基于DDAM的某艦用升降裝置抗沖擊分析

浦 軍，石邦凱

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

基于DDAM的某艦用升降裝置抗沖擊分析

浦 軍，石邦凱

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

介紹美國海軍用以考核艦船設(shè)備抗沖擊性能的動態(tài)設(shè)計分析方法（DDAM），利用Ansys軟件對某艦用升降裝置進行建模，并基于DDAM方法對其進行計算和抗沖擊性能分析，分析結(jié)果可為艦用升降裝置抗沖擊設(shè)計和評估提供參考。

升降裝置；DDAM；抗沖擊；動力學(xué)特性

0 引 言

艦船設(shè)備抗沖擊性能是評價艦艇生命力的重要指標(biāo)，因此為保證和提高艦船設(shè)備的抗沖擊性能，在研制過程中必須對其進行抗沖擊性能分析。動態(tài)設(shè)計分析方法（DDAM）是由美國海軍實驗室定義的一種特定類型的頻譜，用于分析船用裝備的抗沖擊性能。該方法是基于沖擊譜的響應(yīng)分析法[1,2]，它根據(jù)艦艇類型、設(shè)備在艦艇上的安裝位置、設(shè)備重量、沖擊載荷作用方向等因素定義設(shè)備的沖擊環(huán)境（設(shè)計譜值）。升降裝置是水面艦船上用于轉(zhuǎn)運彈藥等物資必不可少的設(shè)備。本文通過采用Ansys軟件對某艦用升降裝置建模，采用DDAM方法對其進行抗沖擊仿真計算，得出了升降裝置在各方向上的抗沖擊性能。計算結(jié)果可為艦用升降裝置抗沖擊設(shè)計和評估提供參考。

1 計算原理

1.1 動力學(xué)設(shè)計分析方法（DDAM）

動力學(xué)設(shè)計分析方法的分析理論與常規(guī)反應(yīng)譜分析方法相同，都是采用模態(tài)疊加法的線性分析。該方法是限定設(shè)計譜值的反應(yīng)譜法，首先根據(jù)設(shè)計沖擊譜的輸入得出各階模態(tài)的位移和應(yīng)力，然后通過對各階模態(tài)解的合成得出設(shè)備的位移和應(yīng)力[3,4]。其設(shè)計譜值依據(jù)經(jīng)驗公式定義，與艦艇類型、設(shè)備安裝位置、沖擊考核方向以及設(shè)備各階模態(tài)的模態(tài)質(zhì)量等因素密切相關(guān)。

早期由于計算條件的限制，計算模型的自由度較少，且單向沖擊單向響應(yīng)，不考慮三向耦合作用。但隨著計算技術(shù)的發(fā)展，利用三維模態(tài)理論可以將DDAM拓展，不僅計算模型的自由度增加，而且可以實現(xiàn)單向沖擊多向響應(yīng)，且考慮系統(tǒng)的三向耦合作用，從而使計算精度大大提高，分析結(jié)果更為可信。

1.2 模態(tài)合成與應(yīng)力評估

常用的模態(tài)合成方法有絕對值求和（ABS）、平方和之平方根（SRSS）以及美國海軍研究實驗室求和（NRL）。根據(jù)國軍標(biāo)規(guī)定，對有效動態(tài)模態(tài)應(yīng)力采用NRL方法進行模態(tài)合成，即Ansys中DDAM模塊的NRLSUM方法。

采用動力學(xué)分析得到的沖擊應(yīng)力與由分析系統(tǒng)運動特性如旋轉(zhuǎn)力、蒸汽壓力等產(chǎn)生的連續(xù)工作應(yīng)力合成時，不考慮自身重力引起的應(yīng)力、螺栓的預(yù)應(yīng)力和非連續(xù)工作應(yīng)力。本文將升降裝置在5級海況搖擺慣性載荷下的應(yīng)力、位移與DDAM計算所得的沖擊應(yīng)力、位移進行了合成，并將合成后的總應(yīng)力值與許用應(yīng)力值進行比較，從而對升降裝置的抗沖擊性能進行計算和評估。

1.3 模態(tài)選擇

在DDAM計算中，不需要對所有模態(tài)進行疊加合成，其計算結(jié)果與模態(tài)選擇數(shù)及輸入的設(shè)計譜參數(shù)密切相關(guān)。模態(tài)選擇要符合以下要求：

1）選擇的總模態(tài)質(zhì)量大于分析系統(tǒng)總質(zhì)量的80%。

2）分析的模態(tài)中應(yīng)包括模態(tài)質(zhì)量大于分析系統(tǒng)總質(zhì)量10%的所有模態(tài)。

3）優(yōu)先考慮較低頻率的模態(tài)。

2 升降裝置設(shè)計沖擊環(huán)境

水面艦船設(shè)備的安裝區(qū)域分為I類、Ⅱ類和Ⅲ類，I類區(qū)域為甲板部位，Ⅱ類區(qū)域為船體部位，Ⅲ類區(qū)域為外板部位?；谂灤O(shè)備在不同安裝區(qū)域的沖擊譜計算公式為：

