某艦載雷達(dá)發(fā)射機(jī)機(jī)柜抗沖擊仿真分析

孟慶鵬，莊文許，顧?quán)崗?qiáng)

(1. 海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室, 南京 210003；2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

某艦載雷達(dá)發(fā)射機(jī)機(jī)柜抗沖擊仿真分析

孟慶鵬1，莊文許2，顧?quán)崗?qiáng)2

(1. 海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室, 南京 210003；2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

針對某艦載雷達(dá)發(fā)射機(jī)機(jī)柜抗沖擊設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了機(jī)柜的抗沖擊仿真分析。利用動力學(xué)分析方法，在抗沖擊仿真軟件中建立了機(jī)柜的仿真模型，在顯式動力學(xué)分析步中將沖擊譜時(shí)域曲線直接作用于機(jī)柜上的連接部位，并根據(jù)減振系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到發(fā)射機(jī)機(jī)柜在垂向、橫向和縱向設(shè)計(jì)沖擊譜作用下的沖擊響應(yīng)。結(jié)果顯示，最大應(yīng)力均不超過材料抗拉強(qiáng)度的90%，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)，為后續(xù)抗沖擊試驗(yàn)提供了理論依據(jù)。

抗沖擊；雷達(dá)系統(tǒng)；機(jī)柜；減振系統(tǒng)

0 引 言

相對艦艇有一定距離的水下非接觸爆炸作用將引起艦艇突發(fā)的瞬態(tài)相對運(yùn)動，該運(yùn)動對艦艇而言就是沖擊載荷。沖擊載荷對艦總體、設(shè)備和船員的作用，是關(guān)鍵的破壞因素之一，需要在艦船研制時(shí)予以全面考慮并對設(shè)備進(jìn)行良好的防護(hù)[1]。目前，主要有3種抗沖擊設(shè)計(jì)方法：等效靜力、動態(tài)設(shè)計(jì)分析法和時(shí)域模擬法。

時(shí)域模擬法考慮各種非線性因素的影響，可以較真實(shí)地反映系統(tǒng)的動力學(xué)特征，應(yīng)用廣泛。汪玉等對一類船舶設(shè)備的限位器進(jìn)行抗沖擊剛度計(jì)算，并運(yùn)用帶間隙的彈簧單元逼近限位器的沖擊剛度，實(shí)現(xiàn)了非線性系統(tǒng)沖擊響應(yīng)模擬[2]；林道福等在總體坐標(biāo)系下建立了浮筏隔振系統(tǒng)的運(yùn)動方程，并采用直接積分法計(jì)算了在基礎(chǔ)沖擊激勵下的動力響應(yīng)[3]。

發(fā)射機(jī)是艦載雷達(dá)系統(tǒng)的重要件，在沖擊載荷作用下，受到自身重量和安裝在其內(nèi)部組件重量產(chǎn)生的慣性力，產(chǎn)生沖擊響應(yīng)和變形。本文采用時(shí)域模擬法[4]對某艦載雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射機(jī)機(jī)柜進(jìn)行抗沖擊仿真計(jì)算。首先，在抗沖擊仿真軟件中建立機(jī)柜的仿真模型，將內(nèi)部組件簡化為質(zhì)點(diǎn)耦合到相應(yīng)的安裝部位，然后將沖擊載荷時(shí)域沖擊譜作用于發(fā)射機(jī)機(jī)柜與減振系統(tǒng)的連接部位獲得機(jī)柜的沖擊響應(yīng)和應(yīng)力，最后依據(jù)減振系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)估計(jì)機(jī)柜實(shí)際工況下的應(yīng)力分布。計(jì)算結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的機(jī)柜在沖擊載荷作用下是安全的，為產(chǎn)品的抗沖擊試驗(yàn)、驗(yàn)收等程序提供依據(jù)。

1 問題描述

如圖1所示，艦載雷達(dá)發(fā)射機(jī)機(jī)柜通過減振系統(tǒng)安裝在艦艇甲板上，底部通過4個(gè)減振器與艦艇甲板連接，背面通過2個(gè)減振器與艦艇艙壁連接，沖擊載荷即通過這6個(gè)減振器傳遞至發(fā)射機(jī)機(jī)柜上。

本文的任務(wù)是依據(jù)隔離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)沖擊時(shí)域曲線，計(jì)算骨架的應(yīng)力分布、連接作用力等，校核骨架的強(qiáng)度。

