基于模態(tài)疊加算法的輕型魚雷雷載設(shè)備振動環(huán)境研究

張溢文, 尹韶平, 王志杰, 郭 君, 張志民, 高 山

?

基于模態(tài)疊加算法的輕型魚雷雷載設(shè)備振動環(huán)境研究

張溢文1,2, 尹韶平1, 王志杰1, 郭 君1, 張志民1, 高 山1

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司第705研究所, 陜西西安, 710077; 2. 水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西西安, 710077)

為解決輕型魚雷雷載設(shè)備振動環(huán)境復(fù)雜, 實(shí)測數(shù)據(jù)不足的問題, 針對魚雷雷載電子設(shè)備振動環(huán)境開展研究。以有限元方法為基礎(chǔ)建立了輕型魚雷電子艙段的計算模型, 使用ANSYS Workbench進(jìn)行模態(tài)分析并提取了固有頻率和振型等模態(tài)數(shù)據(jù)。通過與模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比, 驗(yàn)證了計算模型的正確性。隨后使用模態(tài)疊加算法進(jìn)行了各雷載設(shè)備振動環(huán)境預(yù)示。針對預(yù)示結(jié)果出現(xiàn)的隔板裝配設(shè)備力學(xué)環(huán)境惡劣的問題, 提出了改進(jìn)措施。與原方案對比可知, 改進(jìn)方案的振動均方根數(shù)據(jù)降幅超過40%, 具有工程實(shí)用價值, 可在輕型魚雷結(jié)構(gòu)設(shè)計中推廣。

魚雷雷載設(shè)備; 模態(tài)疊加法; 模態(tài)分析; 模態(tài)試驗(yàn); 振動環(huán)境預(yù)示

0 引言

輕型魚雷作為魚雷的重要分支, 主要用于打擊敵方常規(guī)動力潛艇和核動力潛艇, 可裝備大、中型水面艦艇、反潛直升機(jī)和固定翼反潛飛機(jī), 也可作為反潛導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗載荷[1]。輕型魚雷多平臺使用的特點(diǎn)決定了其雷載設(shè)備在產(chǎn)品全生命周期中會經(jīng)歷復(fù)雜多樣的力學(xué)環(huán)境。在前期實(shí)航試驗(yàn)中曾多次出現(xiàn)因惡劣力學(xué)環(huán)境導(dǎo)致雷載電子設(shè)備失效的嚴(yán)重故障。因此研究雷載電子設(shè)備的力學(xué)環(huán)境, 為其環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐具有重要的工程實(shí)用價值。

針對振動環(huán)境預(yù)示問題, Kolaini與Tsoi[2-3]等利用耦合有限元/邊界元方法對混響聲場作用下的衛(wèi)星天線結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了研究。馬銳磊[4-5]等通過對楔環(huán)連接的等效, 建立了魚雷振動噪聲計算模型, 對魚雷典型部位的低頻振動環(huán)境以及輻射聲功率進(jìn)行了計算研究。韓飛[6]等采用子結(jié)構(gòu)導(dǎo)納法建立了UUV動力艙段的耦合振動傳遞計算模型, 求解了艙段殼體目標(biāo)點(diǎn)處的振動響應(yīng), 并以此展開了參數(shù)影響規(guī)律研究。前期開展的振動環(huán)境預(yù)示主要研究方向?yàn)檎駝訉Y(jié)構(gòu)的影響及振動引起的輻射噪聲預(yù)報, 但在電子設(shè)備振動環(huán)境問題上未開展深入研究。文中主要對輕型魚雷雷載電子設(shè)備振動環(huán)境進(jìn)行研究, 以有限元方法為基礎(chǔ), 通過模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證模型, 使用模態(tài)疊加算法計算雷載設(shè)備安裝點(diǎn)的振動環(huán)境, 并針對隔板裝配設(shè)備出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)共振問題提出了改進(jìn)措施。

1 有限元模型的建立

1.1 艙段布局及坐標(biāo)系定義

電子艙段的布局如圖1所示, 其主要由設(shè)備1、設(shè)備2、設(shè)備3、設(shè)備4、隔板和殼體6個零部件組成。其中設(shè)備1、設(shè)備2與設(shè)備3直接固定在殼體上; 設(shè)備4固定在隔板上, 隔板與殼體再通過螺釘連接固定。

為便于施加邊界條件及說明計算結(jié)果, 定義直角坐標(biāo)系如下: 坐標(biāo)原點(diǎn)為艙段分界面圓心位置,軸從原點(diǎn)沿殼體徑向指向楔環(huán)接口中央,軸從原點(diǎn)沿殼體軸向指向雷尾,軸可由右手定則確定。同時規(guī)定文中使用的長度及位置度量單位均為mm。

