基于ANSYS的某船艙口蓋抗沖擊分析研究

王海江，陳艷鋒，覃勇，玉譽斌

（中船華南船舶機械有限公司，廣西 梧州 543004）

0 引言

現(xiàn)代艦船在海戰(zhàn)中必然會面臨非接觸爆炸引起的沖擊破壞問題。在非接觸爆炸沖擊環(huán)境下，即使艦艇結(jié)構(gòu)處于安全半徑之內(nèi)，艦載主要機電設(shè)備和武器電子設(shè)備也可能由于承受過大的沖擊加速度或位移而遭到破壞，從而喪失戰(zhàn)斗力。艙口蓋作為艦船的重要設(shè)備，是物資轉(zhuǎn)運通道，艙口蓋閉合時，通過周邊鎖銷鎖緊。當艙口蓋在非接觸爆炸沖擊載荷作用下，破壞失效時，將影響甲板完整性，最終影響艦船完成使命任務(wù)。按照GJB1060.1“艦船環(huán)境條件要求 機械環(huán)境”規(guī)定，船艙口蓋抗沖擊等級為A級，安裝位置屬于Ⅰ類區(qū)域，屬于船體部位安裝設(shè)備，即為甲類設(shè)備，應(yīng)按GJB150.18中試驗1“0艦船設(shè)備的沖擊試驗”的規(guī)定進行抗沖擊試驗，以檢驗其在沖擊載荷下的可靠性。

鑒于某船艙口蓋過大、過重，不具備沖擊試驗條件，而現(xiàn)代艦船設(shè)計時，都應(yīng)該進行抗沖擊試驗的要求，對于不能進行抗沖擊試驗的設(shè)備，應(yīng)進行有限元動態(tài)設(shè)計DDAM，以檢驗設(shè)備的抗沖擊能力。為此，本文采用Ansys的DDAM動力設(shè)計分析法，對本船艙口蓋進行抗沖擊分析，得到譜分析應(yīng)力云圖，校核艙口蓋設(shè)計強度，確保艙口蓋在非接觸爆炸沖擊環(huán)境下還能安全使用，同時通過本文分析研究對艙口蓋抗沖擊設(shè)計提出優(yōu)化設(shè)計建議。

1 抗沖擊計算方法

目前在抗沖擊領(lǐng)域可用于結(jié)構(gòu)設(shè)備的抗沖擊計算方法主要有：沖擊設(shè)計系數(shù)法（靜g法）、譜分析法（BV043/85中規(guī)定譜、DDAM）和時間歷程法。

沖擊設(shè)計系數(shù)法是將瞬態(tài)沖擊等效為數(shù)倍重力的靜力學(xué)分析問題，只考慮受沖擊結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布對沖擊的影響，計算誤差較大。

譜分析法是將設(shè)計沖擊譜作為系統(tǒng)的沖擊輸入，并對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進行模態(tài)分析，對模態(tài)分析結(jié)果進行合成，從而求得系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)，用于結(jié)構(gòu)抗沖擊計算，計算誤差較小。

時間歷程法是規(guī)定系統(tǒng)承受某一沖擊的時間信號，將其作為沖擊輸入，以計算系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)，獲得模型每一時刻每一節(jié)點的應(yīng)力和應(yīng)變，一般用于電子類產(chǎn)品環(huán)境沖擊試驗。

本研究采用的是譜分析法中的DDAM（Dynamic Design Analysis Method，動態(tài)設(shè)計分析法）是美國海軍廣泛使用的基于沖擊譜的應(yīng)用分析方法，是基于結(jié)構(gòu)振動模態(tài)疊加的設(shè)計方法，分析時將模型簡化成彈簧-質(zhì)量單自由度或多自由度系統(tǒng)，在計算出模態(tài)振型和模態(tài)質(zhì)量后，根據(jù)沖擊譜的輸入，得出模態(tài)位移和應(yīng)力，用于判斷結(jié)構(gòu)抗沖擊性能。

基于艙口蓋是連續(xù)體結(jié)構(gòu)，分析時將其簡化成彈簧-質(zhì)量單自由度系統(tǒng)，按照DDAM譜分析方法，將沖擊譜的速度譜和加速度譜輸入，可以得到各階模態(tài)的響應(yīng)，然后將各階模態(tài)響應(yīng)進行合成，得到總響應(yīng)，計算出艙口蓋在沖擊譜作用下的應(yīng)力，再與材料的屈服強度進行對比，用以判斷艙口蓋抗沖擊性能。

2 抗沖擊分析

2.1 艙口蓋三維模型

模型如圖1所示，艙口蓋由面板和縱橫筋板焊接而成，一側(cè)布置兩個銷軸鉸接點，用于艙口蓋打開和閉合，其余三側(cè)布置鎖銷孔，用于艙口蓋鎖緊固定。艙口蓋外形尺寸見表1。

圖1 艙口蓋三維模型

表1 艙口蓋尺寸

用艙口蓋三維模型進行ANSYS的DDAM譜分析時，分別從X、Y、Z三個方向?qū)Y(jié)構(gòu)施加沖擊載荷（X為橫向，Y為縱向，Z為垂向），得出結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析云圖，找出應(yīng)力集中點，進行結(jié)構(gòu)強度校核。

艙口蓋材料為DH460，材料性能見表2。

表2 艙口蓋材料參數(shù)

