某型船用控制器沖擊響應(yīng)仿真計(jì)算及分析對(duì)比

張明明　趙建華

摘? ? 要：為了對(duì)比彈性安裝條件下限位裝置對(duì)某型船用控制器沖擊響應(yīng)的影響，首先通過(guò)理論計(jì)算分析帶限位的隔振器模型振動(dòng)響應(yīng)情況，并基于Abaqus軟件，建立控制器抗沖擊的有限元模型。根據(jù)BV043/85標(biāo)準(zhǔn)，分別給彈性安裝下帶限位器和不帶限位器的模型加載相同的正負(fù)三角波，根據(jù)仿真結(jié)果分析限位裝置對(duì)隔離系統(tǒng)隔振效果的影響及控制器抗沖擊能力。結(jié)果表明：控制器在有無(wú)限位裝置的情況下于同一處出現(xiàn)了應(yīng)力最大值，說(shuō)明存在薄弱環(huán)節(jié);在隔振系統(tǒng)中加入限位裝置，能在一定限度內(nèi)減少設(shè)備沖擊響應(yīng)的位移，但設(shè)備本身受到的應(yīng)力會(huì)加大，且隔振效果減弱。

關(guān)鍵詞：Abaqus;限位;沖擊響應(yīng);仿真計(jì)算

中圖分類號(hào)：U663.7? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Simulation Calculation and Analysis of Shock

Response of Marine Controller

ZHANG Mingming1， ZHAO Jianhua2

（ 1. China Coast Guard Academy， Ningbo 315801; 2. Naval University of Engineering， Wuhan 430033 ）

Abstract： In order to compare the influence of a stopper on the shock response of the marine controller under elastic mounting condition， the vibration response of shock absorber model with a stopper is analyzed by theoretical calculation. Then， the finite element model of controllers shock resistant is established based on the Abaqus software. According to the BV043/85 standard， the same positive and negative triangular waves are loaded to the models with and without a stopper respectively under elastic mounting condition. According to the simulation calculation result， the influence of the stopper on the shock absorber and shock resistant property of the controller are analyzed. The result shows that there are weak links because the maximum stress of the controller appears in the same position with or without a stopper; adding a stopper to the shock absorber can reduce the displacement of the shock response of the equipment to a certain extent， but the stress on the equipment will increase and the effect of shock absorber will be weakened.

Key words： Abaqus; Stopper; Shock response; Simulation calculation

1? ? ?帶限位裝置的隔振器模型響應(yīng)計(jì)算分析

在通常的研究和工程運(yùn)用中，隔振器的非線性曲線采用以下三種形式：（1）線性和雙線性彈性特性曲線;（2）分段線性載荷特性曲線;（3）經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試得到的載荷—變形遲滯曲線載荷特性曲線。在除去阻尼影響的前提下，帶限位的隔振器非線性特性可以理想地看成是雙線性的。

限位器有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）只有當(dāng)被隔離的設(shè)備相對(duì)于限位器運(yùn)動(dòng)到給定的限位值時(shí)才開(kāi)始起作用;（2）通常情況下，限位器只能被壓縮，不能被拉伸;（3）理想的限位器隨著壓縮量的增加，剛度也會(huì)逐步地變大[1]。彈性限位器的力學(xué)模型，如圖2所示：模型中m為剛體的質(zhì)量，k1 、k2分別為隔振器和限位器的剛度，ΔX為間隙，X1為基座激勵(lì)作用位移，X2為剛體質(zhì)量響應(yīng)運(yùn)動(dòng)位移。對(duì)于該模型抗沖擊性能評(píng)估的主要指標(biāo)是：在額定的沖擊激勵(lì)下，質(zhì)量剛體m響應(yīng)的最大相對(duì)加速度am和最大相對(duì)位移Xm。

在圖1中，隔振器的形變?chǔ)臑閄2 -X1 （定義正值為隔振器拉伸，負(fù)值為壓縮），在不考慮阻尼的前提下，隔振器的恢復(fù)力與形變的關(guān)系是函數(shù)F （ δ ） 。由于帶限位的剛度是分段的，所以函數(shù)F （ δ ）為：