圖1 發(fā)射機(jī)機(jī)柜安裝示意圖

2 問題求解

2.1 計(jì)算原理

沖擊過程中，減振器的剛度和阻尼是非線性和時(shí)變的[5]，其參數(shù)難以準(zhǔn)確獲得，增加了仿真的復(fù)雜度，甚至與實(shí)際隔離系統(tǒng)相差太大以至于仿真結(jié)果沒有參考意義。因此，本文采用數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法來校核機(jī)柜的強(qiáng)度。首先計(jì)算剛性連接情況下的沖擊響應(yīng)和應(yīng)力分布，然后根據(jù)減振系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，采用折算系數(shù)來估計(jì)應(yīng)力分布，進(jìn)而校核機(jī)柜的強(qiáng)度。

顯式動力學(xué)適合于分析物體受沖擊載荷并在結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生復(fù)雜相互作用的瞬態(tài)響應(yīng)問題。沖擊問題即是此類問題。在整個(gè)運(yùn)算過程中采用中心差分算法求解平衡方程，運(yùn)用動態(tài)方程在每個(gè)微小的增量步內(nèi)的動力學(xué)條件計(jì)算下一個(gè)增量步的動力學(xué)條件。

在動力學(xué)有限元分析中，系統(tǒng)的求解方程式為[6]

(1)

對于單個(gè)節(jié)點(diǎn)，阻尼矩陣和剛度矩陣為零，所以單個(gè)節(jié)點(diǎn)平衡方程轉(zhuǎn)化為

(2)

在當(dāng)前增量步的t時(shí)刻，計(jì)算加速度為

(P-I)|(t)

(3)

在計(jì)算速度的變化時(shí)假設(shè)加速度是一個(gè)常量，應(yīng)用這個(gè)速度的變化值加上前一個(gè)增量步中點(diǎn)的速度來確定當(dāng)前增量步中點(diǎn)的速度。采用中心差分方法對加速度在時(shí)間上進(jìn)行積分并可得到速度和加速度方程：

(4)

(5)

由此可見，利用顯式動力學(xué)求解復(fù)雜的非線性問題時(shí)不必聯(lián)立方程組進(jìn)行求解，每一個(gè)增量步的計(jì)算成本很低，有效地提高了計(jì)算效率。

2.2 約束條件

在抗沖擊仿真分析軟件中建立發(fā)射機(jī)機(jī)柜的仿真模型，如圖2(a)所示。將內(nèi)部安裝組件處理為質(zhì)心，并耦合到相應(yīng)的安裝部位。在發(fā)射機(jī)骨架底部和背面連接減振器的部位分別建立參考點(diǎn)，并耦合至對應(yīng)的連接部位。圖2(b)是骨架底部連接部位的耦合參考點(diǎn)，圖2(c)是骨架背部連接部位的耦合參考點(diǎn)，各耦合參考點(diǎn)如圖中RP-i(i=2, …, 7)所示。

(a) 發(fā)射機(jī)機(jī)柜模型

(b) 底部約束和耦合參考點(diǎn)

2.3 驅(qū)動輸入

按照設(shè)計(jì)要求，安裝區(qū)域的設(shè)計(jì)沖擊譜如表1所示。該加速度可以用雙三角形時(shí)域曲線表示[8]，如圖3所示，計(jì)算公式如式(6)所示。

(6)

式中，A0、V0和D0為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)沖擊譜中的等加速度譜、等速度譜和等位移譜。計(jì)算得3個(gè)方向時(shí)域沖擊曲線的參數(shù)如表2所示。

表1 安裝區(qū)域隔離系統(tǒng)設(shè)計(jì)沖擊譜

圖3 雙三角形時(shí)域曲線

表2 安裝區(qū)域減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)沖擊時(shí)域曲線參數(shù)

本文采用顯式動力學(xué)方法。將該加速度時(shí)域曲線直接作用于各連接部位的耦合參考點(diǎn)上，計(jì)算獲得所需要的結(jié)果。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算獲得機(jī)柜分別在3個(gè)方向沖擊載荷作用下的應(yīng)力分布時(shí)變過程，取沖擊過程中3個(gè)方向應(yīng)力最大時(shí)刻的結(jié)果，如圖4～6所示。結(jié)果顯示，剛性連接時(shí)，發(fā)射機(jī)機(jī)柜在受到垂向、橫向和縱向沖擊載荷時(shí)最大應(yīng)力分別為241.5、189.6和146.8 MPa。

