鈦合金過濾器抗沖擊性能分析

侯宗宗，孫耀峻,梁 晨，張 輝

(中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023)

艦船在海上可能遭受來自空中或水中爆炸物的威脅，承受的爆炸形式分為接觸性和非接觸性。由于船體結(jié)構(gòu)能吸收大部分的爆炸沖擊，故接觸性爆炸僅波及局部范圍，造成高強度的局部破壞；而非接觸性爆炸的沖擊力在水中傳播能量大、范圍廣，會造成比較嚴重的損害，所以，研究非接觸性爆炸對于保障艦船的安全性極為重要[1，2]。目前，抗沖擊分析法主要包括爆炸實驗法和有限元仿真分析法。由于艦船設(shè)備造價昂貴，同時爆炸試驗的作用時間短且難以控制，因此有限元仿真分析法更適用于艦船抗沖擊性能的研究。

當(dāng)前，對艦船設(shè)備進行抗沖擊有限元分析的方法包括靜態(tài)等效分析法、動態(tài)設(shè)計分析法和時域分析法[3，4]。靜態(tài)等效分析法只考慮受沖擊結(jié)構(gòu)的質(zhì)量效應(yīng)，在計算一階響應(yīng)時可獲得較適用的精度，而當(dāng)艦船設(shè)備遭受高階響應(yīng)時則不適用，具有一定的局限性[5]；動態(tài)設(shè)計分析法是基于模態(tài)分析的線性分析，可以定量地進行艦船設(shè)備強度校核，對線性結(jié)構(gòu)的強度最大值分析，具有較好的優(yōu)越性[6]。時域分析法即正負三角波法，是采用時間歷程曲線作為艦船設(shè)備受沖擊載荷的輸入條件，能夠?qū)υO(shè)備進行瞬態(tài)動力學(xué)分析，可用于分析非線性材料和設(shè)備的受力情況[7]。德國頒布的軍艦艇建造規(guī)范BV043/85《沖擊安全性》中，規(guī)定了將沖擊響應(yīng)譜轉(zhuǎn)換為時間歷程曲線的方法。而我國主要采用動態(tài)設(shè)計分析法，并基于此法制定了關(guān)于艦船抗沖擊計算的規(guī)范——GJB 1060.1—1991《艦船環(huán)境條件要求 機械環(huán)境》。

艦船壓載水系統(tǒng)對于保證艦船穩(wěn)定性和航行安全具有重要作用，過濾器是該系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的設(shè)備，能夠處理海水中的顆粒污物，保證壓載水系統(tǒng)的正常穩(wěn)定工作。鈦及鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性優(yōu)良、焊接性能好等優(yōu)點，是制造艦船設(shè)備的極佳材料[8，9]。本實驗以ZTi60合金壓載水過濾器為研究對象，分別采用動態(tài)設(shè)計分析法和時域分析法計算其抗沖擊性能，同時研究艦船過濾器材質(zhì)對其抗沖擊性能的影響，以期為正確評估艦船壓載水過濾器在沖擊載荷作用下的可靠性與安全性提供參考。

1 抗沖擊分析法及模型建立

1.1 動態(tài)設(shè)計分析法

動態(tài)設(shè)計分析法是一種基于模態(tài)理論的分析方法。該方法認為系統(tǒng)由多個單自由度的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)組合而成，然后對每個單自由度系統(tǒng)的振型和頻率進行計算，通過對每個系統(tǒng)進行設(shè)計沖擊譜的計算而獲得相應(yīng)的位移和應(yīng)力，最后基于所有的單自由度系統(tǒng)位移和應(yīng)力獲得總體系統(tǒng)的響應(yīng)。根據(jù)GJB 1060.1—1991《艦船環(huán)境條件要求機械環(huán)境》[10]，艦船壓載水過濾器安裝于船體及外板部位，在計算不同方向的沖擊時，計算系數(shù)分別為橫向0.4、垂向1.0、縱向0.2[11]。沖擊加速度和沖擊速度計算公式分別為：

(1)

(2)

式中：A0為沖擊加速度，m/s2；V0為沖擊速度，m/s；M0為設(shè)備的模態(tài)質(zhì)量，t。

1.2 時域分析法

時域分析法的沖擊譜可分為等位移段、等速度段、等加速度段，主要參數(shù)為最大位移、速度、加速度譜值[12]。德國軍艦艇建造規(guī)范BV043/85《沖擊安全性》中給出了響應(yīng)譜轉(zhuǎn)化為時域正負三角波的方法[13]。圖1為轉(zhuǎn)換后的三角波時域載荷曲線，圖中a1是正三角波峰值，a2是負三角波峰值，t1是正三角波開始時間，t3是正三角波脈寬，t2和t4分別為峰值a1和a2相對應(yīng)的時間，t5為三角波時域載荷作用的總時間。正三角波的面積對應(yīng)沖擊速度的最大值。

