基于FEM的魚雷低頻振動環(huán)境預(yù)示方法研究*

(1.中國船舶重工集團公司第705研究所 西安 710075)(2.水下信息與控制重點實驗室 西安 710075)

基于FEM的魚雷低頻振動環(huán)境預(yù)示方法研究*

馬銳磊1,2尹韶平1,2曹小娟1嚴海1秦曉輝1

(1.中國船舶重工集團公司第705研究所 西安 710075)(2.水下信息與控制重點實驗室 西安 710075)

針對魚雷設(shè)計初期振動試驗條件制定所需實測數(shù)據(jù)不足的問題,論文采用有限元法對魚雷典型部位低頻振動環(huán)境進行預(yù)示:運用MSC.Nastran對先期建立的全雷有限元模型進行模態(tài)分析,并與試驗數(shù)據(jù)對比的結(jié)果說明了模型的準(zhǔn)確性;以實測振動加速度譜作為激勵,對雷體典型部位的振動量級進行預(yù)示,總振動級結(jié)果與試驗差值在±3dB以內(nèi);加速度譜線主要峰值吻合度較高,趨勢基本一致。通過試驗驗證說明了該方法的有效性,可以為魚雷低頻振動試驗條件的制定提供理論支撐。

模態(tài)分析;振動響應(yīng)分析;環(huán)境預(yù)示;仿真

ClassNumberU663

1 引言

魚雷是一種涉及機械、電子、力學(xué)、動力、控制、水聲、爆炸等多學(xué)科的高技術(shù)水下精確制導(dǎo)武器。由于使用平臺多樣,在其全壽命周期內(nèi)要經(jīng)歷運輸、裝載、貯存、空中飛行、入水、水下航行等多個環(huán)節(jié),所經(jīng)歷的振動環(huán)境十分復(fù)雜。

如設(shè)計不當(dāng),環(huán)境適應(yīng)能力不強,在使用中會出現(xiàn)某些零部件或電子元件破壞,導(dǎo)致魚雷不能正常工作,嚴重時還會危及到攜帶平臺的安全[1]。因此,充分了解魚雷的環(huán)境特點,分析各環(huán)境因素對魚雷的影響,提出合理的環(huán)境試驗條件,是魚雷研制中重要而不可或缺的工作內(nèi)容。

為了滿足新產(chǎn)品的設(shè)計需要,試驗條件必須在缺乏新產(chǎn)品的實測環(huán)境數(shù)據(jù)條件下完成,所需的環(huán)境只能靠環(huán)境預(yù)示解決。因此,環(huán)境預(yù)示的準(zhǔn)確性將直接影響試驗條件的合理性。

在航空航天領(lǐng)域,振動環(huán)境預(yù)示技術(shù)發(fā)展迅速,得到大量研究成果。Ali[2]、Tsoi[3]等利用耦合有限元/邊界元方法計算衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)在混響聲場作用下的動力學(xué)響應(yīng),Yarza[4]等利用VA One軟件的有限元/邊界元方法,計算固支狀態(tài)衛(wèi)星反射天線結(jié)構(gòu)在混響聲場中的加速度響應(yīng),都得到了較好的結(jié)果。國內(nèi)學(xué)者[5]也開始應(yīng)用商業(yè)軟件中的有限元/邊界元方法開展典型結(jié)構(gòu)在噪聲激勵下的響應(yīng)分析研究。

但是,目前國內(nèi)在制定魚雷型號振動試驗條件時多是在參考軍用標(biāo)準(zhǔn)或同類產(chǎn)品研制經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行剪裁而得出。所制定的試驗條件往往與魚雷所承受的實際環(huán)境條件有較大差別。因此,迫切需要開展魚雷振動傳遞特性研究,在綜合分析試驗測試結(jié)果的基礎(chǔ)上,進行魚雷振動環(huán)境條件的預(yù)示,為科學(xué)制定環(huán)境試驗條件提供理論依據(jù)。

本文采用有限元法(FEM),建立魚雷結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)計算模型,運用Nastran對其進行自由狀態(tài)下的模態(tài)分析,通過試驗數(shù)據(jù)驗證模型的準(zhǔn)確性。然后以實測的振動試驗數(shù)據(jù)作為輸入條件,計算雷內(nèi)特征部位的振動響應(yīng)值,研究在少量外載荷振動數(shù)據(jù)條件下,分析魚雷各組件的振動環(huán)境,并研究艙段及關(guān)鍵部位的魚雷低頻振動環(huán)境試驗條件預(yù)示方法。研究成果可以為制定魚雷振動試驗條件提供理論依據(jù)。

