艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的準(zhǔn)靜態(tài)分析

吳群明　陳亮亮　陳南華

摘 要：艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)的外載荷特性復(fù)雜，合理計(jì)算其載荷和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估對(duì)其設(shè)計(jì)、建造和使用都極為重要。本文采用規(guī)范法計(jì)算艦炮基座的設(shè)計(jì)載荷，采用有限元軟件MSC.Patran/Nastran建立局部結(jié)構(gòu)模型，得到結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)分布特征，并與衡準(zhǔn)值比較對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核。本文方法可為類(lèi)似的艦炮基座的強(qiáng)度分析提供參考。

關(guān)鍵詞：艦炮基座；艦炮設(shè)計(jì)載荷；直接計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：U661.73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The design loads of naval gun seat and its support structure are complex， the load calculation and structural strength evaluation are of great importance for the design and construction of naval gun seat and its support structure. The design loads are calculated by the rule method and the local structure model is established by the finite element analysis software MSC.Patran/Nastran， the detailed stress response is obtained and the strength is checked according to the critia.The method can provide reference for the similar gun seat and support struture.

Key words： Naval gun seat； Design load； Direct calculation

1 前言

艦炮基座是指用于固定炮身的剛性連接在船體上的結(jié)構(gòu) [1]；艦炮基座支撐結(jié)構(gòu)系指與基座焊接、直接承受艦炮載荷的船體結(jié)構(gòu)。準(zhǔn)確計(jì)算艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)所承受的外載荷，正確建立基座及其支撐結(jié)構(gòu)的有限元模型，對(duì)艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、建造與維護(hù)具有極其重要的作用。

本文首先探討中國(guó)船級(jí)社《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》中關(guān)于艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)遭受的外載荷的計(jì)算方法；建立相應(yīng)的艦炮基座及其支撐結(jié)構(gòu)的局部有限元模型，確定合適的網(wǎng)格尺寸劃分方案和合理的邊界條件[2]；將計(jì)算得到的載荷施加在有限元模型上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)分析，與規(guī)范中的強(qiáng)度衡準(zhǔn)比較，對(duì)基座及其支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度結(jié)構(gòu)校核。

整個(gè)艦炮及其支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核的準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算流程，如圖1所示。

3 艦炮計(jì)算載荷

3.1 艦炮計(jì)算載荷

中國(guó)船級(jí)社《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》2.6.5.4（1），給出了基座及其支撐結(jié)構(gòu)校核所需考慮的四種載荷及其計(jì)算方法：

（1）艦炮發(fā)射后座力F（沿艦炮軸線），按下式計(jì)算：

4 有限元計(jì)算模型

4.1 模型范圍

有限元模型主要依據(jù)艦炮基座圖、艦炮轉(zhuǎn)運(yùn)間圖、艦炮其它支撐結(jié)構(gòu)圖建立，模型范圍包括整個(gè)艦炮基座、轉(zhuǎn)運(yùn)間及與其相連的船體支撐結(jié)構(gòu)。有限元模型見(jiàn)圖2。

總體坐標(biāo)系取右手直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)取在艦炮基座面板上平面中心（#97）處，x軸沿船長(zhǎng)向首為正方向，y軸沿船寬向左舷為正方向，z軸沿型深向上為正方向。

結(jié)構(gòu)中的板材和主要支撐構(gòu)件的腹板用板單元模擬；扶強(qiáng)材、縱骨、主要支撐構(gòu)件的面板、支柱等用梁?jiǎn)卧M，并考慮各構(gòu)件的實(shí)際截面和偏心；炮身結(jié)構(gòu)通過(guò)MPC單元與艦炮基座面板剛性連接。

模型網(wǎng)格尺寸縱向以300 mm、橫向、垂向以200 mm為基準(zhǔn)進(jìn)行劃分；模型中共有4 296個(gè)節(jié)點(diǎn)、4431個(gè)板單元、3 297個(gè)梁?jiǎn)卧?；材料為船用普通鋼，其屈服?qiáng)度為235 MPa、彈性模量為2.06x105 MPa、泊松比為0.3、材料密度為7.85x10-9 t/mm3，重力加速度為9810 mm/s2。

4.2 邊界條件

模型的甲板邊界及支柱下端采用簡(jiǎn)支邊界條件，即δx=δy=δz=0。

5 計(jì)算工況與許用應(yīng)力

5.1 計(jì)算工況

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》2.6.5.4（2）的規(guī)定，應(yīng)考慮表1所示各種工況。

5.2 許用應(yīng)力

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》2.6.5.6的規(guī)定，許用相當(dāng)應(yīng)力[σ]和許用剪應(yīng)力[τ]如下：

從表2及圖3～圖6可以看出，4種工況下的計(jì)算應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，因此本艦炮基座及支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足中國(guó)船級(jí)社《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》要求。同時(shí)也可以看出，四種工況下的計(jì)算應(yīng)力比規(guī)范要求的許用應(yīng)力小很多，具有較大的安全裕度。

7 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)艦炮及其支撐結(jié)構(gòu)的外載荷計(jì)算有限元準(zhǔn)靜態(tài)分析，得到艦炮及其支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果，通過(guò)與中國(guó)船級(jí)社《水面艦艇入級(jí)規(guī)范》給出的許用應(yīng)力衡準(zhǔn)進(jìn)行比較，對(duì)艦炮及其支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)估，滿足要求。本文提出的方法可為類(lèi)似結(jié)構(gòu)的分析提供借鑒作用，也可以為艦炮及其支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、維護(hù)和使用提供參考。

在具有全船重量重心分布、船體型線和海況資料的前提下，可進(jìn)一步開(kāi)展波浪載荷直接計(jì)算，預(yù)報(bào)相應(yīng)的加速度值，更加準(zhǔn)確合理地計(jì)算側(cè)向慣性力和垂向慣性力，從而更為合理地評(píng)估艦炮及其支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。鑒于準(zhǔn)靜態(tài)分析得到的響應(yīng)應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，還可以進(jìn)一步開(kāi)展艦炮及其支撐結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性研究，找出具體制約該種結(jié)構(gòu)尺度和形式的決定因素。

參考文獻(xiàn)

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大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2008，36（10）.endprint