艦艇用三向管道支吊架抗沖擊性能分析

蔣永博，張明遠(yuǎn),閆 明,2，杜志鵬,2

（1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870； 2.海軍裝備研究院，北京 100161)

艦艇用三向管道支吊架抗沖擊性能分析

蔣永博1，張明遠(yuǎn)1,閆 明1,2，杜志鵬1,2

（1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870； 2.海軍裝備研究院，北京 100161)

艦艇內(nèi)部錯綜復(fù)雜的管道系統(tǒng)是艦艇抗沖擊性能的薄弱環(huán)節(jié)。為提高船艦艇管道系統(tǒng)的抗沖擊性能，提出一種三向管道支吊架，并設(shè)計一套管道系統(tǒng)，分別采用普通單向支吊架和三向支吊架支撐管道。以彈簧單元模擬支吊架，施加相同的沖擊載荷計算比較兩種支吊架抗沖擊能力。發(fā)現(xiàn)：采用三向支吊架支撐的管道，其緩沖位移約是普通單向支吊架的4倍；管道加速度響應(yīng)峰值與輸入峰值相比衰減72%；管道任意時刻最大應(yīng)力為146 MPa。而采用普通支吊架支撐的管道加速度響應(yīng)峰值與最大應(yīng)力均遠(yuǎn)大于三向支吊架支撐的管道?？梢娙蚬艿乐У跫芸梢燥@著提高艦艇管道系統(tǒng)的抗沖擊能力。

振動與波；水下非接觸爆炸；艦艇管道；抗沖擊；支吊架

海軍艦船在戰(zhàn)時不可避免地遭受水雷、魚雷等敵方武器的攻擊，由此產(chǎn)生的水下非接觸爆炸一般不會擊穿船體結(jié)構(gòu)，卻會造成艦用設(shè)備大范圍的損壞[1,2]，導(dǎo)致艦艇喪失生命力和戰(zhàn)斗能力。艦艇的管道系統(tǒng)是艦用設(shè)備的重要組成部分，為各艙室及各種設(shè)備傳遞水、油、氣等介質(zhì)，是艦艇抗沖擊性能的“短板”，一旦受到爆炸沖擊產(chǎn)生損壞后，不僅使相關(guān)設(shè)備停止運轉(zhuǎn)，還可能漏油、漏氣，危害人員安全。為減小水下爆炸沖擊對管道系統(tǒng)的損傷，現(xiàn)代艦艇的重要管道都采用具有沖擊隔離作用的彈性支吊架作為管道的支撐。

世界上的海軍強(qiáng)國在每次海戰(zhàn)中都收集了大量的戰(zhàn)斗數(shù)據(jù)，都浪費了巨大的財力、物力開展水下爆炸沖擊對艦艇包括管路系統(tǒng)在內(nèi)的的毀傷試驗和研究[3]，并以管系結(jié)構(gòu)和支吊架的安裝位置研究為主。例如，對含有液體的復(fù)合材料管路的沖擊變形，綜合梁模型的模態(tài)和殼模型的模態(tài)來反應(yīng)管路的應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)，數(shù)值仿真結(jié)果在試驗結(jié)果的誤差范圍之內(nèi)[4]；對采用法蘭連接的管路系統(tǒng)進(jìn)行分析，仿真計算和試驗結(jié)果表明相對于沖擊載荷而言，法蘭對管路的沖擊響應(yīng)影響很小，在數(shù)值仿真計算中用質(zhì)量單元代替法蘭就可以得到確切的管路沖擊響應(yīng)[5]。日本核能安全組織/核能工程公司（JNES/ NUPEC）在典型核電站管路系統(tǒng)在強(qiáng)地震載荷作用下的響應(yīng)項目[6]中指出了管路支座剛度對管路系統(tǒng)地震響應(yīng)的衰減指數(shù)，并總結(jié)出經(jīng)驗公式用于設(shè)計和校核管路支座剛度[7]。國內(nèi)對艦船管道抗沖擊性能進(jìn)行相關(guān)的研究時，更多地關(guān)注管道支吊架的布置和剛度選擇對管道沖擊響應(yīng)的影響。杜鑫等對管道單元就采用了梁模型，對不同邊界、不同支架個數(shù)對管道沖擊位移響應(yīng)影響進(jìn)行了研究，但并未涉及管道的應(yīng)力破壞問題[8]；顧文彬等對于簡單管道結(jié)構(gòu)應(yīng)用模態(tài)分析法，對管道系統(tǒng)在沖擊作用后的隨機(jī)、周期性載荷或這兩種載荷聯(lián)合作用下的彈性支撐位置和數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化[9]。王秋穎應(yīng)用Ansys軟件基于梁單元簡化方法的模擬，對“π”型蒸汽管道進(jìn)行沖擊譜加載計算，找出薄弱環(huán)節(jié)，并增加管道抗沖擊元件，改善了結(jié)構(gòu)的響應(yīng)[10]。周維星基于Timoshenko梁理論，建立傳遞矩陣法求解管道振動固有頻率，并結(jié)合模態(tài)疊加法實現(xiàn)了管道動態(tài)響應(yīng)的模擬[11]。這些研究對管道的抗沖擊研究提供了技術(shù)支持。

