艦船設備沖擊隔離特性研究

劉世明 曹 宇 羅 寅 張阿漫

1哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 1500012中國船舶工業集團公司第七0八研究所，上海 200011

艦船設備沖擊隔離特性研究

劉世明1曹 宇2羅 寅1張阿漫1

1哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001
2中國船舶工業集團公司第七0八研究所，上海 200011

隨著沖擊問題越來越多，沖擊能量越來越大，沖擊控制、沖擊隔離問題也越來越引起人們的關注和重視。以某型艦用增壓鍋爐為計算研究對象，采用時域有限元分析方法，分別對增壓鍋爐有無隔振抗沖擊裝置時受到水下爆炸載荷沖擊下的響應特性進行數值仿真研究。分析隔振裝置對增壓鍋爐抗沖擊性能的影響，旨在為艦船設備抗沖擊性能設計及性能評估提供參考。

增壓鍋爐；沖擊隔離；數值仿真；抗沖擊特性

1 引 言

隨著現代水下兵器的發展，水下非接觸爆炸威脅越來越大，對艦船設備的沖擊破壞更是關系到艦船生命力的問題。眾多海上戰例及實船水下爆炸沖擊試驗表明，戰斗艦艇在水下爆炸環境中所顯現的突出薄弱環節，是艦艇上許多重要設備及裝置的抗沖擊性能過差。因此艦船系統和設備的抗沖擊性能關系到艦船戰斗力、生命力，是急待研究和解決的問題。

德國軍標中［1］正是基于采用抗沖隔離元件來緩解設備所受到的沖擊力，以保證設備在承受水下爆炸沖擊環境下的安全。本文以某型艦用增壓鍋爐為研究對象［2］，分析隔振裝置對增壓鍋爐抗沖擊性能的影響。首先對無隔振抗沖裝置，剛性安裝到船體基座的增壓鍋爐進行沖擊計算分析；再對比分析安裝彈性抗沖裝置后增壓鍋爐的沖擊響應，旨在為艦船設備抗沖擊性能設計及性能評估提供參考。

2 艦載設備抗沖擊計算方法

2.1 設備抗沖擊計算方法

對于艦船設備的抗沖擊，國內外有關的標準都作了類似的規定，以加強艦船設備的抗沖擊能力。對設備的抗沖擊分析主要有靜態等效法、動態設計分析方法和時域模擬法。靜態等效法只考慮了受沖擊結構的質量效應，當一階響應是設備的主要破壞因素時尚可用；動態設計分析方法基于動力分析理論，用于分析艦船設備的最大線性動態響應，但只能分析線彈性安裝設備與設備線彈性破壞，不能考慮沖擊載荷在設備中的瞬態波動效應；而時域模擬法采用實測的時間歷程曲線，或標準的基礎輸入時程曲線作為設備的輸入載荷，對設備進行瞬態動態響應。

相比之下，時域模擬法可提供更詳細的結構和精確的外部載荷，分析設備的結構屬性更靈活。因此，為研究隔振裝置對增壓鍋爐沖擊性能的影響，本文采用時域模擬法對其進行數值計算研究［3］。

2.2 沖擊載荷

所謂設備的沖擊環境就是指設備在水下爆炸條件下的基礎輸入［4］。如果把沖擊輸入信號在頻域內表示，在低頻段，基礎的位移激勵是主要的；在中頻段，速度激勵是主要的；在高頻段，加速度激勵是主要的［5］。因此，通常用如圖1所示四維坐標系下的三折線譜作為系統的沖擊輸入譜。所謂沖擊譜是一種帶有一定阻尼或無阻尼單自由度振子對沖擊激勵作用的最大響應隨振子固有頻率變化的圖譜。本研究采用將圖1沖擊輸入譜轉化為圖2所示的正負三角波的形式對模型沖擊加載［6］。

