艦船管道抗沖減振優化

杜鑫，杜儉業，汪玉

(1.中國科學院聲學研究所 噪聲與振動重點實驗室，北京 100190;2.海軍裝備研究院 艦船所，北京 100073)

在實船爆炸試驗中，艦艇管路的沖擊破壞是一個不容忽視的問題.實船爆炸試驗的結果突出說明，管路系統是艦艇抗沖擊的重要薄弱環節，其沖擊損傷直接影響到艦船的生命力和作戰能力.艦艇管路系統看似簡單，但在艦船上的分布范圍廣泛，遍及全船，影響管路系統沖擊動力響應的參數也很多，除了復雜的外部沖擊激勵(具有多點、多相位、多幅值、多頻段的特點)外，還有管路支撐的方式、種類、數量、位置、剛度及阻尼等.多年來在海軍艦艇的研制建造中很少有人進行研究，僅僅是在船廠生產時才考慮如何安裝，因此應給予充分的重視.

國內外對關于管道抗沖擊減振方面的研究公開的資料不多.Dennis Harold Peters［1］用單點沖擊譜分析方法對水面艦艇管路系統進行抗沖擊設計，這種方法由多支撐點的不同輸入沖擊譜構建等效的單點沖擊譜.Rudolph J.Scavuzo等［2］使用了梁模型來設計等跨距管(管路支吊架等距分布).國內的丁旭杰［3］對管路的沖擊進行了整體的沖擊波加載，可以宏觀的反映整體的沖擊響應.陳剛等［4-5］對艦艇管路系統全局參數靈敏度進行分析建模，把影響艦艇管路系統沖擊位移響應的主要因素影響因子化來進行分析.顧文彬［6］在空間領域內用模態分析的方法對單個的梁模型進行不同的激勵，考慮了多種加載的情況.叢培責［7］用頻域分析的方法對管道的管夾吊架位置、剛度阻尼進行優化.但這些方法對于艦船上復雜的管道而言忽略因素過多，與實際的情況有較大程度的差別.可以說目前我國對艦艇管路系統的沖擊載荷及響應還缺乏規律性的認識和了解.

本文采用單點沖擊譜分析方法與時間歷程分析方法相結合［8］，對艦艇典型管道系統上不同的點，施加不同的載荷激勵，克服了單點沖擊分析方法的不足，既可較真實客觀的反映實際情況又可以清楚的看到在時域范圍內管道的沖擊加載響應，在周期性載荷的加載下優化效果良好.

1 管道沖擊響應理論基礎

本文研究管夾吊架支撐約束作用下的艦船管道系統，根據管夾吊架的實際分布情況，可將管路系統中的一部分取為梁模型.而管路系統除去管夾吊架的在垂直于管道方向的剛性約束外，可把由沖擊所導致的振動分為2個階段［5］:1)沖擊階段:在沖擊載荷作用下，系統獲得初速度.由于沖擊載荷作用時間較短，沖擊強度較大，因此在這個階段有限的力可以忽略不計.2)沖擊后階段，系統獲得了初速度，在隨機作用和周期作用下發生強迫振動.對于一個直管道模型，其運動方程如下.

1)運動方程:

式中:ρ為單位長度，E為拉壓彈性模量，I為斷面慣性矩，Cin為內部粘性系數，x為軸向坐標，y(x，t)為梁的撓度，w(t)為激振位移，lci為彈性支撐位置.

2)沖擊階段運動方程:

艦船受到水下爆炸沖擊時，運動時間曲線的近似表達式［6］為

式中:參量V是表示攻擊強度的一個速度參數;時間T1是沖擊運動的非振蕩分量之衰減時間，它隨攻擊強度、船只類型及運動方向而變化;時間T2是這個主振蕩運動分量的衰減時間;時間T3是主振蕩運動分量的周期，它隨船上位置不同而變化;t為沖擊作用的時間.

3)沖擊后運動方程:

在管道受力分析的過程中，采用以上的運動方程描述形式進行分析.

2 艦船管道沖擊響應分析及優化設計

2.1 單個梁模型管夾吊架沖擊響應研究

以一根梁模型為例，分析管道的邊界條件、支吊架個數、約束方向對管道沖擊響應的影響.本計算在ANSYS環境中實現，參數的設置:管道的密度7 850 kg/m3，材料的彈性模量和泊松比分別為2.11×1011N/m2和0.3.基本單元的選取:structural Beam和3D elastic 4.在放置管夾的地方加上彈簧約束，彈性系數為109N/m，以管子偏離原來位置的位移和為目標函數.在有管夾約束的地方施加沖擊載荷，沖擊曲線為中所述，為雙正弦曲線.