2.2 模態(tài)分析

艙口蓋在進行抗沖擊分析之前，首先需要進行模態(tài)分析，提取艙口蓋固有頻率，經(jīng)分析得艙口蓋前6階模態(tài)頻率，如表3所示。1～6階模態(tài)振型如圖2所示。從模態(tài)振型圖來看，艙口蓋主要變形發(fā)生在中部，其表現(xiàn)形式為結(jié)構(gòu)上下振動、扭曲。

圖2 艙口蓋1～6階模態(tài)振型

表3 艙口蓋前6階模態(tài)頻率

2.3 設(shè)計沖擊譜

2.3.1 系統(tǒng)模型簡化

抗沖擊分析時，將艙口蓋視為剛性質(zhì)塊，基座為一無質(zhì)量彈簧，將艙口蓋簡化成彈簧-質(zhì)量單自由度系統(tǒng)。系統(tǒng)模型簡化如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)模型簡化圖

2.3.2 沖擊譜

對于單自由度系統(tǒng)，沖擊譜是指一有阻尼（或無阻尼）的單自由度振子（質(zhì)量為m，剛度為k）受到一定沖擊載荷作用下，質(zhì)量的相對位移（或速度、加速度）的最大幅值隨頻率變化的關(guān)系。

圖3所表示的單自由度系統(tǒng)，運動微分方程式為：

式中：m為系統(tǒng)質(zhì)量；ωn為系統(tǒng)的固有頻率，ωn=為阻尼系數(shù)沖擊譜的參數(shù)可以是上述公式中的位移δ（t）、速度（t）和（t）加速度任意一種。

美國海軍在運動微分方程的基礎(chǔ)上，進行大量沖擊試驗，總結(jié)出了DDAM分析的設(shè)計輸入經(jīng)驗公式。

以水面艦船為例，對于安裝在船體上的裝備，加速度設(shè)計譜方程如下：

對于安裝在甲板上的裝備，加速度設(shè)計譜方程如下：

上述兩種工況的沖擊速度設(shè)計譜方程如下：

其中：c4、c5、c7為系數(shù)，c1、c2、c3、c6為常數(shù)，W為模態(tài)質(zhì)量。

近年來我國不斷開展抗沖擊設(shè)計研究工作，先后在1986年和1991年制定了爆炸抗沖擊設(shè)計軍標，不斷明確抗沖擊設(shè)計的通用要求和抗沖擊分析用的經(jīng)驗公式系數(shù)。在我國國家軍隊標準GJB1060.1-91“艦船環(huán)境條件要求-機械環(huán)境”提供了動力學(xué)分析用的沖擊輸入值，規(guī)定了DDAM譜分析輸入公式中的系數(shù)和常數(shù)。

經(jīng)分析艙口蓋安裝在船體甲板，為船體的一部分，屬于船體上的設(shè)備，抗沖擊等級為A類，根據(jù)GJB1060.1-91“艦船環(huán)境條件要求-機械環(huán)境”抗沖擊設(shè)計的一般規(guī)定，船體安裝部位彈性設(shè)計用的設(shè)計值，如表4所示。

表4 水面艦船船體安裝部位彈性設(shè)計參數(shù)

表中：A0為加速度譜，m/s2；V0為速度譜，m/s。

按照GJB1060.1-91“艦船環(huán)境條件要求-機械環(huán)境”，A0、V0的計算公式如下：

式中：ma為模態(tài)質(zhì)量，t。

2.4 DDAM計算分析

利用上述艙口蓋模態(tài)分析提取的1～6階模態(tài)頻率，按上述公式計算的速度譜和加速度譜如表5所示，導(dǎo)入Ansys有限元分析Response Spectrum模塊，分別從X，Y，Z三個方向?qū)ε摽谏w進行譜分析，得到艙口蓋三個方向的譜分析應(yīng)力云圖，如圖3所示。

表5 速度譜和加速度譜

圖3 艙口蓋譜分析應(yīng)力云圖

從艙口蓋譜分析應(yīng)力云圖可以看出，施加在X、Y、Z三個方向的沖擊載荷，都產(chǎn)生了相應(yīng)的應(yīng)力集中區(qū)域，查看有限元分析結(jié)果得出3個方向的最大應(yīng)力如表6所示。經(jīng)分析，艙口蓋最大應(yīng)力出現(xiàn)在Z向，截面突變處，應(yīng)力為451.06 MPa，小于材料的最大屈服極限，說明艙口蓋在遭受A類非接觸爆炸沖擊時，不會發(fā)生永久性屈服失效，滿足A類抗沖擊要求。

表6 艙口蓋譜分析最大應(yīng)力值

3 結(jié)語

采用Ansys的DDAM譜分析方法，對艙口蓋進行了非接觸爆炸類的抗沖擊有限元分析，為艙口蓋抗沖擊設(shè)計校核提供一種分析思路。從最終艙口蓋譜分析應(yīng)力云圖看，應(yīng)力集中區(qū)域多出現(xiàn)在尖缺口或截面突變位置，雖然本艙口蓋經(jīng)有限元分析在施加A類沖擊譜時，應(yīng)力小于材料的最大屈服極限，但是在后續(xù)進行艙口蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還是應(yīng)盡量避免出現(xiàn)尖缺口和截面突變，在盡可能降低設(shè)備重量的前提下，采用圓弧過渡；同時盡量減少與強度無關(guān)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。本次艙口蓋抗沖擊有限元分析結(jié)果，為后續(xù)艙口蓋進行抗沖擊優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。