圖1 沖擊輸入譜

圖1中，橫坐標為頻率f，縱坐標為譜速度V，與橫軸成正45°的為譜位移D，與橫軸成負45°的為譜加速度A。可以通過圓頻率建立以上四個量之間的如下關系：

式中，a的單位是m／s2；A的單位是g的個數。

圖2 三角形變化歷程

圖2中的三角形變化歷程是由正負兩個面積相等的三角形疊加而成，如根據沖擊響應譜，第一個三角形的加速度峰值，約為最大加速度a0的0.6倍；第一個三角形的面積V2，約為最大加速度V0的3／4；第二個負三角形面積應與第一個三角形面積大小相同，致使基礎最終速度為零；此加速度歷程的兩次積分便得到位移，此位移比SAS的最大相對位移要大一些（1.05 倍）；對于 t2和 t4，使t2＝ 0.4t3和 t4－ t3＝ 0.6（t5－ t3），認為是適宜的。 如此得到如下關系式：

對于質量大于5 t的艦船設備，初始沖擊加速度和速度要進行相應的折減，折減公式為：

3 增壓鍋爐抗沖擊數值計算

3.1 增壓鍋爐有限元模型

增壓鍋爐作為薄殼結構，主要采用板殼來模擬。在ABAQUS中模擬沖擊和爆炸載荷時，適宜選用一階單元，故選用一階殼單元S3R和S4R，同時用質量單元MASS模擬幾何模型中某些簡化掉的結構的慣性作用。圖3為增壓鍋爐有限元模型。

圖3 增壓鍋爐有限元模型

對于抗沖隔離裝置，本文采用三向彈簧阻尼單元對其進行模擬。減振器的位置按照增壓鍋爐4個底座，每個底座上均布9個圓錐形減振器，共36個減振器，減振器參數見表1，包括圓錐形減振器垂向和縱、橫向性能參數［7］。

表1 圓錐型減振器各向靜、動態特性數據表

圖4給出了ABAQUS中定義完畢彈簧阻尼單元后的增壓鍋爐底座放大圖。可以看到，底座上分布了36個阻尼彈簧單元，每個彈簧阻尼單元都可以抵抗三個方向的沖擊作用。

圖4 定義完畢彈簧阻尼單元后的增壓鍋爐底座放大圖

3.2 材料模式

該增壓鍋爐所用材料參數：材料密度7.8×103kg／m3，彈性模量為 2.01 ×106N／mm2，靜態屈服極限為 235 N／mm2。

3.3 強度判定準則

根據德軍標關于A級設備的規定［7］，對艦船設備結構強度要求在沖擊載荷作用下結構相應的應力最大值不得超過靜態屈服極限。在這一前提下，認為結構是安全的，即

式中，σ是結構響應應力值；σs為材料的靜態屈服極限。

3.4 工況設置

按照2.2節中介紹的方法，并根據增壓鍋爐的重量進行相應折減計算，得到垂向沖擊載荷為：峰值50 g、脈寬6 ms，沖擊輸入時間為57 ms，計算時間取100ms。

3.5 考核部位設置

本文中將考核單元選取更多、更均勻，大量考核單元分布于增壓鍋爐內殼、外殼，在上鍋筒、上下集箱等構件上也均勻選取了若干考核單元。圖5（a）和（b）中分別給出了考核單元與考核點的布置示意圖。

圖5 增壓鍋爐考核部位

3.6 加載方法

加載方式分為兩種情況：無抗沖隔振裝置時，在抗沖擊計算中認為剛性邊界條件，沖擊加速度載荷直接施加于底座；有抗沖隔振裝置時，在抗沖擊計算中認為彈性邊界條件、沖擊加速度載荷作用在隔振器基礎上，經由隔振器緩慢傳遞到增壓鍋爐結構上。

4 數值計算結果分析

4.1 加速度響應對比分析

取典型部位的考核節點的加速度時歷曲線，分別對比有無彈性抗沖裝置的沖擊響應［8-9］，如圖6所示，其中橫軸單位為s，縱軸單位為m／s2。

圖6 增壓鍋爐考核節點加速度響應

從圖中可以看出，在垂向沖擊下，增壓鍋爐在安裝抗沖裝置后，在各個方向上的結構響應都明顯下降，在考核點任一方向的加速度響應的峰值響應都有不同程度的下降，垂向沖擊加速度響應下降得最多。并且加速度響應的高頻成分較之不計抗沖裝置時有所減少，響應峰值出現的時間相對滯后，這是由于沖擊能量首先儲存在沖擊隔離器中，而后再按隔離系統本身固有振動周期，將能量緩慢釋放出來，已將一部分的高頻成分濾掉。

