并列式三卷筒船用絞車沖擊特性

計　晨，鄒　斌, 2，劉　棟,2，傅　健, 2，黃　鑫, 2( .海軍裝備研究院，北京006；2.沈陽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，沈陽0870)

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并列式三卷筒船用絞車沖擊特性

計晨1，鄒斌1, 2，劉棟1,2，傅健1, 2，黃鑫1, 2
( 1.海軍裝備研究院，北京100161；2.沈陽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，沈陽110870)

摘要：為提高船用絞車抗沖擊性能及為今后船用絞車設(shè)計提供參考，參照標準GJB1060制定船用絞車沖擊環(huán)境，并利用ANSYS有限元軟件對絞車沖擊特性進行研究，對絞車在垂向、橫向和縱向三個方向沖擊載荷作用下加速度與應(yīng)力響應(yīng)進行分析，得到船用絞車整體在垂向、橫向和縱向的最大應(yīng)力響應(yīng)比值以及最大應(yīng)力值出現(xiàn)位置，概括絞車上六個電機在不同載荷作用下加速度響應(yīng)特性，并對提升絞車抗沖擊特性進行簡單優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：振動與波；ANSYS；沖擊特性；船用絞車

聲納是水面艦艇進行水下監(jiān)測的主要技術(shù)裝備，用于對水下目標進行探測、分類、定位和跟蹤，能夠及時地發(fā)現(xiàn)遠方海域內(nèi)發(fā)生的變化，爭取海上的主動權(quán)。并列式三卷筒船用絞車則是用于安置聲納必不可少的設(shè)備，絞車與收放架聯(lián)合使用將聲納設(shè)備穩(wěn)固可靠地安裝于水面艦艇的尾部，能夠使聲納更加準確地檢測出各種信號[1–5]。

絞車安裝于船體外甲板上，可能處于水下爆炸造成的沖擊環(huán)境之中，一旦絞車由于沖擊作用而發(fā)生錯位或者破壞，間接地影響到聲納安裝位置的穩(wěn)定性，可能影響聲納測試的精確性。因此絞車可歸類為A級設(shè)備，有必要對絞車的沖擊響應(yīng)數(shù)值進行計算，這對于提高絞車的抗沖擊性能，具有很重要的現(xiàn)實意義。本文采用有限元軟件ANSYS對絞車進行抗沖擊數(shù)值仿真試驗，分析其具體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)以及不同部件抗沖擊能力的極限值，對絞車的設(shè)計可提供重要的參考。

1　絞車抗沖擊分析方法

采用時域模擬法對絞車進行沖擊仿真試驗，便于得到更精準的沖擊響應(yīng)[6]。

對絞車進行沖擊試驗時，其受到的沖擊載荷可使用實際測得的時間歷程曲線，也可以輸入標準的時間歷程曲線?；谂灤艿降臎_擊環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，實測曲線不具有典型性的原因，故采用相關(guān)標準規(guī)范[7，8]中雙正弦曲線相結(jié)合的方法確定沖擊環(huán)境，對絞車進行沖擊加載和分析。

在標準規(guī)范中，采用簡化方法將準沖擊響應(yīng)譜轉(zhuǎn)化成等效的時域加速度的加載曲線。常用典型設(shè)計沖擊譜線（見圖1），包括等位移、等速度和等加速度譜線，其中最大位移譜值為D0，速度譜值為V0，最大加速度譜值為A0。

圖1　常用典型設(shè)計沖擊譜

根據(jù)德國軍標，圖1沖擊譜線可以轉(zhuǎn)換成正弦變化的時間歷程曲線（圖2），該曲線由正負兩個正弦脈沖構(gòu)成。二者面積大小相同，可使基座的速度最終為0。曲線中各數(shù)值之間的關(guān)系如下

圖2　正弦時間歷程曲線

對于等速度譜值未知的情況，可采用單正弦變化歷程作為載荷。本文選擇兩折線沖擊譜進行加載（載荷變化歷程曲線如圖3所示），加載于絞車支架座腳上，沖擊停止后，絞車的沖擊振動并未停止。為了充分考慮絞車的受力情況，在沖擊完成后，再增加一段加速度為零的作用時間。

2　絞車模型的建立

采用前處理軟件Hyper Mesh建立絞車完整的有限元模型，見圖4。

根據(jù)相關(guān)標準規(guī)范中對A級設(shè)備的失效規(guī)定，已知材料性能參數(shù)后，求得設(shè)備響應(yīng)的屈服應(yīng)力σ，該響應(yīng)屈服應(yīng)力的強度理論參照Von Mises應(yīng)力，當(dāng)σ≥σs時，則認為該設(shè)備失效破壞。所研究的絞車屬于A級設(shè)備，故采用此規(guī)定判斷絞車在沖擊載荷下的失效破壞狀況。

圖3　實際施加的載荷時間歷程曲線

圖4　絞車有限元模型圖

3　絞車沖擊仿真計算及結(jié)果分析

3.1絞車沖擊仿真計算

將絞車受到的沖擊載荷，根據(jù)國家軍用標準1060轉(zhuǎn)換成垂向、橫向和縱向三個方向的沖擊載荷如表1所示，對絞車進行三次不同方向的沖擊仿真試驗，得到三個方向的仿真結(jié)果。