對于I類安裝區(qū)域：

對于Ⅱ類和Ⅲ類安裝區(qū)域：

式中：ma為設(shè)備的模態(tài)質(zhì)量，t；Aa為標(biāo)稱加速度譜，m/s2；Va為標(biāo)稱速度譜，m/s。

升降裝置具體的設(shè)計譜Aa和Va采用表1的系數(shù)計算。根據(jù)式（1）～式（4）確定的V0和A0，取V0ω0與A0中的小值為動力學(xué)分析系統(tǒng)在給定沖擊方向上的沖擊設(shè)計加速度，ω0為模態(tài)質(zhì)量ma所對應(yīng)振動模態(tài)的圓頻率。

采用GJB1060.1-91規(guī)定的用于水面艦船不同安裝區(qū)域沖擊譜的計算公式進行響應(yīng)的沖擊譜計算，針對不同的工作方向，升降裝置設(shè)計沖擊譜值由經(jīng)驗公式確定，具體要求見表1[5]。表中A0和V0為升降裝置的不同模態(tài)質(zhì)量所對應(yīng)各類安裝區(qū)域的沖擊加速度譜和速度譜，彈性設(shè)計和彈塑性設(shè)計根據(jù)升降裝置是否允許出現(xiàn)塑性變形來確定。

表 1 升降裝置在各類安裝區(qū)域的設(shè)計譜

3 升降裝置結(jié)構(gòu)組成與工作原理

升降裝置主要有基座，叉架，左、右側(cè)滾輪組合，臺面，止鎖塊和液壓缸等機構(gòu)組成，圖1所示為升降裝置三維模型。

液壓缸在油壓作用下，驅(qū)動升降機的叉架及臺面作升降運動，實現(xiàn)在甲板與運送物資庫之間進行轉(zhuǎn)運。左、右叉架分別在底端和上端安裝有滾輪，在相應(yīng)的上下導(dǎo)軌中運動，上下導(dǎo)軌分別安裝在臺面和底座上，如圖2和圖3所示。

4 升降裝置DDAM有限元分析

GJB1060.1-91對艦載設(shè)備的抗沖擊等級分為A，B，C三級，其劃分依據(jù)主要是艦載設(shè)備對艦船安全和連續(xù)作戰(zhàn)能力的重要程度。抗沖擊等級為A的設(shè)備是指對艦船連續(xù)作戰(zhàn)和安全必不可少的設(shè)備；抗沖擊等級為B的設(shè)備是指對艦船連續(xù)作戰(zhàn)和安全不是必需的設(shè)備，但其在艦船上的位置和布置在艦船受沖擊時或沖擊后對人員或A級設(shè)備可能構(gòu)成危險?？箾_擊等級為C的設(shè)備是指除布置和位置不會對A級設(shè)備和人員構(gòu)成危險外沒有抗沖擊要求的非A級設(shè)備。

該升降裝置為水面艦船設(shè)備，位于艙室內(nèi)，安裝位置為船體部位，即II類安裝區(qū)域，是轉(zhuǎn)運艦上彈藥物資必不可少的設(shè)備，抗沖擊等級為A級，彈性抗沖擊設(shè)計。本文基于以上參數(shù)對該升降裝置進行三維實體建模，采用國軍標(biāo)規(guī)定對其進行DDAM方法的抗沖擊驗證。

升降裝置整體結(jié)構(gòu)為鋼，其力學(xué)性能和特性參數(shù)見表2。

表 2 材料特性參數(shù)

4.1 計算模型的建立與假設(shè)

升降裝置計算模型坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)系，z軸豎直向上，x軸為船體縱向，y軸為橫向。為簡化升降裝置計算模型，作如下假設(shè)：

1）升降裝置的所有焊縫聯(lián)接可靠，通過焊縫聯(lián)接的各部件為一整體；

2）升降裝置上任何通過螺栓連接的2個部件，均視為一個整體，兩者連接可靠；

3）液壓油缸根據(jù)其剛度等效為彈簧；

4）升降裝置大部分部件采用鋼板或鋼質(zhì)型材焊接而成，符合殼單元簡化理論，因此升降裝置大部分部件采用殼單元建模；

5）升降裝置的材料是線彈性材料，計算按照線性材料計算。根據(jù)計算結(jié)果，若是應(yīng)力超過屈服應(yīng)力則認(rèn)為結(jié)構(gòu)失效。