4.2 應力響應對比分析

在分析增壓鍋爐抗沖擊能力時，本報告采用無量綱應力，即失效系數來描述：

當n≥1，表示增壓鍋爐結構已經失效，而n＜1表示結構安全。表2給出了垂向考核工況下各考核單元的失效系數n的列表，圖7為考核單元失效系數對比圖。

表2 垂向沖擊下考核單元失效系數n列表

圖7 考核單元失效系數對比圖

從上面可以看出，一部分考核單元的失效系數n已經出現大于1的情況，按照BV0430－85規定，認為只要出現大于材料靜態屈服極限的部位，即認為該設備已經失效，說明增壓鍋爐在垂向沖擊下已經失效，出現了塑性變形，并且部分考核單元的失效系數n大于1.5，即使考慮材料動態屈服極限的提高，也可認為已超過了屈服極限。而在安裝了彈性抗沖裝置之后，大大提高了增壓鍋爐的抗沖擊能力，設備在此工況下安全。

考慮增壓鍋爐出現大部分破壞的原因，應該是增壓鍋爐剛性安裝于船體基座上所致。而BV0430－85中強調依靠彈性支撐系統所具備的較大三向大位移變形能力來吸收沖擊能量，從而達到設備抗沖的目的。因此，采用合適的彈性支撐系統來安裝增壓鍋爐，對其抗沖擊能力的提高是行之有效的辦法。

5 結 論

本文利用ABAQUS軟件，按照德軍標的規定對增壓鍋爐進行加載，計算分析了增壓鍋爐安裝隔振抗沖裝置下的沖擊響應，并與無隔振抗沖裝置下的沖擊響應進行對比分析，得到了以下結論：

1）在垂向沖擊下，增壓鍋爐在安裝抗沖裝置后，在各個方向上的結構響應都明顯下降，在考核點任一方向的加速度響應的峰值響應都有不同程度的下降；

2）加速度響應的高頻成分較之不計抗沖隔振裝置時有所減少，加速度響應峰值出現的時間相對滯后；

3）彈性抗沖裝置的存在，使得單元的失效系數降低了很多，使得增壓鍋爐結構強度能夠滿足要求，大大提高了增壓鍋爐的抗沖擊能力。

［1］ BV0430－85德國國防軍艦建造規范—沖擊安全性［S］，2004.

［2］ 第六機械工業部船舶系統工程部.028G實艇水下爆炸材料匯編［G］，1982.

［3］ 汪玉，王官祥.艦船系統和設備的抗沖擊性能動力學仿真［J］.計算機仿真，1999，16（1）：22－25.

［4］ 劉建湖.艦船非接觸爆炸動力學的理論與應用 ［M］.無錫：中國艦船科學技術研究中心，2002.

［5］ 姚熊亮.艦船結構振動沖擊與噪聲［M］.北京：國防工業出版社，2007.

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［7］ 江國和，尹立國，沈榮瀛.帶限位器雙層隔振系統的沖擊響應研究 ［J］.華東船舶工程學院學報 （自然科學版），2004，18（2）：86－89.

［8］ 姚熊亮，陳建平.水下爆炸二次脈動壓力下艦船抗爆性能研究［J］.中國造船，2001，42（2）：48-55.

［9］ 呼怡玫.對艦船設備沖擊振動試驗的分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2002.

Numerical Simulation on Shock Isolation Characteristics of Ship Equipment

Liu Shi－ming1 Cao Yu2 Luo yin1 Zhang A－man1
College of Shipbuilding Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China 708 Institute of China State Ship b uilding Co r p o ration，Shanghai200011，China

In thi s paper， the marine supercharged boiler wa s researched by time－domain simulation method.With the condition of underwater explosion， the dynamic responses of marine supercharged boilers with and without impact damper were simulated and studied respectively.Then the effect of impact damper on shock resistance wa s studied and some rules are obtained.The results show that the boiler＇s anti－shock performance is enhanced by the shock isolation installation.The research aims to provide some references to the design and evaluation of ship equipment shock－resistance performance.

supercharged boiler； shock isolation； numerical simulation； anti－shock characteristics

U644.5

A

1673－3185（2010）03－38－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.03.009

2009－10-29

增壓鍋爐抗沖擊性能計算研究課題基金

劉世明（1984－），男，碩士研究生。研究方向：船舶與海洋結構物結構性能與安全。E-mail：lsm030116＠163.com