基于ANSYS WORKBENCH的艦載干涉儀設(shè)備結(jié)構(gòu)分析

濮贊泉，紀彥星，陶 俏，劉 恒

(1.中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153;2.91404部隊，河北 秦皇島 066000)

0 引 言

艦載雷達設(shè)備作為軍艦的核心組成部分，如何在滿足性能的要求下做到重量輕、體積小、剛度高一直是近年來的研究熱點。艦船在水面航行時受海面風(fēng)浪影響會發(fā)生縱搖、橫搖、垂蕩，由此帶來的振動和沖擊會對艦載雷達設(shè)備產(chǎn)生很大的影響[1]。此外，風(fēng)載荷是必須考慮的一種主要載荷，特別是在強度計算時，風(fēng)載荷常常起著決定性的作用，不但影響雷達設(shè)備結(jié)構(gòu)強度，還會引起結(jié)構(gòu)變形，嚴重影響天線的精度，造成偏焦和指向誤差[2]，所以有必要對雷達設(shè)備在多種載荷和振動、沖擊作用下的受力變形和應(yīng)力情況進行研究，以檢驗其結(jié)構(gòu)的可靠性。

本文以一型艦載干涉儀設(shè)備為例，運用有限元法對其骨架結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析，計算結(jié)果表明該干涉儀設(shè)備骨架的整體結(jié)構(gòu)性能滿足剛強度設(shè)計要求，為后續(xù)設(shè)計和優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 有限元模型建立

1.1 模型簡化

該艦載干涉儀設(shè)備是一個由眾多元器件和零部件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，且各零部件之間的連接關(guān)系較為復(fù)雜，因此必須在滿足計算精度的范圍內(nèi)對模型進行簡化處理。模型的簡化直接影響計算速度和計算準確度，根據(jù)建立系統(tǒng)有限元模型的一般原則，忽略其天線座結(jié)構(gòu)中對系統(tǒng)剛、強度影響較小的零部件的作用，在AnsysWorkbench軟件中將各元器件去除，忽略過渡圓弧、微小的凸臺和孔、淺槽等結(jié)構(gòu)特征，主要對由機柜和天線支架構(gòu)成的干涉儀設(shè)備骨架結(jié)構(gòu)進行剛強度分析計算。簡化后的模型如圖1所示。

圖1 骨架簡化模型

1.2 材料選擇

設(shè)計采用鑄鋁ZL101A-S-T5作為骨架結(jié)構(gòu)主體材料，其材料主要性能參數(shù)見表1。

表1 鑄鋁ZL101A-S-T5主要性能參數(shù)

1.3 網(wǎng)格劃分

將簡化后的干涉儀骨架模型導(dǎo)入AnsysWorkbench，賦予材料，進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣直接影響計算結(jié)果的準確性，網(wǎng)格越小，計算結(jié)果越精確，但計算速度變慢，同時還會出現(xiàn)畸變現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)果失真。本文采用尺寸控制方法通過ElementSizing 選項設(shè)置單元尺寸，得到125 880個四面體單元，如圖2所示。

圖2 骨架網(wǎng)格劃分

2 結(jié)構(gòu)力學(xué)特征分析

2.1 靜力學(xué)分析

作用于干涉儀設(shè)備上的風(fēng)載荷可以用下式計算[3]：

F=CFqA

(1)

式中，q為動壓，其大小與空氣密度有關(guān)，在標準大氣壓下，當溫度為15 ℃時，ρ=0.125 kg·s2/m4，故沿海地區(qū)一般取q=1/17v2；CF為風(fēng)力系數(shù)，與結(jié)構(gòu)形狀及雷諾數(shù)有關(guān)，參考同類型設(shè)備取1.41[4]；A為天線的特征面積，m2；v為風(fēng)速，m/s。

根據(jù)艦船設(shè)備風(fēng)速環(huán)境要求，露天設(shè)備應(yīng)能承受60 m/s的相對風(fēng)速而不損壞，經(jīng)計算得到60 m/s平穩(wěn)風(fēng)速對應(yīng)的等效靜載荷為659 N。對自重、60 m/s風(fēng)載荷共同作用下的干涉儀骨架進行剛強度分析，得到的應(yīng)力分布云圖和變形云圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)載荷作用下骨架變形和應(yīng)力分布