圖1是管道放置不同管夾數目條件下的位移響應隨管夾在管道的位置變化情況.圖2為不同的管夾個數下管道的沖擊響應.從圖1、2可以看出，對于管道的抗沖擊，管夾的個數并不是越多越好，在某些位置，3個管夾的管道變形大于1個管夾的管道變形;也不是越少越好，在某些位置1個管夾的管道變形大于2個管夾的管道變形.對于固支和簡支兩種邊界條件，應考慮不同的管夾放置位置，在某些位置，固支占優勢，在另外一些位置，簡支占優勢.

圖1 管道放置不同管夾數目條件下的位移響應Fig.1 The response of the pipe with different clamps

接下來考慮不同的約束方向對管道抗沖擊的影響.圖3(a)為管夾約束方向與沖擊方向平行，兩端是簡支條件下管道的沖擊響應.可以看到1個支架的管子的變形大于3個的管子的變形.圖3(b)為在不同約束方向的管道的沖擊響應.可以看出，垂直于沖擊方向上的彈簧的約束遠小于在平行于沖擊方向上的約束.

圖2 管道不同邊界條件下的位移響應Fig.2 Piping displacement response under different boundary conditions

圖3 管道的沖擊響應Fig.3 The shock response of the pipe

2.2 艦船管道建模及沖擊響應分析

根據ANSYS優化的特點，實施優化循環的過程必須使用參數化的模型，所以對艦船管道的建模采用參數化建模，即APDL命令流的形式［9］.考慮選擇某艦艇中右舷柴油發電機組排氣管模型［10］進行簡化建模.分別對此模型放置不同的管夾個數.

在施加剛性約束沖擊載荷和正弦載荷后的管道變形如圖4所示，從圖中可以看出，管道在沖擊載荷下略有變形，在我們施加約束的點的位移基本上不發生變化，所以選擇合適的管夾吊架位置和合適的管夾吊架個數對提高管路系統的抗沖擊能力有很大的意義.

圖4 沖擊加載后的管道變形圖Fig.4 The pipe deformation diagram with shock loading

2.3 對設計工況下艦船管道支吊架優化計算

通過對管道的建模、加載和瞬時響應分析后，提取各吊架沖擊響應后的位移的總值做為目標函數，分別優化管系吊架的位置，管系吊架彈簧的剛度以及吊架的阻尼.位移響應的總值的計算公式為

選擇吊架的位置作為設計變量，設計范圍為吊架在直管道上可以活動的設計范圍.以建立模型的所有的節點偏移原來的位移之和的總值作為目標函數，吊架剛度與阻尼分別取4.43×103N/m和0.1 N·s/m，選擇吊架剛度和阻尼為狀態變量，取值范圍分別為4.43×103～8.86×1010N/m，0.1～1 N·s/m.選用零階優化方法，優化循環30次，若收斂，取收斂值;若未收斂，取30次中的最優值.本文的計算收斂通過優化后得到，優化結果如表1所示.

從表1中的優化結果可以看出:優化后管夾吊架位置較管夾吊架設計位置都有所改變，變化的幅度不盡相同，但由于在直管段吊架的設計范圍內網格劃分的很細，所以節點間的距離也不是很大，即優化后吊架的位置改變不是很大.得到的偏移位置的TOTAL值的改變也不是很大.從結果的對比可以看出，在節點YA、YD處的改變比較小，在節點XC、YB處的改變比較大.

表1 初始設計位置和優化后管夾吊架設計位置及目標參數Table 1 Original and optimized position with objective parameters

3 結論

通過對算例的計算結果分析可得:

1)不同的約束條件，造成了不同的沖擊響應;支吊架的位置布置對艦船管道的抗沖擊性能有顯著的影響;對于同一系統，當支吊架的參數給定時，支吊架的個數選擇要給予優化，不是越多越好，也不是越少越好，應針對不同的情況優化出具體的數量及響應布設的位置;在垂直于沖擊方向上的管夾的約束遠小于在平行于沖擊方向上的約束;針對本文中的某艦艇中右舷柴油發電機組排氣管模型，文中給出了管夾吊架布置的最優位置.

2)在本文的分析中，考慮到管徑比較小的情況，采用了一維管道的單元進行模擬，但是對于沖擊破壞，只考慮到了沖擊引起的管道的位移破壞，對于直接引起的管道的破壞(例如剪切和環向彎曲等)沒有考慮;破壞形式和支撐有很大的關系，由于管路的彈性支撐多為符合結構，很難用計算的方法模擬其力學彈性，需要用試驗的方法進行檢測.總之，對于艦艇管路系統的沖擊載荷還缺乏規律性的認識和了解，提高管路的抗沖擊能力，是一個長期需要逐步來實施的工程.

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