船用除濕箱抗沖擊分析

張二新，陳　恩，鮑　軍，崔　哲，湯繼保，王　坤（合肥通用機(jī)械研究院壓縮機(jī)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230031）

船用除濕箱抗沖擊分析

張二新，陳恩，鮑軍，崔哲，湯繼保，王坤
（合肥通用機(jī)械研究院壓縮機(jī)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230031）

抗沖擊性能是船舶設(shè)備重要考量標(biāo)準(zhǔn)之一，文章應(yīng)用Ansys的DDAM動力設(shè)計(jì)分析法，在除濕箱X、Y、Z三個方向施加沖擊載荷，得到結(jié)構(gòu)譜分析應(yīng)力云圖，校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為船用除濕箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

DDAM；抗沖擊分析；除濕箱

1　引言

隨著對船舶破壞案例的深入分析，非接觸式爆炸所產(chǎn)生沖擊載荷已經(jīng)成為船舶設(shè)備損壞的重要因素之一，因此，船舶設(shè)備都應(yīng)進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)，以檢驗(yàn)其在沖擊載荷下的可靠性。鑒于沖擊試驗(yàn)需要生產(chǎn)樣機(jī)，試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，且有限元分析的不斷成熟，有限元法已成為船舶設(shè)備進(jìn)行抗沖擊分析的有效方式。

船載除濕箱是一種空氣處理單元，廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備冷卻。除濕箱內(nèi)多布置換熱器、電加熱器、風(fēng)機(jī)等原件，框架結(jié)構(gòu)和面板構(gòu)成一個密閉單元，在除濕箱內(nèi)調(diào)節(jié)空氣溫濕度。在沖擊載荷作用下，強(qiáng)度不足導(dǎo)致其局部變形過大，必然造成其性能下降甚至失效，故沖擊強(qiáng)度是其設(shè)計(jì)考核指標(biāo)之一。

2　抗沖擊設(shè)計(jì)方法

目前國際上主要應(yīng)用的設(shè)備抗沖擊設(shè)計(jì)方法有等效靜力法、時域模擬法和動力設(shè)計(jì)分析方法［3］。

等效靜力法（或稱靜g法）是將瞬態(tài)沖擊等效為數(shù)倍重力的靜力學(xué)分析問題，只考慮受沖擊結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布對沖擊的影響，計(jì)算誤差較大，在高頻破壞為設(shè)備主要破壞因素的沖擊分析中不適用，主要用于機(jī)角和固定螺栓的抗沖擊強(qiáng)度校驗(yàn)。時域模擬法采用實(shí)測的時間歷程曲線或標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)輸入時間歷程曲線作為設(shè)備的非線性響應(yīng)，對設(shè)備進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，其優(yōu)點(diǎn)是可以考慮設(shè)備的非線性因素，獲得設(shè)備每一時刻每一節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和變形［4］。

動力設(shè)計(jì)分析（DDAM）是基于結(jié)構(gòu)振動模態(tài)疊加的設(shè)計(jì)分析方法，為了克服等效靜載荷方法的不足，將一臺設(shè)備簡化為多個彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，在計(jì)算出模態(tài)振型和模態(tài)質(zhì)量后，根據(jù)基礎(chǔ)沖擊譜的輸入得出模態(tài)位移和應(yīng)力，通過對模態(tài)解的合成得出設(shè)備的位移和應(yīng)力?；趧恿W(xué)分析理論，美國海軍進(jìn)行一系列水下爆炸試驗(yàn)，通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立起水面艦船和水下潛艇的DDAM設(shè)計(jì)沖擊譜。早期由于計(jì)算條件的限制，計(jì)算模型的自由度較少，對每個沖擊方向都單獨(dú)計(jì)算模型，并未考慮系統(tǒng)的三向耦合作用。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，利用三維模態(tài)理論將DDAM拓展，單向沖擊多向響應(yīng)，從而考慮系統(tǒng)的三向耦合作用，計(jì)算準(zhǔn)確性大為提高。

3　ANYSY的DDAM抗沖擊分析

DDAM是基于沖擊譜的響應(yīng)分析方法，由美國海軍研究所O·Hara和Belsheim在1963年一份報告中提出，該報告以英制單位編寫，故Ansys的DDAM法采用英制單位。DDAM法是規(guī)定了輸入譜值的反應(yīng)譜法，其原理與應(yīng)用反應(yīng)譜方法計(jì)算結(jié)構(gòu)的峰值反應(yīng)相同，只是其設(shè)計(jì)譜值是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，考慮設(shè)備載體、設(shè)備安裝位置、設(shè)備模態(tài)質(zhì)量、沖擊方向等因素，將設(shè)計(jì)沖擊譜作為設(shè)備的沖擊輸入，并對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模態(tài)分析，并對模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行合成，從而求得系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，我國專家學(xué)者進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)證明得出我國軍標(biāo)的國際單位制譜值計(jì)算表達(dá)式，王新敏教授考慮模態(tài)質(zhì)量計(jì)算、沖擊譜加速度單位等因素后，進(jìn)行國際制單位下加速度和速度譜表達(dá)式的轉(zhuǎn)換（見表1），得到了國際制單位下適用于Ansys的DDAM譜分析的沖擊譜計(jì)算參數(shù)（見表2），為國際制單位下模型基于Ansys的DDAM譜分析提供了參考。