艦船管道一般是三維空間管系，現(xiàn)有的單向抗沖擊支吊架只能承受垂向或徑向載荷，不能承受或僅能承受稍許的管道軸向載荷，不能產(chǎn)生較大的緩沖位移，抗沖擊能力較弱。為了使管路系統(tǒng)與整個艦艇抗沖擊能力相匹配，本文提出一種三向抗沖擊支吊架，并分析其抗沖擊的能力。

1 支吊架結(jié)構(gòu)

艦艇常用的普通單向彈性支吊架結(jié)構(gòu)如圖1所示，管道通過U型管卡、橡膠襯墊、橡膠墊板將管道固定在支板上，橡膠襯墊和橡膠墊板對管道起到抗沖、減振的作用，橡膠襯墊及橡膠墊板的彈性剛度即為支吊架的剛度。

圖1 支吊架實物及示意圖

支吊架在實際的工作條件下，一方面由于橡膠襯墊和橡膠墊的壓縮量并不是很大，當(dāng)壓縮量接近于某一限度時，在支板或管卡的作用下，橡膠墊的彈性剛度瞬間變大，會限制管道進(jìn)一步移動。另一方面由于艦艇管道受到的沖擊都是多方向的，或者并不是正好沿著管道的垂向或徑向的，如簡圖2所示。

圖2 沖擊示意圖

當(dāng)管道采用普通支吊架支撐時，支吊架3緩沖位移方向不在沖擊方向上，對沖擊載荷沒有抗沖擊效果或者抗沖擊效果不明顯。同時，非橡膠壓縮方向，即平行于支吊架安裝面的沖擊載荷會對支吊架產(chǎn)生巨大的傾覆力矩，嚴(yán)重影響支吊架的使用壽命和管道運行的安全。

三向抗沖擊支吊架即X、Y、Z方向均設(shè)有彈簧，其整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，剖視結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 三向抗沖擊支吊架整體結(jié)構(gòu)圖

圖4 三向抗沖擊支吊架剖視結(jié)構(gòu)圖

按照設(shè)計要求，此三向彈簧支吊架單方向總剛度為20 N/mm，彈簧在工作極限載荷下變形量為40 mm。同時，為避免管道在艦船正常航行時隨意晃動，給彈簧施加1.2mg（m為單個支吊架支撐的平均質(zhì)量）倍的預(yù)緊力。支吊架通過外框架上的安裝孔安裝在艦艇的艙壁或甲板上，當(dāng)管道受到任意方向的沖擊時，都會分解為X、Y、Z三個方向，在各方向上的滑塊便會擠壓彈簧抵抗沖擊，并通過摩擦阻尼衰減沖擊，使管道受到的沖擊響應(yīng)在允許的范圍內(nèi)。三向抗沖擊支吊架不僅能提高管系垂向、橫向及縱向等三個方向的抗沖擊性能，同時，三向支吊架具有較大的垂向、橫向及縱向剛度，減小支吊架在沖擊作用下斷裂的風(fēng)險。

2 管道計算模型

選取管道DN50，其壁厚2.5 mm。管道及其支吊架布置簡圖如圖5所示。

圖5 管道和支吊架布置簡圖（單位：mm）

管道支吊架的規(guī)定布置參考要求[12]。對于充液管道振動問題需要考慮管內(nèi)流體的流固耦合效應(yīng)，管內(nèi)液體流速較低，一般為5 m/s左右，故可以忽略流體流速對管道動力特性的影響，管內(nèi)流體質(zhì)量一般被當(dāng)做管道的附加質(zhì)量隨管道一起運動。管道材料為20鋼，密度為7 830 kg/m3，E=2.07×1011Pa，σ= 0.3，屈服極限245 MPa。對于公稱直徑DN50管道，其等效密度為13 901.5 kg/m3。管道兩端口通過橡膠撓性接管與其他管道或設(shè)備相連。