表1　加載的沖擊載荷

3.1.1絞車在垂向沖擊下的仿真數(shù)值結(jié)果

絞車6個電機基座部位的加速度響應(yīng)曲線對比見圖5，絞車整體響應(yīng)Vonmises應(yīng)力云圖見圖6。

3.1.2絞車在橫向沖擊下的仿真數(shù)值結(jié)果

絞車6個電機基座部位的加速度響應(yīng)曲線對比見圖7，絞車整體Vonmises應(yīng)力響應(yīng)云圖見圖8。

圖5　電機基座加速度響應(yīng)對比圖

圖6　垂向整體vonmises應(yīng)力響應(yīng)云圖

圖7　電機基礎(chǔ)加速度響應(yīng)對比圖

圖8　橫向整體Vonmises應(yīng)力響應(yīng)云圖

3.1.3絞車在縱向沖擊下的仿真數(shù)值結(jié)果

絞車6個電機基座部位的加速度響應(yīng)曲線對比見圖9，絞車整體Vonmises應(yīng)力響應(yīng)云圖見圖10。

3.2數(shù)值試驗結(jié)果分析

3.2.1三向沖擊下Von mises應(yīng)力對比

根據(jù)絞車材料的屈服強度σs，對比圖6、圖8、圖10的應(yīng)力云圖并結(jié)合表1，可得出絞車在三個方向沖擊下最大應(yīng)力值均小于材料屈服強度，因此絞車在沖擊載荷作用下均是安全的，零件均不會出現(xiàn)破壞。在沖擊載荷作用下最大應(yīng)力出現(xiàn)位置：垂向沖擊時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在底座支架與支腿之間連接處；橫向沖擊時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在電機1與控制箱連接處；縱向沖擊時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在絞盤3引導(dǎo)口支架處。

圖9　電機基礎(chǔ)加速度響應(yīng)對比曲線

圖10　縱向整體Vonmises應(yīng)力響應(yīng)云圖

表2　最大應(yīng)力響應(yīng)對比表

3.2.2三向沖擊下加速度分析

對比圖5、圖7和圖9，對于垂向、橫向與縱向電機加速度響應(yīng)曲線，電機的最大加速度響應(yīng)出現(xiàn)在輸入最大加速度之后并且有一定的滯后；電機加速度響應(yīng)峰值均大于輸入加速度峰值。

沖擊載荷作用下，6個電機加速度峰值變化趨勢見表3。

觀察表4，并對比圖5、圖7和圖9可見，始終是電機5最早出現(xiàn)加速度峰值。由圖6可得，電機5距離施加載荷位置距離最近，故其響應(yīng)最快，因此加速度峰值出現(xiàn)得最早。

表3　電機加速度峰值對比

6個電機加速度峰值出現(xiàn)的先后順序見表4。

表4　電機加速度峰值出現(xiàn)順序

4　結(jié)語

對于絞車進行沖擊仿真實驗后，可以得出以下結(jié)論：

(1)在垂向沖擊作用下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在底座支架與支腿之間連接處；在橫向沖擊作用下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在電機1與控制箱連接處；在縱向沖擊作用下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在絞盤3引導(dǎo)口支架處。

(2)不同方向沖擊載荷作用下，絞車均在許用安全范圍之內(nèi)，通過對絞車局部位置的優(yōu)化，能夠進一步地降低絞車的最大應(yīng)力響應(yīng)。

(3)相同方向的沖擊作用下，六個不同位置的電機最大加速度響應(yīng)峰值出現(xiàn)的時刻不同，且加速度值大小也不同；不同方向的沖擊作用下，六個不同位置的電機最大加速度響應(yīng)出現(xiàn)的時間順序也不同。

參考文獻：

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Shock Characteristics of a Three-reel Parallel-type Marine Winch

JI Chen1, ZOU Bin1, 2, LIU Dong1, 2, FU Jian1, 2, HUANG Xin1, 2
( 1. Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China; 2. School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

Abstract:In order to improvetheanti-shock characteristicsof marinewinchesand providesomereferencefor future marinewinch design and development, theshock environment wasgenerated for themarinewinch testing according to the domestic standard“GJB1060”. The shock characteristics of a three-reel parallel-type marine winch were studied with the finite element software of ANSYS. Acceleration and stress responses of the winch under the shock load in the transverse, longitudinal and vertical directions were analyzed. The maximum stress response ratios of the whole marine winch in the threedirections and thepositions for themaximum stresses wereobtained. Theacceleration responsecharacteristics of the six motorsof thewinch under different loading conditionsweresummarized, and theanti-shock characteristicsof thewinch wereprimarily optimized.

Key words:vibrationandwave;ANSYS; shock characteristics; marinewinch

作者簡介：計晨（1981-），男，湖北人，博士，主要研究方向為艦船設(shè)備抗沖擊技術(shù)。E-mail:jichen99215@163.com

收稿日期：2015-06-10

文章編號：1006-1355(2016)02-0076-04

中圖分類號：O422.6

文獻標識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.016