表1　國際單位制沖擊設(shè)計(jì)譜表達(dá)式轉(zhuǎn)換［5］

表2　國際制單位下沖擊譜計(jì)算常數(shù)表［5］

4　基于DDAM的除濕箱抗沖擊分析

船用除濕箱是一種電子冷卻設(shè)備，采用ANSYS的DDAM譜分析法，分別從X、Y、Z三個方向?qū)Y(jié)構(gòu)施加沖擊載荷，得出結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析云圖，找出應(yīng)力集中點(diǎn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。

Ansys的DDAM譜分析法基本步驟如下:

（1）設(shè)置單元類型和物性參數(shù)

（2）建立模型并劃分網(wǎng)格

（3）施加載荷

（4）進(jìn)行模態(tài)分析并擴(kuò)展模態(tài)（擴(kuò)展模態(tài)宜采用NRLSUM法）

（5）進(jìn)行DDAM譜分析，并合并模態(tài)

（6）讀取結(jié)果，進(jìn)行后處理

按照除濕箱結(jié)構(gòu)尺寸建立模型，采用SOLID185單元，進(jìn)行10階模態(tài)分析并擴(kuò)展模態(tài)，分別從X，Y，Z三個方向輸入DDAM沖擊譜值進(jìn)行譜分析，使用NRLSUM法進(jìn)行模態(tài)合并，得出三個方向應(yīng)力云圖如圖1、圖2和圖3:

圖1　X方向DDAM譜分析應(yīng)力云圖

從應(yīng)力分析云圖可以看出，施加在X、Y、Z三個方向的沖擊載荷，都產(chǎn)生了相應(yīng)的應(yīng)力集中，查看分析結(jié)果得出三個方向最大應(yīng)力分別為1380.5MPa、530MPa、178.1MPa，遠(yuǎn)超過其材料強(qiáng)度極限，該結(jié)構(gòu)雖然靜態(tài)強(qiáng)度滿足設(shè)備要求，但在抗擊載荷作用下，將導(dǎo)致設(shè)備失效，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要調(diào)整。

從應(yīng)力云圖可看出，應(yīng)力集中多出現(xiàn)在框架結(jié)構(gòu)直角位置，為改善結(jié)構(gòu)抗沖擊性能，在盡可能少增加設(shè)備重量的前提下，對設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，重新建立模型，在易產(chǎn)生應(yīng)力集中的直角位置進(jìn)行圓弧過度，并局部加強(qiáng)，重新進(jìn)行Y方向抗沖擊分析，譜分析應(yīng)力云圖如圖4。

圖2　Y方向DDAM譜分析應(yīng)力云圖

圖3　Z方向DDAM譜分析應(yīng)力云圖

圖4　改進(jìn)結(jié)構(gòu)Y方向DDAM譜分析應(yīng)力云圖

從圖4可看出，相比原結(jié)果，應(yīng)力集中現(xiàn)象稍微緩解，查看分析結(jié)果得出結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值為290MPa，抗沖擊能力大為提高。

5　結(jié)論

本文應(yīng)用Ansys的DDAM方法，對除濕箱框架進(jìn)行抗沖擊分析，從結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析云圖看，船用除濕箱框架在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)避免直角，在盡可能降低設(shè)備重量的前提下，可采用圓弧過度、局部加強(qiáng)提高設(shè)備抗沖擊能力。

6　參考文件

［1］George J.O'Hara，Robert O.Belsheim.Interim design values for shock design of shipboard equipment［R］.1963

［2］國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會GJB1060.1-1991艦船環(huán)境條件要求—機(jī)械環(huán)境［S］.1991

［3］李曉明，陳鳳.艦船浮筏隔振裝置DDAM抗沖擊計(jì)算［J］.噪聲與振動控制，2012，（6）:34-39

［4］張強(qiáng)，何朝勛，楊建軍，等.應(yīng)用Ansys的DDAM的方法進(jìn)行艦船設(shè)備的抗沖擊計(jì)算［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2011，（12）:42-45

［5］王新敏.基于ANSYS的艦船設(shè)備抗沖擊之DDAM研究［J］.國防交通工程與技術(shù)，2013，（1）:1-5

Shock-resistant Capability Analysis of Marine Dehumidify Box

ZHANG Erxin，CHEN En，BAO Jun，CUIZhe，TANG Jibao，WANG Kun
（Hefei GeneralMachinery Research Institute，State Key Laboratory of Compressor Technology，Hefei230031，China）

Shock-resistance is one of the important considerations standard of Marine equipment.In this paper，used the DDAM（dynamic design analysismethod），dehumidify box is applied impact load in X，Y，Z three directions for obtaining the stress distribution diagram，thus，check structure strength under the shock load，provide a reference for the structure design of Marine dehumidify box.

DDAM；Shock-resistance analysis；Dehumidification box

TU834 文獻(xiàn)標(biāo)示碼:B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.017

ISSN1005-9180（2016）02-089-04

2016-2-13

張二新（1989-），男，助理工程師，研究方向:制冷與壓縮機(jī)。Email:zhanghuaitao@126.com