圖1 三角波時域載荷曲線Fig.1 Curve of time-domain under triangular load

1.3 模型建立

過濾器主要包括殼體和濾網(wǎng)。其中，過濾器的殼體為鑄件，材質(zhì)為ZTi60合金；濾網(wǎng)的材質(zhì)為TA2純鈦。圖2為過濾器的三維模型。

圖2 過濾器的三維模型Fig.2 Three-dimensional mode of filter

對過濾器的三維模型進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。將過濾器的各個結(jié)構(gòu)部分賦予相應(yīng)的材料，并根據(jù)等效管板理論將濾網(wǎng)處理為薄板[6]。模型邊界條件：過濾器的進、出口法蘭端設(shè)置為固定約束，過濾器內(nèi)部施加5 MPa的壓力，并在垂向方向上設(shè)置重心引力作用。

圖3 過濾器的網(wǎng)格模型Fig.3 Mesh model of filter

2 抗沖擊性能分析

2.1 動態(tài)設(shè)計分析法

按照GJB 1060.1—1991[10]，根據(jù)公式(1)、(2)對過濾器不同方向的模態(tài)進行分析。結(jié)果顯示，橫向、垂向、縱向的模態(tài)質(zhì)量均大于過濾器總質(zhì)量的80%。選擇過濾器不同方向模態(tài)質(zhì)量占比較大的所有模態(tài)，進行沖擊加速度計算，結(jié)果見表1。

表1 過濾器不同方向的沖擊加速度

將表1中沖擊加速度值分別添加至過濾器模型，對其進行抗沖擊分析。圖4為過濾器在時域沖擊載荷最大峰值處的沖擊應(yīng)力分布云圖。從圖4可以看出，橫向、垂向、縱向的最大沖擊應(yīng)力值分別為127.01、204.83、70.69 MPa；垂向應(yīng)力最大，主要集中分布在筒蓋頂端和進出口接管與殼體連接處，其他位置的應(yīng)力均較低。

圖4 基于動態(tài)設(shè)計分析法得到的過濾器不同方向的沖擊應(yīng)力分布云圖Fig.4 Impact stress distribution nephograms of filter in different directions obtained by dynamic design analysis method: (a) horizontal； (b) vertical； (c) longitudinal

GJB 1060.1—1991規(guī)定，抗沖擊等級為A級的設(shè)備，沖擊載荷作用下設(shè)備結(jié)構(gòu)響應(yīng)的最大應(yīng)力不得超過材料的靜屈服極限，二者的比值定義為失效系數(shù)n[1]：

(3)

式中：σmax為應(yīng)力峰值，MPa；σs為屈服強度，MPa。

根據(jù)GJB 1060.1—1991，當(dāng)n小于1時，可判定結(jié)構(gòu)安全，且n越小結(jié)構(gòu)越安全；當(dāng)n大于1時，結(jié)構(gòu)設(shè)計則不滿足要求。ZTi60合金的屈服強度為590 MPa，經(jīng)式(3)計算可知，垂向、橫向和縱向3個方向上的失效系數(shù)n均小于1。其中，垂向失效系數(shù)最大，為0.347。由此可見，過濾器整體結(jié)構(gòu)滿足抗沖擊設(shè)計要求。

2.2 時域分析法

將利用動態(tài)設(shè)計分析法計算獲得的沖擊載荷作為沖擊響應(yīng)，并將沖擊響應(yīng)譜轉(zhuǎn)換為正負三角波載荷，從而得到過濾器橫向、垂向和縱向3個方向上的三角波載荷時域曲線，如圖5所示。從圖5可以看出，過濾器垂向的沖擊加速度最大，橫向次之，縱向最小；垂向的沖擊作用時間最短，橫向次之，縱向作用時間最長。因此，過濾器垂向的抗沖擊能力是沖擊性能評估的重點。

圖5 三角波載荷下過濾器不同方向的時域曲線Fig.5 Curves of time-domain of filter under triangular wave load in different directions: (a) horizontal； (b) vertical; (c) longitudinal