1.2 模型簡化

有限單元法是一種獲得工程問題近似解的數(shù)值分析方法, 其運(yùn)算速度與網(wǎng)格數(shù)量, 邊界條件設(shè)置存在很大關(guān)系。采用合理方式簡化幾何模型及邊界條件, 將大幅提高運(yùn)算速度并使計算結(jié)果與真實(shí)數(shù)據(jù)的誤差控制在合理范圍內(nèi)[7]。表1為艙段有限元建模的簡化處理方法。

表1 電子艙段有限元建模簡化方法

1.3 接觸定義

殼體與隔板的裝配方式如圖2所示, 隔板端面與殼體內(nèi)環(huán)端面接觸, 并通過8個螺釘固定。

由裝配方式可知, 在螺釘連接處, 殼體與隔板剛性固連, 所以在此處施加綁定約束。隔板端面與殼體內(nèi)環(huán)面接觸但不固連, 因此在此處施加無摩擦接觸約束。

1.4 材料賦值

殼體與隔板均使用鋁合金材料, 但在賦值時調(diào)整了隔板材料的密度以包含電路板質(zhì)量。材料屬性如表2所示。

表2 材料屬性

1.5 網(wǎng)格劃分

使用Hypermesh軟件對簡化后的幾何模型劃分網(wǎng)格。殼體使用四面體單元, 全局尺寸8 mm; 隔板使用六面體單元, 全局尺寸4 mm, 按前文規(guī)定設(shè)置集中質(zhì)量。劃分網(wǎng)格結(jié)果如圖3所示, 共生成網(wǎng)格117 142個, 節(jié)點(diǎn)210 043個, 經(jīng)網(wǎng)格質(zhì)量檢查未發(fā)現(xiàn)不良單元。

2 電子艙段模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析基本理論

多自由度系統(tǒng)動力學(xué)方程為[8]

式中:為質(zhì)量矩陣;為阻尼矩陣;為剛度矩陣;為位移向量;為力向量。對于低阻尼材料, 可忽略系統(tǒng)阻尼; 同時令=0, 即得到系統(tǒng)自由振動方程

(2)

設(shè)微分式(2)的特解為

將式(3)代入式(2)得

(4)

(6)

系統(tǒng)的振動響應(yīng)可表示為各階模態(tài)貢獻(xiàn)量之和, 即

式中:q為第階模態(tài)坐標(biāo)。

2.2 模態(tài)計算

將已建立的有限元模型導(dǎo)入ANSYS Workbench模態(tài)分析模塊, 選用迭代求解器計算電子艙段模態(tài)。為與試驗(yàn)結(jié)果相互對照, 計算自由狀態(tài)下的模態(tài), 因此, 會出現(xiàn)6階趨近于0的模態(tài)(3階平動與3階轉(zhuǎn)動)。通過設(shè)置分析頻率范圍過濾, 計算得出前6階固有頻率如表3所示。

表3 計算固有頻率

各階固有頻率對應(yīng)的振型如圖4所示。

3 電子艙段模態(tài)驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 模態(tài)試驗(yàn)

模態(tài)試驗(yàn)是一種通過試驗(yàn)來獲取系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)的方法。將試驗(yàn)提取的模態(tài)參數(shù)與有限元仿真計算得出的參數(shù)相對比, 可以驗(yàn)證有限元模型的正確性, 進(jìn)而確保振動環(huán)境預(yù)示計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

此次試驗(yàn)采用錘擊法測量電子艙段的模態(tài)。試驗(yàn)時用彈性繩懸吊電子艙段以模擬自由狀態(tài)(彈性懸吊系統(tǒng)的1階固有頻率約為30Hz?艙段1階固有頻率)。使用LMS Test. Lab系統(tǒng)采集與處理模態(tài)參數(shù), 試驗(yàn)現(xiàn)場見圖5。

3.2 模態(tài)參數(shù)提取

LMS Test. Lab采用PolyMax法辨識模態(tài)參數(shù), PolyMax法也稱作多參考點(diǎn)最小二乘復(fù)頻域法, 是一種對極點(diǎn)和模態(tài)參與因子進(jìn)行整體估計的多自由度法[9]。該方法可以建立清晰的穩(wěn)態(tài)圖, 通過選取極點(diǎn)獲得模態(tài)參數(shù)。在模態(tài)密集系統(tǒng)或頻響函數(shù)受噪聲污染的情況下該方法仍具有良好的識別精度。電子艙段模態(tài)試驗(yàn)得出0~1000 Hz頻率范圍內(nèi)的穩(wěn)態(tài)圖如圖6所示。