在艦艇管道系統(tǒng)的抗沖擊計算中，由于管系的空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積龐大，因此，在仿真計算時，要對管系上的附屬部件進(jìn)行簡化。由于支吊架是固定在艙壁上的，對管系沒有質(zhì)量的作用，所以只需考慮彈簧和橡膠墊對管道抗沖減振作用。整個三向抗沖擊支吊架可簡化為線性彈簧單元，并賦予X、Y、Z三個方向如圖6（a）所示剛度曲線。對于普通單向支吊架，利用Mooney-Rivlin橡膠模型得出如圖6（b）力-變形量關(guān)系曲線，采用非線性彈簧單元模擬普通單向支吊架的限制位移的作用，其最大壓縮量為6 mm，且賦予其單方向剛度，支吊架3在沖擊方向定義管道與艙壁為剛性連接。

圖6 彈簧單元力-變形量曲線圖

管道有限元計算模型如圖7所示。

圖7 有限元模型

模型中彈簧單元下端節(jié)點與艙壁相連，上端節(jié)點與對應(yīng)管道的圓周一圈節(jié)點相耦合，以模擬支吊架與管道的連接。管道端口與橡膠撓性接管相連，故管道端口設(shè)置無約束邊界條件。

3 管道模態(tài)分析

對兩種支吊架支撐的管道分別進(jìn)行模態(tài)計算，忽略阻尼的影響。管道Z向1階固有頻率及其對應(yīng)振型分別如圖8所示。

采用三向支吊架管道1階固有頻率為7.8 Hz，普通單向支吊架管道為16.1 Hz。

海浪的頻率一般為0.04 Hz～2 Hz，艦艇設(shè)備的固有頻率在10 Hz以上，而采用三向支吊架管道的固有頻率為7.8 Hz，避開了海浪和設(shè)備的固有頻率，能夠防止管道系統(tǒng)與環(huán)境和設(shè)備發(fā)生共振。

4 沖擊載荷

圖8 管道1階振型

水下非接觸爆炸產(chǎn)生沖擊波和氣泡脈動兩種沖擊效應(yīng)，按照國軍標(biāo)要求[13]，管道系統(tǒng)時間歷程沖擊載荷采用正、負(fù)三角形波歷程，其時域曲線如圖9所示。

圖9 沖擊載荷

圖中a1=1 000 m/s2，t1=5 ms，t4=30 ms。以艙壁底面為沖擊載荷加載面，計算時長為采用三向支吊架管道固有周期的2倍。在無阻尼條件下，分別考察支吊架類型為三向彈簧支吊架與普通單向支吊架時管道的最大沖擊響應(yīng)。

5 抗沖擊效果分析

對管道的沖擊響應(yīng)：管道相對艙壁的位移、管道的加速度以及管道應(yīng)力進(jìn)行分析，對比三向支吊架與普通單向支吊架的抗沖擊能力。

5.1 管道相對位移分析

以支吊架2處彈簧單元上端節(jié)點與下端節(jié)點Z向相對位移表征管道在沖擊方向的相對位移。

如圖10所示。

圖10 管道Z向相對位移

采用三向支吊架的管路最大相對位移為25 mm，緩沖位移較大且小于其極限變形量40 mm；而對于采用普通單向支吊架的管路，由于橡膠墊或橡膠襯板的壓縮量有限，當(dāng)超過壓縮極限后便不再壓縮，其最大相對位移即為橡膠最大壓縮量6 mm，緩沖位移有限，起不到明顯的緩沖效果。

t=0.047 s時刻管道Z向相對位移最大，此時管道Z向位移如圖11所示。

圖11 管道Z向位移

管道左、右兩端口位移分別為20 mm、30 mm。常用的雙球（或多球）式橡膠撓性接管，其三個方向的最大允許變形量均可以達(dá)到40 mm，所以當(dāng)管道相對位移最大為25 mm時，其仍具有變形補(bǔ)償能力。

