設備典型接合面的剛度線性化處理方法研究

2011-02-27 09:06:52李兆俊程紅梁潘建強楊云川

船舶力學 2011年4期

李兆俊，程紅梁，潘建強，何斌，楊云川，陳輝

（1海軍裝備研究院艦船所，北京 100073；2中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082）

1 引言

我國對于裝艇設備制定了抗沖擊設計計算的規范GJB1060.1-91，該規范適用于水下非接觸爆炸通過船體結構傳遞給基座、設備的沖擊，規范規定設備和（或）基座動力學分析方法為動力設計分析方法（DDAM）。DDAM是基于結構振動模態疊加的設計分析方法，它將一臺設備或系統簡化為多個彈簧質量系統，然后計算出模態振型和模態質量，接著根據設計沖擊譜或試驗獲得的沖擊譜得出各階模態的模態響應，最后通過對各階模態解的合成得到設備的響應。DDAM方法是世界上各主要海軍國家廣泛使用的動力設計分析方法。

在用DDAM方法對艦艇設備進行動力學分析時，具有占用計算資源少，能夠分析高階破壞模式等優點，但它同時也顯示出一定的局限性：該方法是基于線性模態理論的，而艦艇設備中存在大量的接合面，當設備受到沖擊載荷時，構件間的接觸邊界就產生非線性行為，例如摩擦等。因此，直接應用該方法對這些艦艇設備進行動力學分析是不合適的，必須采用一定的處理方法對設備接合面間的力學特性進行線性化處理。本文選取一艦艇設備進行有限元模擬，利用剛度等效與動力等效的方法對設備典型接合面間的剛度進行線性化處理，然后以試驗獲得的設備基礎沖擊環境數據作為輸入載荷，采用DDAM方法對設備進行動響應計算，并與試驗結果進行對比，驗證剛度線性化處理方法。

2 計算方法

2.1 一維DDAM方法

（1）系統運動微分方程

線性無阻尼系統受到基礎沖擊加速度u¨時的運動微分方程可表示為：

對方程進行模態分析有：

則運動微分方程可變為：

即

（2）第a階模態的模態參與因子

第a階模態的模態參與因子定義為：

則方程的模態位移解可表示為：

因此系統中各質量點的位移為：

定義DDAM速度譜為：

則質量點的最大模態位移為：

因此系統第a階模態的最大位移和力分別為：

（3）作用在質量點上的動態力

由運動方程可得作用在質量點上的動態力為：

把（16）式代入（12）式，得到作用在系統所有質量點上的動態力為：

則第a階模態作用在質量點i上的動態力為：

（4）質量點對基礎的反力和模態質量

艦艇在沖擊的情況下，基座或者艇體的阻抗對比結構的阻抗來說不是很大，因此結構的慣性力和基座的沖擊輸入運動之間的相互作用會在很大程度上改變譜的結果。這種譜的改變現象通常稱之為譜跌現象。譜跌現象的產生是動態作用力對基座作用的結果。對譜跌現象影響作用的研究就發展了模態質量的概念，模態質量的單位與質量的單位相同。

第a階模態作用在基礎上的反力為：

因此，第a階模態的模態質量可定義為：

（5）模態合成

根據給定的設計沖擊譜或由試驗得到的基礎處沖擊譜、計算的參與因子、模態質量、模態振型和節點質量就可以得出設備上每階模態的等效靜載荷列向量，采用靜力分析方法計算應力和變形，通過對各階模態解的合成可以得出設備上的應力分布和變形。模態合成的方法有多種，常用的有三種：絕對值求和（ABS）、平方和之平方根（SRSS）和美國海軍研究實驗室求和（NRL）。三種合成方法的計算公式為：

DDAM要求采用NRL方法進行合成。

2.2 接合面剛度線性化方法

接合面剛度線性化方法主要有剛度等效法與動力等效法兩種。剛度等效法是指先考慮接合面間的非線性現象，對其進行受力分析，得到抗力—位移曲線，然后由此求出接合面間的等效剛度；動力等效法要求設備在接合面間的剛度處理前與處理后的運動效果等效。本文將通過上述兩種方法對接合面間的剛度進行線性化處理。

3 設備動響應計算

3.1 設備幾何模型

圖1 設備示意圖Fig.1 The equipment

本文的計算對象為一經過試驗考核的實艇設備，設備的主體部分為上蓋，下筒，重塊。其中，上蓋與下筒間用30個Φ48的螺栓連接，重塊夾在上蓋與下筒之間，如圖1所示。試驗時已經測得該設備A、B、C、D四點的加速度響應，其中A、B測點布置了垂向加速度傳感器，C、D測點同時布置了垂向與橫向加速度傳感器。另外，試驗還測得了設備基礎處的沖擊環境。

