艦船軸系用液壓螺栓抗沖擊性能數(shù)值仿真研究

吳繼東，葉曉明，孫俊洋，張 萌

(1.武昌船舶重工集團有限公司，湖北 武漢430060;2.華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢430074)

0 引 言

艦船推進軸系及其附屬設(shè)備的抗沖擊性能直接影響到艦船的戰(zhàn)斗力和生命力，已越來越受到各國海軍的高度重視［1］?？箾_擊性能評估最好的方法是進行實船爆炸試驗，然而由于其高昂的費用讓許多發(fā)展中國家望而止步。因此，開展相關(guān)抗沖擊仿真研究對提高艦船推進軸系及其附屬設(shè)備的抗沖擊性能具有非常重要的意義。目前，抗沖擊分析方法主要包括頻域方法即動態(tài)設(shè)計分析方法 (Dynamic Design Analysis Method，DDAM)和時域方法［2］。本文基于Abaqus 有限元分析軟件分別采用這2 種方法對艦船軸系用液壓螺栓抗沖擊性能進行仿真研究。

1 液壓螺栓接觸分析建模

1.1 結(jié)構(gòu)組成及模型簡化

液壓螺栓結(jié)構(gòu)組成包括帶外錐面的雙頭螺桿、帶內(nèi)錐面的套筒和2個螺母，如圖1所示。該型液壓螺栓螺桿最大外徑為64 mm，最大長度為369 mm;套筒外徑80 mm，長度160 mm。安裝時將螺桿連同套筒一起裝進螺栓孔后，采用液壓頂進裝置和螺栓拉伸裝置安裝套筒和施加螺栓的預(yù)緊力，然后旋緊螺母。拆卸時采用液壓螺栓拉伸裝置拉伸螺栓，同時在螺桿圓錐面油道內(nèi)注入高壓油。液壓螺栓與傳統(tǒng)鉸制孔螺栓相比，安裝拆卸方便，可避免由于過盈配合引起的金屬摩擦、拉毛等問題。

圖1 液壓螺栓結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sectional view of the hydraulic bolt

艦船推進軸系在工作狀態(tài)下需要傳遞較大的扭矩，這使液壓螺栓錐套在軸段法蘭連接面處承受較大的剪應(yīng)力，需對液壓螺栓整體結(jié)構(gòu)受載后的應(yīng)力進行分析。由于推進軸系是軸對稱結(jié)構(gòu)，傳扭過程可以簡化用法蘭盤模擬。法蘭盤上均布15個相同液壓螺栓，本文取1/15法蘭盤進行仿真計算，其三維網(wǎng)格模型如圖2 (a)所示。本模型大部分采用六面體C3D8R 單元，對螺栓與法蘭接觸部位進行網(wǎng)格加密處理如圖2 (b)所示。液壓螺栓接觸分析模型總的單元數(shù)為63 491，節(jié)點數(shù)為77 251。

1.2 數(shù)值建模

1)接觸關(guān)系的定義

圖2 液壓螺栓接觸應(yīng)力分析網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh model of hydraulic bolt contact analysis

液壓螺栓接觸應(yīng)力分析模型中，螺栓各部件已處于裝配完成時的相對位置。此時，螺桿和套筒、套筒與螺栓孔之間形成過盈配合。在上述過盈配合面之間建立接觸關(guān)系，并通過接觸面間的幾何過盈量來模擬接觸面間的接觸應(yīng)力。

液壓螺栓安裝時需要拉伸器提供116 kN 預(yù)緊力。因此，液壓螺栓安裝后與法蘭接觸面之間產(chǎn)生一定的安裝應(yīng)力。本文將螺桿和2個螺母采用一體化建模，通過定義螺母與法蘭接觸面之間的過盈量來模擬液壓螺栓的安裝應(yīng)力。

2)邊界條件

施加邊界時，固定一個法蘭的2個切斷面。定義一個參考點，并與另一法蘭兩切斷面建立耦合關(guān)系。通過在參考點施加1/15 最大工作扭矩來模擬法蘭所傳遞的扭矩值。

3)載荷步的定義

液壓螺栓接觸應(yīng)力分析的難點在于接觸計算的收斂性。由于接觸是強非線性問題，文中螺桿與套筒之間、套筒與螺栓孔之間、2個螺母與法蘭面接觸面之間以及兩法蘭接觸面之間都存在著接觸關(guān)系。因此，在處理這些接觸關(guān)系時需要采取適當(dāng)?shù)姆椒ú拍鼙ＷC計算的收斂。如:分步建立接觸關(guān)系、在建立接觸的過程中施加臨時邊界等。