5.2 管道加速度分析

以支吊架2處彈簧單元上端節(jié)點Z向加速度表征管道在沖擊方向的加速度。

如圖12（a）所示。采用三向支吊架的管路最大加速度響應(yīng)為280 m/s2，遠(yuǎn)小于其輸入加速度峰值1 000 m/s2，衰減達(dá)72%；而對于采用普通單向支吊架的管路，如圖12（b）所示。

支吊架3與管道在沖擊方向近似于剛性連接，對沖擊載荷沒有抗沖擊效果，近似于剛性碰撞。同時，非橡膠壓縮方向，即平行于支吊架安裝面的沖擊載荷對支吊架產(chǎn)生巨大的傾覆力矩，從而導(dǎo)致管道整體加速度響應(yīng)多數(shù)時間均遠(yuǎn)大于輸入加速度峰值，且管道發(fā)生劇烈的振蕩。

5.3 管道應(yīng)力分析

提取管道任意時刻最大應(yīng)力并繪制曲線如圖13所示。

由圖13可知，采用三向支吊架的管道最大應(yīng)力整體均小于采用普通單向支吊架的管道，且管道最大應(yīng)力波動較小，最大應(yīng)力位于管道水平部分兩支吊架之間，如圖14（a）所示，其值為146 MPa，處于安全狀態(tài)；而采用普通單向支吊架的管道最大應(yīng)力整體偏大且波動劇烈，管道在沖擊階段就已超出其材料屈服極限，如圖14（b）所示。

圖12 管道Z向加速度

圖13 任意時刻管道最大應(yīng)力

圖14 管道最大應(yīng)力/Pa

最大應(yīng)力出現(xiàn)在管道典型部位彎頭處，為527.8 MPa，此時管道會局部失效或者從支吊架上脫落造成泄露事故。

6 結(jié)語

同一管道系統(tǒng)分別采用三向支吊架與普通單向支吊架支撐，經(jīng)受相同沖擊載荷時，采用普通單向支吊架的管道最大相對位移為6 mm；管道整體加速度響應(yīng)均遠(yuǎn)大于輸入載荷加速度峰值1 000 m/s2，最大應(yīng)力且管道會發(fā)生劇烈的振蕩；管道最大應(yīng)力527.8 MPa，遠(yuǎn)大于其材料屈服極限。而三向彈簧支吊架可通過各個方向上的滑塊擠壓彈簧抵抗沖擊，其顯著的緩沖效果使得管道最大相對位移為25 mm，最大響應(yīng)加速度為280 m/s2，最大應(yīng)力為146 MPa，可見其抗沖擊性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通單向支吊架。因此，三向抗沖擊支吊架可以顯著提高艦船管道系統(tǒng)的抗沖擊能力。

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Shock ResistanceAbilityAnalysis of the Tri-dimensional Pipe Hangers in Naval Ships

JIANG Yong-bo1,ZHANG Ming-yuan1,YANMing1,2,DU Zhi-peng1,2
(1.School of Mechanical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110780,China; 2.NavalAcademy ofArmament,Beijing 100161,China)

The complicated pipe system is the weakness of the shock resistance ability of the naval ships.In order to raise shock resistance ability of the ship’s pipe system,a kind of tri-dimensional pipe hangers is put forward and the corresponding pipe system is designed.Then,models of the pipe systems supported by convensional unidirectional hangers and present tri-directional hangers are established respectively.Spring elements are used to simulate the pipe hangers.And the same impact loads are applied to the two models.Results of computation are analyzed to compare the resistant ability of the two kinds of pipe hangers.It is found that for the pipe supported by the tri-dimensional hangers,the buffer displacement is nearly 4 times as large as that of the pipe supported by the unidimensional hangers.The peak value of the acceleration response is reduced by 72%in comparison with that of the input excitation.The maximum stress of the pipe is 146 MPa. Both the peak value of the acceleration response and the stress of the pipe supported by tri-directional hangers are much smaller than those of the pipe supported by the unidimensional hangers.So,the tri-dimensional hangers can greatly improve the shock resistance ability of the naval ship’s piping system.

vibration and wave;non-contact underwater explosion;naval ship’s pipe;shock resistance;pipe hanger

U661.4

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2017.01.023

1006-1355(2017)01-0103-05

2016-12-05

蔣永博（1990－），男，甘肅省天水市人，碩士生，主要研究方向為艦艇設(shè)備抗沖擊設(shè)計。E-mail:597391513@qq.com