某艦載機(jī)柜抗沖擊仿真計算*

侯世紅

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068）

1 引言

沖擊是造成艦船設(shè)備失效的重要原因之一。艦船設(shè)備容易遭受到接觸式爆炸或者非接觸式爆炸產(chǎn)生的沖擊作用而破壞或喪失功能，尤其以水下非接觸式爆炸引起的沖擊破壞最具代表性。因此，各國海軍對艦船設(shè)備的抗沖擊能力尤為重視，要求艦船設(shè)備設(shè)備必須進(jìn)行必要的抗沖擊試驗或者沖擊動力學(xué)分析，也制定了相應(yīng)的抗沖擊試驗標(biāo)準(zhǔn)，典型的有德國1985年頒布的BV043/85和美國1989年頒布的MIL-S-901D，我國于1991年頒布了相應(yīng)的國軍標(biāo)GJB1060.1，對艦船設(shè)備的沖擊試驗和動力學(xué)分析做了規(guī)定［1～3］。

2 沖擊設(shè)計方法

目前常用于艦船設(shè)備抗沖擊動力學(xué)分析計算的方法主要有靜G法，譜分析法（BV043/85規(guī)定譜、DDAM）和時域分析法。

靜G法又稱為等效靜力法或者沖擊設(shè)計系數(shù)法，是基于靜力學(xué)分析理論，將設(shè)備沖擊載荷等效轉(zhuǎn)化為成某一倍數(shù)的靜載荷，以靜態(tài)強(qiáng)度評估設(shè)備的動態(tài)響應(yīng)，該方法簡單方便，適合分析計算以一階響應(yīng)為主引起的沖擊破壞。

譜分析法以模態(tài)分析為基礎(chǔ)，將設(shè)備簡化為線性的彈簧和質(zhì)量系統(tǒng)，將沖擊設(shè)計譜作為系統(tǒng)的輸入條件，常見的沖擊設(shè)計輸入譜主要有位移譜、速度譜和加速度譜。常見的譜分析方法主要是前聯(lián)邦德國國防軍艦艇建造規(guī)范BV043/85規(guī)定譜和DDAM。BV043/85規(guī)定譜主要是三折線譜，根據(jù)頻率不同可選擇等位移譜、等速度譜、等加速度譜。DDAM是美國海軍廣泛使用的基于沖擊反映譜的分析方法，設(shè)計沖擊譜是依據(jù)經(jīng)驗公式，綜合考慮了艦船設(shè)備在船體的安裝位置、設(shè)備本身的抗沖擊要求等級、沖擊輸入方向、模態(tài)分析結(jié)果以及與之相應(yīng)的模態(tài)質(zhì)量等因素計算出沖擊輸入譜值。但是DDAM只能分析線彈性安裝的設(shè)備，且沒有考慮臨近設(shè)備和船體輸入對沖擊的影響，同時對于密集模態(tài)，可能產(chǎn)生較大誤差，因此有一定局限性。

時域分析法是將特定的時間歷程曲線作為分析系統(tǒng)的沖擊輸入載荷，從而可以獲得任一時刻和節(jié)點處的沖擊響應(yīng)。本文以某艦載機(jī)柜作為研究對象，通過將BV043/85中規(guī)定的譜值轉(zhuǎn)化為時域分析的輸入值進(jìn)行分析和計算［4～8］。

3 沖擊設(shè)計輸入

3.1 典型的沖擊設(shè)計譜

根據(jù)德國BV043/85標(biāo)準(zhǔn)，典型的沖擊輸入譜為三折線譜，具體形式如圖1，根據(jù)頻率不同可將沖擊譜譜線分為等位移譜、等速度譜和等加速度譜［9～10］。

圖1 典型的沖擊譜譜線

根據(jù)機(jī)柜在船體上的安裝位置，屬于甲板安裝的乙類設(shè)備，根據(jù)BV043/85標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的沖擊分析等級，選擇的沖擊設(shè)計輸入譜值如表。

表1 乙類設(shè)備沖擊譜譜值

3.2 沖擊譜轉(zhuǎn)化為時間歷程曲線

對于時域分析方法，根據(jù)輸入的時間歷程曲線的不同可分為鋸齒波法、正負(fù)三角波法、半正弦法等，對于正負(fù)三角波法，其對應(yīng)的時間歷程曲線形式如圖2，由正負(fù)兩個三角脈沖組成，正脈沖加速度峰值大，持續(xù)時間短，負(fù)脈沖加速度峰值小，但是持續(xù)時間長。正負(fù)兩個脈沖面積（圖中三角形所示面積）相等，致使其最終速度為零。

圖2 正負(fù)三角波時間歷程曲線

在使用時域分析方法的過程中，由于通過實測方法得到的時間歷程曲線有很大的不確定性，很難得到較為穩(wěn)定且唯一的時間歷程曲線，對分析結(jié)果的穩(wěn)定性有較大的影響。因此BV043/85標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了從規(guī)定譜轉(zhuǎn)化為正負(fù)三角波形式的時間歷程曲線。其轉(zhuǎn)化關(guān)系如下：