穩(wěn)態(tài)圖中各點(diǎn)(stable點(diǎn))聚集的頻響函數(shù)峰值對應(yīng)的頻率為固有頻率, 相應(yīng)的振型為模態(tài)振型。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比

試驗(yàn)提取到的固有頻率及模態(tài)振型與有限元分析計算得出的相應(yīng)數(shù)據(jù)對比見表4和圖7。

表4 固有頻率對比

通過對比固有頻率與振型可知, 用有限元方法計算出的1~6階模態(tài)與試驗(yàn)測得的1~6階模態(tài)存在一一對應(yīng)關(guān)系。固有頻率誤差<7%, 振型一致性較好。因此電子艙段有限元模型準(zhǔn)確, 可以用于雷載設(shè)備振動環(huán)境預(yù)示計算。

玉米機(jī)收跨越發(fā)展。玉米聯(lián)合收獲機(jī)從1978年的100臺發(fā)展到今年的8萬多臺，玉米機(jī)收由29萬畝發(fā)展到4075萬畝，機(jī)收水平從不到1%快速提高到86%。

4 雷載設(shè)備振動環(huán)境預(yù)示

4.1 雷載設(shè)備振動環(huán)境

雷載設(shè)備的振動環(huán)境主要包括: 魚雷運(yùn)輸、存儲過程中的顛振激勵; 助飛魚雷空中飛行時的氣動振顫及助推器的振動激勵; 水下航行時湍流引起的振動及動力系統(tǒng)的振動激勵等。

顛振激勵在頻域上表現(xiàn)為低頻大幅度振動, 可通過在改進(jìn)魚雷包裝箱, 填充發(fā)泡緩沖材料進(jìn)行抑制, 故在魚雷力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計中不著重考慮?？罩酗w行和水下航行時產(chǎn)生的振動激勵在頻域上表現(xiàn)為寬頻隨機(jī)振動, 隨機(jī)振動引起的失效形式為疲勞失效。由于魚雷(操雷)可多次重復(fù)使用的特點(diǎn), 此類振動對雷載設(shè)備的影響時間最長, 在力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計中必須考慮。

4.2 雷載設(shè)備振動環(huán)境預(yù)示

振動環(huán)境預(yù)示所用數(shù)據(jù)為實(shí)航試驗(yàn)所測空中飛行與水下航行時電子艙段的振動功率譜密度, 使用ANSYS Workbench隨機(jī)振動分析模塊, 算法為模態(tài)疊加法。將振動數(shù)據(jù)加載至已建立的電子艙段有限元模型殼體上, 計算各個雷載設(shè)備安裝基點(diǎn)的振動數(shù)據(jù), 結(jié)果見表5、表6、圖8和圖9。

表5 各設(shè)備空中飛行階段振動均方根數(shù)據(jù)

5 基于振動環(huán)境預(yù)示結(jié)果的電子艙段改進(jìn)建議

通過第4章計算結(jié)果可知, 安裝在隔板上設(shè)備4的力學(xué)環(huán)境要比安裝在殼體上設(shè)備1~設(shè)備3惡劣, 在空中飛行及水下航行工況中, 都存在明顯的共振峰。出現(xiàn)問題的原因?yàn)? 隔板在設(shè)計時未充分考慮力學(xué)環(huán)境因素, 剛度偏低, 其固有頻率與環(huán)境振動頻率接近, 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)共振[10]。解決此問題的方法為通過改進(jìn)設(shè)計方案, 增加隔板剛度, 提高隔板固有頻率, 避開原共振頻率, 最終達(dá)到抑制振動的目的。

表6 各設(shè)備水下航行階段振動均方根數(shù)據(jù)

圖10為改進(jìn)后隔板設(shè)計方案與原方案的對比, 改進(jìn)方案使用了加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)來提高剛度。參照已經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證的電子艙段建模方法, 建立改進(jìn)方案的計算模型, 通過仿真計算, 可以得出改進(jìn)方案的振動力學(xué)環(huán)境, 與原始方案對比見表7和圖11。

表7 設(shè)備4振動均方根數(shù)據(jù)對比

通過對比改進(jìn)前后的振動數(shù)據(jù)可知, 改進(jìn)方案較原方案在空中飛行、水下航行階段振動均方根數(shù)據(jù)有顯著下降, 降幅超過40%, 在原共振頻段振幅明顯減小。因此在隔板設(shè)計中增加加強(qiáng)筋的方案可有效抑制振動。