式中：ΔX0為初始的限位器間隙。

1.1? ?系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程

假定物體在沖擊開(kāi)始的瞬間是靜止的， 不考慮物體初始狀態(tài)的壓縮量，沖擊開(kāi)始的瞬間隔振器沒(méi)發(fā)生形變，初始的相對(duì)速度和位移都為0。對(duì)（2）式等號(hào)兩邊同時(shí)積分，可得：

當(dāng)壓縮過(guò)程結(jié)束達(dá)到最大變形位置δmax時(shí)，相對(duì)形變速度δ （ t ） = 0，這時(shí)X1 （ t ） 就是基座的速度V，即

由（4）式可以看出，沖擊結(jié)束瞬間的動(dòng)能等于隔振器壓縮過(guò)程結(jié)束時(shí)所儲(chǔ)存的勢(shì)能。已知沖擊載荷作用下的基座速度變化V、被隔離的物體的質(zhì)量m，以及隔振器剛度特性曲線F （ δ ），即可根據(jù)（4）式計(jì)算出隔振器的最大形變量δmax以及最大的沖擊傳遞力（ FT ） max：

式中：F （ δ ）可以根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得;V可以通過(guò)沖擊激勵(lì)計(jì)算得出：Amax是設(shè)備的加速度因子。

1.2? ?帶限位裝置的隔振器的響應(yīng)參數(shù)計(jì)算

對(duì)于船舶設(shè)備來(lái)說(shuō)，所受的沖擊激勵(lì)主要來(lái)自速度和加速度的沖擊激勵(lì)。在速度沖擊激勵(lì)下的隔振器最大形變響應(yīng)δmax、被隔離的設(shè)備最大位移X2max、加速度X2max以及最大傳遞力（ FT ） max，可以通過(guò)上述（1）、（5）式求得：

（1）設(shè)備的響應(yīng)位移未達(dá)到限位值ΔX0：

（2）設(shè)備的響應(yīng)位移達(dá)到限位值ΔX0：

對(duì)于帶限位器的模型，一般只討論響應(yīng)的位移達(dá)到限位值的情況。限位器的隔振效果可根據(jù)最大傳遞力（ FT ） max及最大響應(yīng)加速度X2max來(lái)衡量。在隔振器與限位器剛度一定的前提下，為了得到良好的隔振效果，需要對(duì)限位器的限位值ΔX0（即初始間隙）進(jìn)行研究。

把最大傳遞力（ FT ） max看成是關(guān)于變量ΔX0的一個(gè)函數(shù)，其他量都為已知或者通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得。對(duì)（14）式進(jìn)行求導(dǎo)：

令上式的值等于0，得到：

把最大形δmax變看成是關(guān)于變量ΔX0的一個(gè)函數(shù)，對(duì)（12）式求導(dǎo)：

令上式等于0，得到：

ΔX0的取值范圍為? ? ? ? ? ? ? ? ?，在取值范圍內(nèi)選取ΔX0的值時(shí)，應(yīng)該盡量避開(kāi)傳遞力的極大值點(diǎn)

與隔振器形變最大值點(diǎn)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

2? ? ?控制器建模

2.1? 控制器的結(jié)構(gòu)分析及有限元網(wǎng)格劃分

控制器主要由機(jī)箱、支架、隔振器及機(jī)箱內(nèi)部的元器件等組成。其中：機(jī)箱下部通過(guò)四只JSZ-3-20型和中間兩只JSZ-3-10型隔振器與支架連接，機(jī)箱側(cè)面通過(guò)四只GGT4.6-33型鋼絲繩隔振器與支架連接。

JSZ型隔振器全部由不銹鋼材料制造，具有工作頻率范圍寬、很低的共振頻率、良好的隔振效果、良好的抗沖擊能力、大阻尼、可實(shí)現(xiàn)三方向振動(dòng)隔離、耐疲勞、耐高低溫、防濕熱、防鹽霧、防霉菌、防有機(jī)溶劑等特點(diǎn)。底部隔振器具體參數(shù)，見(jiàn)表1。

GGT型鋼絲繩隔振器具備良好的隔振、緩沖和抗沖性能，具有多向變形，適應(yīng)惡劣環(huán)境的特點(diǎn)。側(cè)面隔振器具體參數(shù)，見(jiàn)表2。

由于模型的元器件較多，結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，所以在劃分網(wǎng)格前將模型作簡(jiǎn)化處理，忽略插孔、螺栓連接等對(duì)仿真結(jié)果影響不大的模型細(xì)節(jié)。整個(gè)模型采用四面體網(wǎng)格來(lái)劃分，單元?jiǎng)澐殖叽鐬?0 mm，共有102564個(gè)單元、186 598個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