2 模態(tài)理論

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模態(tài)分析的核心內(nèi)容,就是通過計算或試驗的方法,確定用來描述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性的固有頻率、阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù)[6]。在數(shù)學(xué)上,就是求解結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程的特征值或廣義特征值的問題。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力學(xué)方程通常可以表示為

(1)

略去結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運動微分方程中的阻尼力項和外載荷項,得到系統(tǒng)無阻尼自由振動的動力學(xué)方程:

(2)

令式(2)的解為

{q}={A}sin(ωt+φ)

(3)

式中:{A}為振幅,由初始條件決定;φ為相位角,由初始條件決定;ω為固有頻率,由系統(tǒng)固有特性決定。

代入式(2)可得

([K]-ω2[M]){A}sin(ωt+φ)=0

(4)

由于{A}≠0,有

|[K]-ω2[M]|=0

(5)

3 有限元建模及模態(tài)驗證

3.1 全雷有限元建模

魚雷由自導(dǎo)頭段、操雷段、電子艙段、燃料艙段、動力艙段及尾段組成,建?？傮w思路是先建立艙段模型,然后將各艙段模型整合成全雷模型。建模時,首先將幾何模型導(dǎo)入有限元前處理軟件HyperMesh中,忽略模型中小孔、倒角等微小特征。對魚雷薄殼體,有限元建模時按結(jié)構(gòu)的力學(xué)功能[7]可把魚雷殼體簡化為2D shell板殼單元[8];環(huán)向加強筋可用1D beam梁單元建模;一些零部件對全雷剛度矩陣影響很小,但對全雷的質(zhì)量矩陣影響很大[9],可用0D質(zhì)量元建模。全雷模型如圖1所示,整個模型單元總數(shù)為48188個,節(jié)點總數(shù)50441個。

圖1 全雷有限元模型

3.2 模態(tài)驗證

將模型文件以bdf格式導(dǎo)入MSC.Nastran中進行模態(tài)計算,選用蘭索斯(Lanczos)法求解。其一階、二階及三階模態(tài)的固有頻率分別為27.9Hz、55.1Hz和88.6Hz。

為驗證模型仿真計算的精確度,進行了全雷模態(tài)試驗,模型仿真計算固有頻率值與試驗結(jié)果對比情況見表1,模態(tài)振型對比結(jié)果如圖2～圖5所示。

表1 試驗與仿真結(jié)果對比(單位:Hz)

圖2 試驗第一階振型

圖3 計算第一階振型

圖4 試驗第二階振型

圖5 計算第二階振型

從有限元仿真與試驗結(jié)果對比,可以看出:二者模態(tài)振型基本一致,仿真計算的固有頻率值與試驗數(shù)據(jù)相對誤差控制在6%以內(nèi),滿足工程計算要求,說明了模型的準(zhǔn)確性。為后續(xù)振動響應(yīng)分析提供支撐。

4 振動環(huán)境預(yù)示方法

振動環(huán)境預(yù)示是在綜合分析產(chǎn)品環(huán)境剖面的基礎(chǔ)上,準(zhǔn)確獲取產(chǎn)品受到的激勵條件,通過特定方法得到產(chǎn)品特征部位的振動響應(yīng)數(shù)據(jù),進而制定出產(chǎn)品的振動試驗條件。

目前振動環(huán)境預(yù)示方法主要有三種:外推法、統(tǒng)計能量法和有限元法。外推法由于不能對系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)進行預(yù)示;無法給出結(jié)構(gòu)的詳細頻率特性以及不能用于聯(lián)合激勵下的環(huán)境預(yù)示等限制,應(yīng)用范圍有限。統(tǒng)計能量法從能量角度對系統(tǒng)進行分析,不依賴于系統(tǒng)參數(shù),主要應(yīng)用于模態(tài)密集的高頻系統(tǒng)振動環(huán)境預(yù)示。對于低頻振動環(huán)境,主要通過有限元動力學(xué)響應(yīng)計算的方法進行預(yù)示,該方法的關(guān)鍵是建立一個準(zhǔn)確的振動分析模型,在此基礎(chǔ)上,分析激勵振源并選擇激勵輸入的形式(例如加速度、功率譜及力等),確定振動響應(yīng)輸出點,對結(jié)構(gòu)中難以得到測量數(shù)據(jù)的典型位置的振動量值進行預(yù)示,通過對不同工況下結(jié)構(gòu)振動特性的分析,得到最為惡劣工況下的振動響應(yīng)數(shù)據(jù),提出初步的振動試驗條件指導(dǎo)設(shè)計工作,并在后續(xù)試驗基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化。