在工況條件與2.1節(jié)動態(tài)分析一致的條件下，將正負三角波沖擊載荷分別作用在過濾器模型上進行沖擊應(yīng)力計算。圖6為過濾器在時域沖擊載荷最大峰值處的沖擊應(yīng)力分布云圖。由圖6可知，過濾器橫向、垂向和縱向的最大沖擊應(yīng)力分別為86.193、150.25、47.741 MPa；最大沖擊應(yīng)力位于過濾器筒蓋頂端；從過濾器不同方向的沖擊載荷來看，垂向的應(yīng)力響應(yīng)最大，橫向次之，縱向最小。所獲得的過濾器應(yīng)力分布云圖及應(yīng)力值大小與動態(tài)設(shè)計分析法結(jié)果基本一致，由此驗證了過濾器抗沖擊分析結(jié)果的準確性。此外，時域分析法能夠計算出每個時刻所受沖擊的應(yīng)力值，且計算精度較高，因而能更好地模擬艦船所處的沖擊環(huán)境。

圖6 基于時域分析法得到的過濾器不同方向的沖擊應(yīng)力分布云圖Fig.6 Impact stress distribution nephograms of filter in three directions obtained by time-domain analysis method: (a) horizontal； (b) vertical; (c) longitudinal

2.3 不同材質(zhì)過濾器的抗沖擊性能

為了研究材質(zhì)對過濾器抗沖擊性能的影響，分別選用TA2純鈦、ZTi60合金和QAl10-5-5銅合金作為過濾器殼體材料。表2為TA2純鈦、ZTi60合金和QAl10-5-5銅合金的材料屬性。

表2 不同材料的屬性

采用動態(tài)設(shè)計分析法對不同材質(zhì)過濾器的抗沖擊性能進行計算。計算時，在保證其他工況條件完全一致的情況下，只改變過濾器殼體的材質(zhì)，方法同2.1節(jié)。結(jié)果顯示，過濾器最大沖擊應(yīng)力均為垂向應(yīng)力。圖7為不同材質(zhì)過濾器的垂向沖擊應(yīng)力分布云圖。由圖7可知，在相同的沖擊作用下，結(jié)構(gòu)相同的過濾器其沖擊應(yīng)力分布基本一致，最大沖擊應(yīng)力均位于過濾器筒蓋頂端。

圖7 基于動態(tài)設(shè)計分析法得到的不同材質(zhì)過濾器垂向沖擊應(yīng)力分布云圖Fig.7 Impact stress distribution nephograms of filters with different materials in vertical direction obtained by dynamic design analysis method: (a) TA2 pure titanium； (b) ZTi60 alloy； (c) QAl10-5-5 copper alloy

表3為采用動態(tài)設(shè)計分析法得到的不同材質(zhì)過濾器的最大沖擊應(yīng)力和失效系數(shù)。由表3可知，TA2純鈦和ZTi60合金的最大沖擊應(yīng)力和失效系數(shù)均小于QAl10-5-5銅合金，說明過濾器殼體材質(zhì)對沖擊應(yīng)力影響較大。根據(jù)失效系數(shù)大小，不同材質(zhì)過濾器的抗沖擊性能由強到弱排序為ZTi60合金、TA2純鈦、QAl10-5-5銅合金。

表3 不同材質(zhì)過濾器的抗沖擊性能

3 結(jié) 論

(1) 利用動態(tài)設(shè)計分析法與時域分析法計算得到的艦船壓載水過濾器的沖擊應(yīng)力大小及分布規(guī)律基本一致，由此驗證了抗沖擊分析與評估結(jié)果的有效性，能夠為過濾器的設(shè)計提供參考。

(2) 從過濾器不同方向的沖擊載荷來看，垂向的應(yīng)力響應(yīng)最大，橫向次之，縱向最小。材質(zhì)為ZTi60合金的過濾器最大失效系數(shù)為0.347，過濾器整體無危險部件，滿足GJB 1060.1—1991中對抗沖擊設(shè)計的要求。

(3) 在相同的沖擊載荷作用下，結(jié)構(gòu)相同、材質(zhì)不同的過濾器沖擊應(yīng)力分布基本一致；材質(zhì)為TA2純鈦和ZTi60合金過濾器的最大沖擊應(yīng)力和失效系數(shù)明顯小于QAl10-5-5銅合金；不同材質(zhì)過濾器的抗沖擊性能由強到弱為ZTi60合金、TA2純鈦、QAl10-5-5銅合金。