6 結(jié)束語

文中使用有限元方法, 建立了輕型魚雷電子艙段的計算模型。通過模態(tài)分析與模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果對比, 驗(yàn)證了有限元模型的正確性。使用模態(tài)疊加算法計算了艙段內(nèi)各設(shè)備的振動環(huán)境。并針對安裝在隔板上設(shè)備力學(xué)環(huán)境惡劣的問題提出了改進(jìn)方案。與原方案對比可知, 通過改變平板結(jié)構(gòu), 增加加強(qiáng)筋的隔板改進(jìn)方案可有效抑制振動, 可在輕型魚雷結(jié)構(gòu)設(shè)計中推廣。由于時間有限, 文中未對隔板改進(jìn)方案進(jìn)行詳細(xì)研究, 后續(xù)研究工作可針對隔板結(jié)構(gòu)優(yōu)化展開, 通過建立參數(shù)化模型, 以質(zhì)量最輕和振動最小為目標(biāo), 進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計方案。

[1] 尹韶平, 劉瑞生. 魚雷總體技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2011.

[2] Kolaini A R, Kissil A, Childs B W. Vibro-acoustic Analysis of Lightweight Structures[C]//El Segundo, USA: The 2009 S/C＆L/V Dynamic Environment Workshop, 2009.

[4] 馬銳磊, 尹韶平, 曹小娟, 等. 基于FEM的魚雷低頻振動環(huán)境預(yù)示方法研究[J]. 艦船電子工程, 2014, 34(5): 136-139.Ma Rui-lei, Yin Shao-ping, Cao Xiao-juan, et al. Torpedo′s Vibration Environment Prediction Method of Low Frequency Based on FEM[J]. Ship Electronic Engineering, 2014, 34(5): 136-139.

[5] 馬銳磊, 尹韶平, 曹小娟, 等. 楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)對魚雷殼體聲輻射的影響分析[J]. 魚雷技術(shù), 2014, 22(3): 169-173.Ma Rui-lei, Yin Shao-ping, Cao Xiao-juan, et al. Effect of Wedged Ring Connection Structure on Noise Radiation of Torpedo Shell[J]. Torpedo Technology, 2014, 22(3): 169-173.

[6] 韓飛, 王敏慶. 基于子結(jié)構(gòu)導(dǎo)納法的UUV動力艙段參數(shù)化建模研究[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2016, 34(1): 106-111.Han Fei, Wang Min-qing. Parametric Modeling of UUV Dynamic Cabin by Substructure Receptance Method[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 2016, 34(1): 106-111.

[7] 王勖成. 有限單元法[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2003.

[8] 劉延柱, 陳立群, 陳文良. 振動力學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2011.

[9] LMS Int. LMS Noise/Vibration Testing and Analysis System-Theory and Background[M]. Belgium: LMS Int, 2006.

[10] Qiao F, Huang D, Feng W. Vibration Analysis and Structural Optimization of Multifunctional Structures on Airborne Electronic Equipment[C]//Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation. [s.l.]: IEEE, 2009: 308-312.

(責(zé)任編輯: 許 妍)

Research on Vibration Environment of Lightweight Torpedo Borne Equipment Based on Modal Superposition Method

ZHANG Yi-wen,YIN Shao-ping,WANG Zhi-jie, GUO Jun1ZHANG Zhi-min, GAO Shan

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710077, China)

The vibration environment of lightweight torpedo borne electronic equipment is investigated to solve the problem of complex vibration environment and lack of vibration data, this study establishes a calculation model of the torpedo′s electronic cabinet based on finite element method, and calculates modal data, such as natural frequency and vibration modes, by using the software ANSYS Workbench. Comparing the calculated data with the modal testing data, the model is proved to be correct. The modal superposition method is employed to predict the vibration environments of the torpedo borne equipment based on this model. The prediction results show that the equipment assembled on baffle plate is subjected to a harsher vibration environment. So an improved design scheme is proposed to reduce the root mean square of vibration data by more than 40% comparing with the original design, which infers that the improved design scheme can be applied to the structure design of a lightweight torpedo.

torpedo borne equipment; modal superposition method; modal analysis; modal testing; vibration environment prediction

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.06.001

TJ630.3; O32

A

1673-1948(2016)06-0401-06

2016-08-31;

2016-10-09.

張溢文(1988-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)轸~雷總體技術(shù).