3.2 設備接合面力學特性線性化處理

由圖1可知，該設備是由多個構件裝配而成的，存在大量的接合面。在沖擊載荷作用下，這些接合面間就存在摩擦、碰撞等非線性行為。本文利用剛度等效和動力等效的方法將設備接合面間的力學特性進行線性化處理。

3.2.1 連接螺栓等效處理

連接螺栓由螺桿與螺母組成，其螺紋配合處存在接觸、摩擦等非線性行為。本設備的上蓋與下筒采用螺栓連接，在DDAM計算中，需對其進行等效處理。

（1）DDAM垂向計算

在DDAM垂向計算中，每個連接螺栓都采用兩個彈簧元COMBIN14來代替，彈簧元方向分別為垂向與徑向。

由于在DDAM垂向計算中，主要選取垂向平動的振型，所以在確定彈簧元垂向剛度時，并未考慮螺栓組的影響，而是取單個螺栓進行建模計算以確定其垂向剛度，計算過程如下：

a.應用軸對稱問題有限元法對單個螺栓進行有限元建模，建模時考慮螺紋的配合公差為6H6g，其有限元模型如圖2所示，在螺桿與螺母間定義接觸單元；

b.約束螺母頂部所有自由度并在螺桿上部耳朵處施加一均布載荷F，如圖2所示；

c.進行靜力分析，求出螺桿的伸長量ΔY；

d.重復b，c過程，得到不同的力跟位移間的關系曲線，由此計算螺栓的垂向等效剛度K。

螺栓的切向剛度采用公式K=GA/kl計算，其中G為材料的剪切模量，A為螺桿截面積，k為與截面有關的不均勻系數，圓截面取10/9，l為螺桿長度。

表1列出了DDAM垂向計算時彈簧元的剛度值。

（2）DDAM橫向計算

在DDAM橫向計算中，每個連接螺栓也采用兩個彈簧元COMBIN14來代替，彈簧元方向分別為垂向與橫向。

圖2 DDAM垂向計算時螺栓垂向剛度計算有限元模型Fig.2 FE model of the bolt when calculating its vertical stiffness using DDAM in vertical direction

表1 DDAM垂向計算時彈簧元剛度值列表Tab.1 The stiffness of the spring element when calculating by using DDAM in vertical direction

圖3 DDAM橫向計算時螺栓垂向剛度計算簡圖Fig.3 The calculate sketch when calculating the vertical stiffness of the bolt using DDAM in landscape orientation

雖然在DDAM橫向計算中，主要選取在橫向平動的振型，但是考慮到上蓋會受到傾覆力矩的影響產生繞Y軸的局部轉動，所以在確定彈簧元垂向剛度時，必須考慮螺栓組的影響，現利用動力等效的方法確定其垂向剛度，計算過程如下：

a.如圖3所示，假設上蓋繞軸1旋轉角度θ，計算所有連接螺栓繞軸1的力矩和：

表2 DDAM橫向計算時彈簧元剛度值列表Tab.2 The stiffness of the spring element when calculating by using DDAM in landscape ordirection

b.如圖3所示，假設上蓋繞軸2旋轉角度θ，計算所有連接螺栓繞軸2的力矩和：

c.令

可以得到螺栓的垂向剛度。

螺栓的切向剛度計算方法與DDAM垂向計算時所用方法一樣。表2列出了DDAM橫向計算時彈簧元的剛度值。

3.2.2 重塊支撐關系模擬

設備的中間重塊是夾在上蓋與下筒之間的，在試驗中三者存在摩擦與碰撞，屬強非線性行為。在DDAM計算中，并不能模擬出這些非線性行為，這里采用了3個COMBIN14彈簧元來模擬這種支撐關系，彈簧元每個節點有X，Y，Z三個平動自由度。這些彈簧元的一端為共用一個節點，該節點與代表重塊的質量元剛性連接，XY平面內2個彈簧元的另一端節點的自由度跟Z向彈簧元的另一端節點自由度耦合在一起，如圖4所示。

為確定彈簧元的剛度值，對模型進行整體建模，建模時考慮了螺栓以及重塊的幾何尺寸，其有限元模型如圖5所示。建模時，在螺栓跟與其接觸部件的界面定義接觸關系，同時，在重塊吊臂與上蓋和下筒接觸的界面定義接觸關系，然后在螺栓中施加預緊單元并預緊，接著在重塊重心處分別施加水平力與豎直力，進行靜力分析以求解力跟位移之間的關系曲線并由此計算重塊與周邊部件的等效連接剛度，表3列出了由圖5模型計算的3個彈簧元剛度值。確定出重塊與周邊部件的連接剛度后，就可運用DDAM進行計算。