2.2? ?ABAQUS仿真建模

先定義材料，將散熱器的材料定義為CU（銅）;外部的支架的材料定義為steel（鋼）;其余部件的材料定義為AL（鋁）。模型中部件與部件的連接，除隔振器處定義bushing（襯套）連接，其他都定義為MPC（多點(diǎn)約束）。

在確定了各個(gè)部件的材料特性之后，在Interaction（相互作用）模塊中對(duì)隔振器定義。彈性安裝帶限位的隔振器在達(dá)到限位的距離時(shí)，通過(guò)將隔振器的剛度設(shè)置成線性剛度的3倍以上達(dá)到限位的效果;不帶限位安裝時(shí)，將bushing各個(gè)方向的剛度都設(shè)置成常數(shù)。由于在沖擊過(guò)程中存在非線性，在step（分析步）模塊中將非線性計(jì)算打開(kāi)。

2.3? ?邊界條件設(shè)置

在Load模塊中創(chuàng)建邊界條件，選擇分析步類型為位移/轉(zhuǎn)角類型，選擇支架底面作為邊界條件作用位置，僅保留垂直方向上的自由度。

對(duì)于彈性安裝的設(shè)備，可以參考德國(guó)抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)BV043/85。該BV標(biāo)準(zhǔn)給出了大型水面艦艇的沖擊譜，并給出了將沖擊譜轉(zhuǎn)化為時(shí)域沖擊輸入的標(biāo)準(zhǔn)方法。

典型的設(shè)計(jì)沖擊譜為三折線譜，如圖3所示。其中：左邊為等譜位移段;中間為等譜速度段;右邊為等譜加速度段;通常用Ao、Vo、Do表示設(shè)計(jì)沖擊譜的加速度譜值、速度譜值、位移譜值。

根據(jù)BV043/85標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)沖擊譜可以等效為雙三角形加速度時(shí)間歷程。如圖4所示：

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，采用加載較為簡(jiǎn)單的三角波的方式。在Load（載荷）模塊中，在支架的底部加載垂直向上的雙三角波，如圖5所示。

3? ? 仿真結(jié)果與分析

3.1? ?應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果與分析

對(duì)控制器抗沖擊性能研究的最終目的，是其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)的要求。在整個(gè)沖擊過(guò)程中，由于安裝在支架上的通風(fēng)機(jī)是通過(guò)螺栓連接，屬于剛性安裝，而限位器及隔振器只對(duì)箱體及內(nèi)部的設(shè)備起作用。在沖擊作用的第4 ms和14.33 ms在支架與通風(fēng)機(jī)的連接處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力，分別達(dá)到了49.49 MPa和47.17 MPa。因?yàn)閷儆趧傂赃B接，所以出現(xiàn)應(yīng)力最大點(diǎn)的時(shí)刻與沖擊輸入的峰值時(shí)刻基本一致。

對(duì)于箱體及內(nèi)部彈性安裝的部分，對(duì)于有無(wú)限位器的兩種模型的應(yīng)力最大值都出現(xiàn)在安裝設(shè)備的底座上，說(shuō)明底座上存在強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)。帶限位器安裝的模型出現(xiàn)最大應(yīng)力處在第8 ms出現(xiàn)了第一個(gè)峰值，大小為31.11 MPa;不帶限位器的模型出現(xiàn)最大應(yīng)力處在第9.67 ms出現(xiàn)第一個(gè)峰值，大小為8.03 MPa。對(duì)于剛性安裝的設(shè)備來(lái)說(shuō)，沖擊從底部輸入到設(shè)備的響應(yīng)需要通過(guò)隔振器的緩沖吸收能量，這一過(guò)程需要一定的時(shí)間，所以出現(xiàn)了彈性安裝的設(shè)備的應(yīng)力響應(yīng)峰值滯后于沖擊輸入的峰值。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)帶限位器和不帶限位器兩種模型的對(duì)比分析，在模型的彈性安裝部件上選取應(yīng)力較集中的四個(gè)點(diǎn)作為考核點(diǎn)，包括：箱體的兩個(gè)側(cè)面各一個(gè)點(diǎn)、底側(cè)一個(gè)點(diǎn)以及應(yīng)力最大值點(diǎn)。