升降裝置計算模型總質(zhì)量為2 850 kg，其中升降裝置機架質(zhì)量為2 250 kg，模擬負(fù)載質(zhì)量為600 kg。

根據(jù)以上假設(shè)條件，采用Ansys建立的升降裝置計算模型如圖4所示。

4.2 工作載荷與邊界條件

升降裝置工作載荷為5級海況，x向最大過載為0.070 9 g，y向最大過載0.366 g，z向最大過載為1.441 3 g。

升降裝置受沖擊狀態(tài)時的邊界條件為：

1）升降裝置底座安裝位置與甲板焊接在一起，因此升降裝置底座與甲板連接部位完全約束；

2）側(cè)導(dǎo)軌底部與甲板焊接在一起，因此升降裝置側(cè)導(dǎo)軌底部完全約束；

3）液壓鎖作用在升降裝置頂部臺面，限制其垂向位移，因此升降裝置頂部臺面與液壓鎖作用位置約束其垂向位移；

4）升降裝置工作時的最大載重約600 kg，通過存放架及轉(zhuǎn)運車固定在升降裝置頂部臺面。

計算模型添加了相應(yīng)的質(zhì)量單元。添加相應(yīng)邊界條件約束后的計算模型如圖5所示。

5 計算結(jié)果與分析

5.1 升降裝置沖擊設(shè)計加速度

根據(jù)升降裝置有限元分析計算得到的頻率、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)參與因子計算的沖擊設(shè)計加速度值見表3。為提高分析精度，在3個沖擊方向所選取的模態(tài)階數(shù)應(yīng)使模態(tài)質(zhì)量的總和大于總質(zhì)量的80%。

表 3 升降裝置沖擊設(shè)計加速度

由表3可知，升降裝置的最大沖擊輸入來自于垂向，最大沖擊設(shè)計加速度達(dá)675.23 m/s2，其次是橫向，最大沖擊設(shè)計加速度為272.68 m/s2，縱向的沖擊輸入最小，最大沖擊設(shè)計加速度只有136.50 m/s2。

5.2 升降裝置的位移和應(yīng)力合成

通過將升降裝置在5級海況搖擺慣性載荷下的應(yīng)力和位移與DDAM計算所得的沖擊應(yīng)力和位移進行合成，得出表4所示升降裝置的合成位移與應(yīng)力。

5.3 結(jié)果分析

升降裝置3個方向的合成位移與應(yīng)力分布如圖6～圖11所示。

表 4 升降裝置合成位移與應(yīng)力

由圖6～圖11可知，5級海況下，升降裝置受縱向沖擊時，最大合成位移為3.1 mm，最大合成應(yīng)力為283 MPa；升降裝置受橫向沖擊時，最大合成位移為9.27 mm，最大合成應(yīng)力為304 MPa；升降裝置受垂向沖擊時，最大合成位移為6.49 mm，最大合成應(yīng)力為339 MPa。由此可見，升降裝置在3個方向的最大合成應(yīng)力均小于表4所示的材料屈服應(yīng)力345 MPa。因此，升降裝置在受到?jīng)_擊載荷作用時，整體結(jié)構(gòu)不會發(fā)生失效。

6 結(jié) 語

通過對某艦用升降裝置進行基于DDAM的抗沖擊計算與分析可知，升降裝置在艦上II類安裝區(qū)域的抗沖擊性能可以保證其整體結(jié)構(gòu)不會發(fā)生塑性變形，機械結(jié)構(gòu)不會發(fā)生失效。

[1]汪玉, 華宏星. 艦船現(xiàn)代沖擊理論及應(yīng)用[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2006.

[2]蔣濤, 王偉力. DDAM方法的艦船甲板設(shè)備垂向沖擊環(huán)境分析[C]// 第九屆全國沖擊動力學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集, 2005.

[3]趙應(yīng)龍, 何琳, 呂志強. 應(yīng)用DDAM進行船舶浮筏隔振裝置抗沖擊計算[J]. 工程力學(xué), 2007(4).

[4]姚熊亮, 馮林涵, 張阿曼. 利用DDAM方法分析艦用增壓鍋爐抗沖擊特性[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2009(3).

[5]GJB1060. 1-91艦船環(huán)境條件要求機械環(huán)境[S]. 北京, 國防科學(xué)技術(shù)委員會, 1991.

Shock resistance analysis on certain ship lift based on DDAM

PU Jun, SHI Bang-kai
(The 713 Research Institute of CSIC, Zhengzhou 450015)

The dynamic design analysis method (DDAM) for testing the shock resistance capability of ship equipments used by the US Navy is introduced and the models for certain ship lift is built by using Ansys. The calculation and shock resistance analysis are also made based on DDAM, the analysis results can provide reference for the design and evaluation of shock resistance of ship lifts.

lift；DDAM；shock resistance；dynamic performance

TH132

A

1672 – 7649(2017)08 – 0128 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.027

2017 – 05 – 17

浦軍(1962 – )，男，高級工程師，主要從事機械設(shè)計工作。