所選用材料抗拉強(qiáng)度為σb=231 MPa，根據(jù)抗沖擊試驗(yàn)大綱，沖擊作用下應(yīng)力應(yīng)小于所選材料抗拉強(qiáng)度的90%，即208 MPa。使用減振器后，在相同的工況下，骨架的應(yīng)力將降低。不同減振器對應(yīng)力的折算系數(shù)不同，考慮可靠性，選擇折算系數(shù)小于0.8的減振器。

圖4 t=34 ms垂向沖擊應(yīng)力響應(yīng)云圖

圖5 t=28 ms橫向沖擊應(yīng)力響應(yīng)云圖

圖6 t=27 ms縱向沖擊應(yīng)力響應(yīng)云圖

4 結(jié)束語

針對艦載雷達(dá)系統(tǒng)抗沖擊性能設(shè)計(jì)要求，對某系統(tǒng)發(fā)射機(jī)機(jī)柜進(jìn)行了抗沖擊仿真分析。

(1) 利用顯式動力學(xué)分析步，分別計(jì)算了發(fā)射機(jī)機(jī)柜不使用減振器的工況下在垂向、橫向和縱向沖擊載荷作用下的沖擊響應(yīng)和應(yīng)力分布。

(2) 不使用減振器工況下，發(fā)射機(jī)機(jī)柜在受到垂向、橫向和縱向沖擊載荷時(shí)最大應(yīng)力分別為241.5、189.6和146.8。根據(jù)抗沖擊大綱要求并考慮可靠性，選擇折算系數(shù)小于0.8的減振器。

(3) 理論分析的結(jié)果為后續(xù)試驗(yàn)和產(chǎn)品驗(yàn)收等工作提供了參考。在后續(xù)的抗沖擊試驗(yàn)中該發(fā)射機(jī)機(jī)柜沒有出現(xiàn)破壞情況，表明理論分析結(jié)果具有重要的參考價(jià)值。

[1] 汪玉, 華宏星. 艦船現(xiàn)代沖擊理論及應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005.

[2] 汪玉，胡剛義，華宏星，等.帶限位器的船舶設(shè)備非線性沖擊響應(yīng)分析[J]. 中國造船， 2003, 44(2): 39-44.

[3] 林道福,與永豐,華宏星.帶限位器的浮筏隔振系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)分析[J].噪聲與振動控制,2004,46(1):36-43.

[4] 張影.船用齒輪箱抗沖擊計(jì)算方法分析[D].哈爾濱工程大學(xué),2010.3.

[5] 馮麟涵,汪玉,張磊.艦船設(shè)備抗沖擊能力的可靠性分析[J].振動與沖擊,2013,32(1):140-144.

[6] 莊茁，由小川，廖劍暉，等.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009：190-191.

[7] 郝貴祥，王紅巖，洪煌杰.空降車著陸緩沖過程仿真研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2012，31(2)：340-344.

[8] 姜濤,王偉力,黃雪峰,等.艦艇抗沖擊設(shè)計(jì)中正負(fù)三角波沖擊譜分析與應(yīng)用[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào),2010,25(2):145-148.

Research on anti-shock simulation of transmitter cabinet of a shipborne radar

MENG Qing-peng1, ZHUANG Wen-xu2, GU Zheng-qiang2

(1.Military Representatives Office for Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003; 2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

An anti-shock simulation of the transmitter cabinet of a shipborne radar is analyzed according to the anti-shock design requirements. The simulation model is built through the anti-shock simulation software and the dynamic analysis method. The shock spectrum time-domain curve is directly applied on the connecting parts of the cabinet in the explicit dynamic analysis steps. According to the test data of the shock absorber system, the shock responses of the cabinet under shock spectrums from vertical and horizontal orientations are obtained. The simulation result indicates that the maximum stress is less than 90% of the tensile strength of the materials, which satisfies the strength index and provides a theoretical basis for the following anti-shock tests.

anti-shock; radar system; cabinet; shock absorber system

2014-05-13；

2014-05-20

孟慶鵬(1983-)，男，工程師，研究方向：雷達(dá)總體技術(shù)；莊文許(1985-)，男，工程師，博士，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與機(jī)電系統(tǒng)仿真；顧?quán)崗?qiáng)(1981- )，男，工程師，碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)耐振與抗沖擊設(shè)計(jì)。

TN957.82

A

1009-0401(2014)03-0039-04