2 抗沖擊計算理論

2.1 頻域分析法

依據(jù)GJB1060.1 -1991 開展液壓螺栓抗沖擊性能頻域分析研究。計算三維網(wǎng)格模型如圖3所示，包括連接軸、傳動軸、液壓聯(lián)軸器、15個液壓螺栓等部件?？箾_擊模型網(wǎng)格劃分以六面體C3D8R 單元為主，這樣既能保證計算的效率和精度，對接觸部位和倒角處進行網(wǎng)格加密處理。液壓螺栓抗沖擊分析模型總的單元數(shù)為924 853，節(jié)點數(shù)為1 074 389。

圖3 液壓螺栓抗沖擊分析計算網(wǎng)格模型Fig.3 Mesh model of the anti-shock analysis of hydraulic bolt

由于頻域分析不能考慮非線性問題。因此，在模型中所有的接觸面均定義為Tie。邊界條件設(shè)定為2個軸段外端面全約束。

隨艦艇類型、設(shè)備安裝位置及設(shè)備各級模態(tài)質(zhì)量的不同，頻域分析沖擊譜也不一樣。對于液壓螺栓，屬于A 類設(shè)備。因此，計算公式如下:

式中:A0為加速度，m/s2;V0為速度，m/s;ma為模態(tài)質(zhì)量，t。

依據(jù)GJB1060.1 -1991 要求，采用NRL 方法進行模態(tài)合成，如式(3)所示。

式中:xib為任一階模態(tài)的最大響應(yīng);xia為對應(yīng)a 階模態(tài)的響應(yīng);xi為合成后的響應(yīng)。

通過模態(tài)分析獲得設(shè)計載荷譜，表1 給出3個方向的部分載荷譜值。

表1 不同沖擊方向上的設(shè)計載荷譜(部分)Tab.1 Shock spectrum of different directions (part)

頻域法的計算結(jié)果是動力學(xué)分析得到的沖擊應(yīng)力與設(shè)備連續(xù)工作應(yīng)力的綜合［3-4］。液壓螺栓由于過盈配合產(chǎn)生的接觸應(yīng)力及傳遞扭矩產(chǎn)生的應(yīng)力均為連續(xù)工作應(yīng)力，故計算結(jié)果應(yīng)包含這些應(yīng)力值。

2.2 時域分析法

時域分析法可對各種非線性因素進行精確仿真，是目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的一種計算方法。該方法采用實測的時間歷程曲線或標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)輸入時程曲線作為設(shè)備的沖擊輸入載荷，對設(shè)備進行瞬態(tài)動響應(yīng)分析。本文采用德國艦船沖擊標(biāo)準(zhǔn)BV043/85 規(guī)定的雙三角加速度時間歷程曲線，如圖4所示。

根據(jù)BV043/85 要求，相關(guān)參數(shù)計算方法如下:

1)設(shè)備質(zhì)量小于5 t的隔離系統(tǒng)，抗沖擊指標(biāo)見表2［6］。

圖4 雙三角形時域曲線Fig.4 Double triangle curve on time domain

表2 BV043/85 中抗沖擊譜Tab.2 Shock spectrum of BV043/85

2)對于設(shè)備質(zhì)量大于5 t的隔離系統(tǒng)，沖擊譜速度和加速度需要進行折減，折減的公式為:

式中:m為隔離安裝的設(shè)備質(zhì)量，t;m0為質(zhì)量常數(shù)，t;A為折減后的加速度譜值，g;V為折減后的速度譜值，m/s。

計算輸入載荷依據(jù)表2和圖4 來確定，圖4為從沖擊譜轉(zhuǎn)換為等效的時域加速度曲線。圖中的參數(shù)計算方法如下:

時域法分析時，液壓螺栓抗沖擊計算模型如圖3所示。由于時域法可以把各種非線性因素考慮進來，因此各接觸面定義為Contact。邊界條件為約束兩軸段的外端面，同時釋放其沖擊方向的自由度，三角沖擊波施加在2個軸端面上。

由于整個抗沖擊模型相對于液壓螺栓較大，因此，本文采用子模型算法對液壓螺栓進行詳細計算。子模型法又稱切割邊界法或特定位移法，是一種基于圣維南原理精確計算結(jié)構(gòu)中的細部構(gòu)件方法。該方法用整體模型切割邊界上的位移作為子模型的位移邊界條件，對子模型進行重新計算，可得到更為精確的計算結(jié)果［7］。