上述各點(diǎn)雖然輸入的沖擊相同，但帶限位器模型的應(yīng)力峰值遠(yuǎn)大于不帶限位器的模型。圖6為兩種模型各考核點(diǎn)的隨時(shí)間的響應(yīng)情況曲線，從圖中可以看出：帶限位器模型考核點(diǎn)的應(yīng)力峰值是不帶限位器模型相同考核點(diǎn)的應(yīng)力峰值的3倍左右;設(shè)備在沖擊過(guò)程中在接觸限位器之后響應(yīng)的頻率有所增加;帶限位器模型在達(dá)到輸入峰值之前先與限位器發(fā)生了非線性碰撞，它的應(yīng)力響應(yīng)峰值略提前于不帶限位器的模型。

3.2? ?位移響應(yīng)結(jié)果與分析

隔振器的壓縮量可以看出限位器對(duì)彈性安裝的設(shè)備位移限制的效果。選取底部的三個(gè)隔振器，通過(guò)分別計(jì)算其形變量來(lái)研究有無(wú)隔振器兩種模型的位移響應(yīng)特性，分析限位器對(duì)被隔振設(shè)備位移的影響。

在仿真計(jì)算中，將底部隔振器的設(shè)置限位值為16 mm，也就是說(shuō)當(dāng)隔振器的壓縮量為16 mm時(shí)其剛度發(fā)生了變化，所選的隔振器的位置如圖7所示。

各隔振器的位移響應(yīng)情況，如圖8所示。

定義隔振器壓縮為位移的正方向。由仿真得到的位移特性響應(yīng)曲線可以看出：不帶限位器模型的三個(gè)隔振器，同時(shí)在16.33 ms時(shí)刻達(dá)到壓縮的最大值，分別為42.16 mm、42.17 mm、42.17 mm;帶限位器的模型壓縮量的峰值，比不帶限位器的模型提前1 ms，最大值分別分別為38.45 mm、38.46 mm、38.47 mm。因此，可以得出以下結(jié)論：

（1）由于限位器的存在，帶限位器的模型隔振器比不帶限位器的模型隔振器的壓縮量略小，且響應(yīng)時(shí)間稍有提前;

（2）在沖擊過(guò)程中設(shè)備接觸限位器之后，系統(tǒng)的位移響應(yīng)頻率增大，與應(yīng)力響應(yīng)體現(xiàn)的結(jié)論一致;

（3）隔振器上端的位移響應(yīng)稍滯后于底端的響應(yīng)，滯后的這段時(shí)間內(nèi)沖擊的能量完全由隔振器吸收;

（4）由于該模型兩側(cè)存在隔振器，從同一時(shí)間3個(gè)隔振器的壓縮量都相同可以看出，被隔離設(shè)備底部的運(yùn)動(dòng)為上下平動(dòng)。

4? 總結(jié)

通過(guò)對(duì)某型船用控制器進(jìn)行仿真建模，并分別對(duì)其進(jìn)行帶限位器和不帶限位器兩種方式安裝，根據(jù)BV043/85標(biāo)準(zhǔn)加載沖擊輸入，對(duì)比其剛性安裝部件與彈性安裝部件的應(yīng)力響應(yīng)情況，并研究了限位器對(duì)隔振系統(tǒng)的影響，得出以下結(jié)論：兩種不同的安裝方式下，控制器在同一處出現(xiàn)了應(yīng)力最大值，說(shuō)明存在薄弱環(huán)節(jié)，需要在該部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng);在隔振系統(tǒng)中加入限位裝置，能在一定限度內(nèi)減少設(shè)備沖擊響應(yīng)的位移，但設(shè)備本身受到的應(yīng)力會(huì)加大，且在被隔離設(shè)備相對(duì)位移達(dá)到限位值時(shí)，系統(tǒng)的固有頻率升高，隔振器隔振效果減弱;控制器在BV043/85標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的沖擊下，各個(gè)部件的應(yīng)力強(qiáng)度都遠(yuǎn)小于自身的屈服極限，設(shè)備在該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的沖擊下安全。

參考文獻(xiàn)

[1]汪玉，胡剛義，華宏星，等. 帶限位器的船舶設(shè)備非線性沖擊響應(yīng)分

析[J].中國(guó)造船.2003，44（2）：39-44.