數(shù)值模擬結(jié)果表明：在風(fēng)載荷作用下，骨架的應(yīng)力最大值位于機柜上端內(nèi)部加強筋處，最大應(yīng)力為17.1 MPa；最大形變0.51 mm發(fā)生在骨架左上角邊緣處。

2.2 模態(tài)分析

設(shè)備在運輸、安裝以及穩(wěn)定運行階段均受到振動作用，有可能產(chǎn)生共振現(xiàn)象。為避免因共振造成系統(tǒng)設(shè)備損傷和破壞，須對設(shè)備系統(tǒng)進行模態(tài)分析，以確定設(shè)備系統(tǒng)的固有頻率和振型，固有頻率和振型是承受動態(tài)荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)，結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下各截面的最大內(nèi)力和位移都與結(jié)構(gòu)自由振動時的頻率和振動形式密切相關(guān)[5]，是進行各項動力分析的前提和基礎(chǔ)。

通過數(shù)值模擬得到的干涉儀設(shè)備骨架前6階振型如圖4所示，前6階的固有頻率如表2 所示。

圖4 模態(tài)變形圖

表2 干涉儀骨架固有頻率

2.3 振動分析

艦船上存在周期振動和隨機振動：周期振動由螺旋槳葉片的擾動和螺旋槳軸系的不平衡力等引起；隨機振動由艦船航速、航向、各種操作和海情等變化引起。艦載干涉儀設(shè)備安裝于艦船的主體區(qū)，按相關(guān)標準[6]在數(shù)值模擬中施加1 g垂直加速度載荷，得到干涉儀骨架結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形情況如圖5所示。

圖5 振動載荷作用下骨架變形和應(yīng)力分布

數(shù)值模擬結(jié)果表明，在1 g垂直加速度載荷作用下，干涉儀骨架應(yīng)力最大值位于干涉儀機柜上部兩側(cè)加強筋處，為13.2 MPa；最大形變發(fā)生在干涉儀機柜上部開口邊緣處，為0.63 mm。

2.4 沖擊分析

在受到水下非接觸爆炸的時域沖擊載荷時，艦船設(shè)備由于慣性力會產(chǎn)生沖擊響應(yīng)和變形，根據(jù)相關(guān)標準[7]，水面艦船機械電子設(shè)備在不使用抗沖擊隔離元件時采用的沖擊譜如表3所示。

表3 艦載干涉儀設(shè)備各向彈性設(shè)計沖擊譜

對于甲板安裝位置的設(shè)備，表中Aa、Va按下列公式計算：

(2)

(3)

再根據(jù)下列公式轉(zhuǎn)化為等效的如圖6所示的時域加速度曲線：

圖6 等效雙三角形時域曲線沖擊條件

A1=0.6A0

(4)

t2=1.5V0/A1

(5)

t4=6.3D0/1.6A1t2

(6)

A2=-A1t2/(t4-t2)

(7)

t1=0.4t2

(8)

t3=t2+0.6(t4-t2)

(9)

式中，A0、V0和D0分別為模型對應(yīng)的沖擊譜中的等加速度譜、等速度譜和等位移譜。

數(shù)值模擬得到干涉儀骨架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 沖擊載荷作用下骨架應(yīng)力云圖

數(shù)值模擬結(jié)果表明：在沖擊載荷作用下，干涉儀骨架應(yīng)力最大值位于上部加強筋和面板的連接處，為55.3 MPa。

3 結(jié)束語

本文利用三維建模軟件建立了典型艦船用干涉儀設(shè)備骨架模型，利用Ansys Workbench軟件對干涉儀骨架進行了結(jié)構(gòu)力學(xué)特征分析。計算結(jié)果表明：在極限風(fēng)速作用下，最大應(yīng)力為18.2 MPa；在振動、沖擊載荷作用下，最大應(yīng)力為55.3 MPa，主要集中分布在干涉儀骨架上部加強筋和面板的連接處。該艦載干涉儀選用牌號ZL101A-S-T5鑄鋁材料，抗拉強度σb=225 MPa，各種工況下干涉儀骨架所受應(yīng)力均小于材料的抗拉強度，表明該結(jié)構(gòu)形式的干涉儀骨架整體結(jié)構(gòu)性能滿足剛強度設(shè)計要求。