子模型分析步驟為:

1)對整體模型進行分析;

2)對子模型建模，并使子模型在總體坐標(biāo)系中的位置與其在整體模型中的相應(yīng)位置一致;

3)提取子模型切割邊界條件;

4)分析子模型，使用子模型結(jié)果文件，讀入切割邊界條件文件，并在子模型上施加切割邊界條件以外的載荷和約束。

3 材料屬性及計算工況

本文以某型艦船軸系用液壓螺栓為分析對象，對其抗沖擊性能進行研究。液壓螺栓各部件的材料屬性如表3所示。最大扭矩工況下推進軸系所傳遞的扭矩值為3 800 kN·m。

表3 液壓螺栓各部件材料屬性Tab.3 Material properties of each component

4 計算結(jié)果分析

4.1 接觸應(yīng)力計算結(jié)果

最大扭矩工況下，液壓螺栓接觸應(yīng)力仿真計算結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 整體模型應(yīng)力分布Fig.5 Material properties of each component

圖6 螺桿及螺母應(yīng)力分布Fig.6 Stress contours of the screw and nut

圖7 套筒應(yīng)力分布Fig.7 Stress contours of the sleeve

圖8 法蘭應(yīng)力分布Fig.8 Stress contours of the flange

從以上結(jié)果分析可知，液壓螺栓所有零件應(yīng)力均遠小于材料屈服極限。整個結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在液壓螺栓套筒承受兩法蘭面剪切的位置，最大值為565.6 MPa。其余大部分區(qū)域應(yīng)力較平均，在320 MPa 左右。

4.2 頻域分析計算結(jié)果

抗沖擊計算無論頻域還是時域都應(yīng)進行垂向、縱向和橫向的評估。由于垂向沖擊破壞最大，本文只對垂向結(jié)果進行分析。液壓螺栓抗沖擊頻域計算結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖9 整體模型垂向沖擊應(yīng)力云圖Fig.9 The whole model stress contours upon vertical shock

圖10 螺桿及螺母垂向沖擊應(yīng)力云圖Fig.10 The screw and nut stress contours upon vertical shock

圖11 套筒垂向沖擊應(yīng)力云圖Fig.11 The sleeve stress contours upon vertical shock

該液壓螺栓頻域垂向沖擊應(yīng)力綜合結(jié)果為:螺桿最大應(yīng)力419.60 MPa 出現(xiàn)在螺桿與螺母連接的過渡圓角處;套筒最大應(yīng)力571.07 MPa，出現(xiàn)在套筒被兩法蘭面剪切的內(nèi)表面。液壓螺栓各部件最大應(yīng)力都符合GJB1060.1 -1991 抗沖擊性能要求，小于材料屈服極限。

4.3 時域分析計算結(jié)果

時域法子模型計算結(jié)果如下所示。由圖15和圖16 可知，螺桿和套筒最大應(yīng)力出現(xiàn)在沖擊的初始時刻，分別為411.32 MPa和622.46 MPa，均小于其材料的屈服極限，符合抗沖擊性能要求。

圖12 0.603 ms 子模型整體時域垂向沖擊應(yīng)力云圖Fig.12 The whole model stress contours upon vertical shock on time domain (0.603 ms)

圖13 0.603 ms 時刻螺桿及螺母時域垂向沖擊應(yīng)力云圖Fig.13 The screw and nut stress contours upon vertical shock on time domain (0.603 ms)

圖14 0.603 ms 時刻套筒時域垂向沖擊應(yīng)力云圖Fig.14 The sleeve stress contours upon vertical shock on time domain (0.603 ms)

圖15 時域垂向沖擊套筒某參考點(節(jié)點17422)應(yīng)力時歷曲線Fig.15 The time history plot of stress at node 17422 on sleeve

圖16 時域垂向沖擊螺桿某參考點(節(jié)點56715)應(yīng)力時歷曲線Fig.16 The time history plot of stress at node 56715 on crew

5 結(jié) 語

本文分別對液壓螺栓在最大扭矩工況下的接觸應(yīng)力及抗沖擊性能進行仿真計算。分析結(jié)果表明:

1)在最大扭矩工況下，液壓螺栓套筒在2個法蘭面接觸處受較大剪切應(yīng)力，是該液壓螺栓最危險的部位。在設(shè)計加工過程中可采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM行強化。

2)抗沖擊各部件應(yīng)力時歷曲線顯示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在沖擊的初始時刻，且都小于材料屈服強度，符合抗沖擊性能要求。

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