5 振動響應(yīng)分析

本文針對魚雷低頻(1Hz～1kHz)振動環(huán)境進行預(yù)示,選擇有限元振動響應(yīng)計算方法。根據(jù)魚雷實航試驗數(shù)據(jù),以發(fā)動機艙后隔板為激勵源;以實測振動加速度譜為輸入,對魚雷尾段、燃料艙段殼體及尾段舵機安裝基座1kHz頻段內(nèi)的振動響應(yīng)進行了分析計算,通過與實際測試數(shù)據(jù)對比,驗證了預(yù)示方法的有效性。

5.1 輸入激勵

模型中激勵點的位置如圖6所示,根據(jù)試驗測點的布置情況約束激勵點軸向及徑向。輸入載荷的加速度頻譜曲線如圖7～圖8所示,頻率分辨率為1Hz,頻率范圍為1Hz～1kHz。

圖6 激勵點位置

圖8 徑向激勵譜線

5.2 輸出響應(yīng)點

發(fā)動機激勵產(chǎn)生的振動最終傳遞到魚雷各艙段的殼體及組件上,引起相應(yīng)部位的振動響應(yīng)。本文選取燃料艙殼體、尾段殼體及舵機安裝基座三個典型輸出響應(yīng)點進行計算。測點位置如圖9～圖10所示。

圖9 殼體輸出響應(yīng)點位置

圖10 舵機安裝基座輸出點位置

5.3 結(jié)果驗證

采用模態(tài)疊加法[10]求解結(jié)構(gòu)輸出點的加速度響應(yīng)譜,通過有限元計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的對比驗證計算方法的有效性。1kHz頻段內(nèi)總振動級對比結(jié)果如表2所示,仿真計算與試驗譜線對比結(jié)果如圖11～圖13所示。

表2 試驗與仿真結(jié)果對比(單位:dB)

圖11 燃料艙殼體譜線對比

圖12 尾段殼體譜線對比

圖13 舵機安裝基座譜線對比

從對比結(jié)果情況可以看出:仿真計算與試驗總振動級差值在±3dB以內(nèi),相對誤差在2.1%以內(nèi);譜線中各主要峰值點吻合度較高,譜線總體趨勢基本一致。這是由于采用模態(tài)疊加法,所建的有限元模型較好地模擬了實際結(jié)構(gòu),所以結(jié)構(gòu)測點在一些主要模態(tài)上頻率比較接近。

計算譜線與試驗有一些差異可能的原因是:

1)魚雷在運行過程中,所受振動環(huán)境復(fù)雜,存在許多激勵源。實際上,雷體工作中的振動響應(yīng)是所有激勵源共同作用的結(jié)果。

2)仿真計算時,激勵點位置選擇不可能與試驗中的測量點完全重合,由此帶來一定的誤差。

3)有限元模型與實際結(jié)構(gòu)不可避免地存在一定差異,導(dǎo)致結(jié)果存在誤差。

6 結(jié)語

1)通過全雷有限元仿真計算與試驗數(shù)據(jù)的對比說明了模型的準(zhǔn)確性,為振動響應(yīng)計算提供模型支撐。

2)通過有限元振動響應(yīng)分析,以加速度譜為激勵,對魚雷典型部位的振動響應(yīng)進行了計算,與試驗測試數(shù)據(jù)對比表明:譜線中各主要峰值點吻合度較高,譜線總體趨勢基本一致;總振動級差值在±3dB以內(nèi),相對誤差在2.1%以內(nèi)。說明通過有限元振動響應(yīng)分析的方法對魚雷低頻振動環(huán)境進行預(yù)示是有效的。此方法可以為魚雷振動試驗條件制定提供理論支撐。

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Torpedo’sVibrationEnvironmentPredictionMethodofLowFrequencyBasedonFEM

MA Ruilei1,2YIN Shaoping1,2CAO Xiaojuan1YAN Hai1QIN Xiaohui1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710075)

(2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi’an 710075)

To solve the problem of lacking of test data before establishing guideline for environmental test. A method of torpedo’s vibration environment prediction of low frequency is proposed. Modal analysis of torpedo under free-free state based on the finite element model built up earlier and the analysis of the torpedo’s vibration response exited by acceleration spectrum lines are carried out by using MSC. Nastran. The comparison results between simulation and modal testing indicate that the global vibration level was in ±3dB, and the spectrum lines were similar. Therefore, the validity of the vibration environment prediction method using finite element model is verified.

modal analysis, analysis of vibration response, vibration environment prediction, simulation

2013年11月4日,

:2013年12月10日

馬銳磊,男,碩士研究生,研究方向:武器系統(tǒng)總體技術(shù)。

U663DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.038