yīng)的周期大（不在一個數(shù)量級），因此，在橫搖、縱搖力的作用下，甲板連接處與聯(lián)合基座不會發(fā)生耦合諧振。為簡化計(jì)算，在實(shí)際建模時，考慮到聯(lián)合基座上平臺連接甲板處為縱向主向梁和橫向交叉構(gòu)件組成的加強(qiáng)板架結(jié)構(gòu)，其等效剛度較大，故可將聯(lián)合基座上平臺與甲板連接處的邊界條件視為剛性固定處理［3-4］，其計(jì)算結(jié)果更為保守。

2.2 載荷工況

對聯(lián)合基座下平臺設(shè)備安裝基座，采用在其質(zhì)心位置處施加設(shè)備集中載荷，同時將艦船搖擺產(chǎn)生的慣性力施加于聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)中作靜力分析，根據(jù)實(shí)際要求，分別對聯(lián)合基座靜置、橫搖10°、縱搖5°三種工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算與分析。

2.2.1 靜置正浮工況

考慮艦船正浮狀態(tài)，僅計(jì)及基座結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及安裝設(shè)備及配載質(zhì)量。

計(jì)算載荷:

式中：Fxx、Fyy、Fzz為基座質(zhì)心處縱向、橫向及垂向力，kN；

M 為基座質(zhì)量（含設(shè)備質(zhì)量），kg。

2.2.2 橫搖10°工況

計(jì)算載荷：

式中：Y、Z 為基座至艦船質(zhì)心距離，m；

為最大計(jì)算橫搖角，rad；TΦ

為艦船靜水橫搖周期，s；R

為艦船質(zhì)心軌跡半徑，m。

2.2.3 縱搖5°工況

計(jì)算載荷：式中：X為基座質(zhì)心至艦船質(zhì)心距離，m;

θmax為最大計(jì)算縱搖角，rad ；Tθ為艦船靜水縱搖周期，s。

2.3 剛度衡準(zhǔn)

聯(lián)合基座剛度需滿足下列要求：

（1）上、下平臺具有一定的設(shè)備承載能力，以減少測試儀器因重力而產(chǎn)生的變形；

（2）在艦船橫搖不大于10°、縱搖不大于5°時，聯(lián)合基座整體結(jié)構(gòu)變形量要求小于10″；

（3）上平臺天文經(jīng)緯儀基座安裝面相對于下平臺中心處的水平基準(zhǔn)平臺的水平精度不大于30″；

（4）下平臺上兩個慣性主儀器安裝面相對于中心處的水平基準(zhǔn)平臺水平精度不大于30″。

3 計(jì)算結(jié)果分析

假定每個節(jié)點(diǎn)只有x、y、z三個方向平移變形，在x、y向的位移只是引起平臺水平轉(zhuǎn)動。由于聯(lián)合基座上、下平臺板每個節(jié)點(diǎn)的三個轉(zhuǎn)動自由度受到約束，各節(jié)點(diǎn)的三個自由度中x、y向的位移比劃分單元尺寸要小得多，因此，對繞x、y平面中某一線為軸轉(zhuǎn)動角度的影響較小，即對平臺偏離水平面的角度改變的影響較小。在計(jì)算結(jié)果分析中，可提取相應(yīng)位置單元的各節(jié)點(diǎn)的z向位移作進(jìn)一步分析。

在計(jì)算結(jié)果中,提取需校核水平度的位置單元的各節(jié)點(diǎn)z向位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別對應(yīng)于上平臺天文經(jīng)緯儀、下平臺基準(zhǔn)平臺板以及安裝慣性導(dǎo)航主儀器設(shè)備基座處結(jié)構(gòu)單元，其對應(yīng)變形位移顯示如圖3所示。

圖3 聯(lián)合基座變形示意圖

根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)可按下列原理求得偏離水平面的角度：

設(shè)有兩個節(jié)點(diǎn)A（x1，y1，z1）和B（x2，y2，z2）在同一水平面內(nèi)，兩個節(jié)點(diǎn)在三個自由度上的變形分別為（dx1，dy1，dz1）和（dx2，dy2，dz2）。由于A、B在同一水平面上，則兩個節(jié)點(diǎn)變形后A1B1相對于同一水平面的偏離角度α如圖4所示:

圖4 兩個節(jié)點(diǎn)水平偏移角度示意圖

在直角三角形A1B1P中可知：

對于聯(lián)合基座上平臺天文經(jīng)緯儀基座、下平臺基準(zhǔn)平臺板、下平臺左右基座等四部分結(jié)構(gòu)處于同一水平面上節(jié)點(diǎn)均按上述原理計(jì)算出任意兩個節(jié)點(diǎn)相對水平轉(zhuǎn)角α，取其極大值作為結(jié)構(gòu)偏差水平面角度，據(jù)此編制處理程序，得到相應(yīng)部位的變形量計(jì)算結(jié)果如下頁表1所示。

表1 不同工況變形計(jì)算值

則相對下平臺基準(zhǔn)板最大變形如表2所示：

表2 不同工況相對下平臺基準(zhǔn)變形值

4 結(jié) 論

通過聯(lián)合基座建模與仿真計(jì)算表明：聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有足夠剛度，并將重力和慣性力等引起的變形量控制在一定范圍，滿足裝艦要求。經(jīng)分析，聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生在縱搖5°的工況下，此時，下平臺前后基座最大變形值約為3.84″，上平臺天文經(jīng)緯儀相對于下平臺基座平臺板最大變形量約為1.06″。針對聯(lián)合基座上平臺天文經(jīng)緯儀基座、下平臺慣性導(dǎo)航設(shè)備主儀器基座以及基準(zhǔn)檢驗(yàn)平臺等具有極高精度要求的安裝基面，可通過制定合理的結(jié)構(gòu)焊接與制造工藝、機(jī)械加工工藝以及船臺（塢）安裝工藝，滿足該聯(lián)合基座裝艦技術(shù)要求。

［1］ 鄭梓禎，蔡迎波.艦船導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn)與鑒定［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［2］ 周金亮，趙巖峰.艦船變形研究［J］.艦船電子工程，2010（5）：198-200.

［3］ 孫麗萍.船舶結(jié)構(gòu)有限元分析［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

［4］ （俄羅斯）O.M.帕利.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)手冊［M］.徐秉漢，譯.北京：國防工業(yè)出版社，2002.

Research on evaluation of structure rigidity of shipborne combined foundation

CHEN Hui
(Naval Military Representative Office Stand in Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

This paper establishes a three dimensions model for shipborne combined foundation by VIZICAD software. According to GJB/Z119-1999《Structural design & Calculation for surface ship》, the foundation rigidity is simulated and analyzed for the combined foundation structure under the condition of floating at the static position, rolling at 10°°and pitching at 5°. The results show that the rigidity of the combined foundation structure is sufficient to meet the shipment technology requirement.

ViziCAD; combined foundation; structure rigidity; evaluation

U663.7

A

1001-9855（2014）02-0049-05

2014-01-24；

2014-02-14

陳 輝（1967-），男，工程師，主要從事艦船裝備總體監(jiān)造工作。