通過式（1）將表1中的沖擊普譜值轉(zhuǎn)化為正負(fù)三角波時間歷程曲線，得到的計算輸入載荷如表2。

表2 沖擊計算輸入載荷

3.3 隔振器等效處理

機(jī)柜底部和背部均安裝無諧振峰隔振器，其型號及性能參數(shù)如表3，根據(jù)其工作原理，可將其簡化為彈簧和摩擦力系統(tǒng)，其簡化的理論模型如圖3所示。

表3 隔振器參數(shù)

圖3 隔振器理論模型

對于一般的彈簧和摩擦力的組合，其振動方程如下：

對于彈簧和摩擦力系統(tǒng)組成的隔振器模型，當(dāng)摩擦力較小時，可將摩擦力簡化為等效阻尼，簡化原則是假設(shè)系統(tǒng)做簡諧強(qiáng)迫振動，在一個運(yùn)動周期內(nèi)，摩擦力做的功和等效阻尼所消耗的能量相等。從而將彈簧和摩擦力隔振系統(tǒng)，簡化為彈簧阻尼系統(tǒng)［11～13］。

簡化滿足如下的關(guān)系式：

由此可以得到摩擦力的等效阻尼為

式中：C為等效阻尼，ω為系統(tǒng)解鎖頻率，δ為阻尼器相對位移，F(xiàn)f為摩擦力。

4 抗沖擊仿真計算

4.1 建立機(jī)柜有限元模型

某艦載機(jī)柜，其結(jié)構(gòu)組成主要有機(jī)柜本體（機(jī)柜骨架、前后門板、蓋板）、插箱、背部及底部隔振器、導(dǎo)軌、溫控系統(tǒng)及其他相關(guān)附件組成，在機(jī)柜實際使用過程中，模塊及相關(guān)電子設(shè)備裝在插箱里，插箱固定在導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌直接或間接的固定在機(jī)柜側(cè)面，插箱可通過導(dǎo)軌進(jìn)行推拉。在該模型計算中，機(jī)柜內(nèi)部共有五個插箱，每個插箱的重量分別是 18.9kg、40kg、45kg、41kg、38.5kg，（共計 183.4kg的載荷）［14］。

該分析模型中，所采用主要材料為鋼和鋁合金，其中，機(jī)柜骨架、前后門板、蓋板為線性鋁材料，插箱、導(dǎo)軌、減震器及固定件、假面板、接插件等為線性鋼材料，其材料性能如表4。

表4 各部件材料力學(xué)性能

在進(jìn)行有限元仿真計算時，為了減少計算量，提高計算效率，需要對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡化，在本案例的仿真計算中，對機(jī)柜模型做以下簡化：

1）將螺栓連接視為焊接；

2）簡化結(jié)構(gòu)模型，刪除與分析結(jié)果無關(guān)或者對結(jié)果影響較小的微小特征；

3）將各插箱簡化為等質(zhì)量及等轉(zhuǎn)動慣量的實體。

經(jīng)過模型處理和網(wǎng)格劃分，得到機(jī)柜的有限元網(wǎng)格模型，如圖4所示。

圖4 機(jī)柜網(wǎng)格模型

4.2 計算結(jié)果分析

利用仿真軟件Ansys Workbench平臺下的“Transient Structural”模塊，將表2中的數(shù)據(jù)作為輸入載荷，根據(jù)機(jī)柜的實際使用情況，設(shè)置相應(yīng)的約束條件，得到機(jī)柜在受到垂向、橫向、縱向沖擊載荷作用下的沖擊仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 沖擊仿真結(jié)果

由圖5可知，機(jī)柜在給定沖擊輸入載荷作用下，垂向沖擊最大應(yīng)力為144MPa，橫向沖擊最大應(yīng)力為126.3MPa，縱向沖擊最大應(yīng)力為90.195MPa。由于三向沖擊載荷響應(yīng)結(jié)果均未超過其材料的屈服應(yīng)力，因此，從動力學(xué)分析可知，機(jī)柜在沖擊載荷作用下滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

通過采用基于正負(fù)三角波的時域分析方法，利用有限元分析軟件Ansys Workbench平臺下的“Transient Structural”瞬態(tài)動力學(xué)分析模塊，對某艦載機(jī)柜進(jìn)行了在加速度載荷作用下的垂向、橫向、縱向的抗沖擊性能仿真計算。由計算結(jié)果可知，機(jī)柜在給定沖擊輸入載荷作用下，三向沖擊仿真結(jié)果的最大應(yīng)力均未超過其材料的屈服應(yīng)力。因此，從動力學(xué)分析可知，機(jī)柜在沖擊載荷作用下滿足設(shè)計要求。