管路系統抗沖擊設計原則計算分析

嵇春艷，智廣信，王 月，崔 杰

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

管路系統抗沖擊設計原則計算分析

嵇春艷，智廣信，王 月，崔 杰

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

對艦船上平面典型管路系統按減振元件、支撐方式、連接方式、穿艙方式等進行分類，建立有限元模型，計算抗沖擊性能極限狀態下的主要影響因素及邊界值。建立包括材料選取原則、元器件布置原則、連接方法選用原則在內的管路抗沖擊設計原則，以便于工程應用。

管路系統；抗沖擊；設計原則

艦船在服役期間不可避免地面臨各種沖擊問題，直接關系到艦船在戰爭中的戰斗力和生命力[1]。船上管路系統錯綜復雜，由于爆炸等突然的沖擊而引起重要管路的破損，將會使艦船動力裝置受損，嚴重的情況下，可使艦船喪失作戰能力[2]。目前，水面艦艇管系設計對抗沖擊性能考慮較少，各船廠設計部門的管系設計布置標準和原則依據都不相同，大多數都是根據各自部門的經驗累積或者參考民船標準進行設計[3]，因此，需要對水面艦艇管系抗沖擊設計方法進行研究，形成便于工程應用的管路抗沖擊設計原則。

1 管路系統抗沖擊性能數值計算分析

將典型管路系統按以下方式進行分類。①減振元件：在管路固定元件與管路接觸處增加橡膠及使用彈簧減振器。②支撐方式：按支吊架的個數進行研究分析。③連接方式：最常見的管路之間連接器件為波紋管連接及法蘭連接。④不同穿艙方式：活絡復板式、復扳套管式及套管式。

管路系統包括管路和船體結構的相關支撐配件，采用某艦船一段典型管路系統，在該管路系統上分別建立不同減振元件、支撐方式、連接方式、管路船艙方式等多個有限元模型，對每類管路有限元模型分別進行數值計算分析。

1.1 不同減振元件

不同減振元件見圖1、2。

圖1 橡膠減振方式管路沖擊云圖

圖2 彈簧減振方式管路沖擊云圖

由計算可得：橡膠減振方式管路在垂向沖擊時域下的最大位移為0.008 663 m，其時刻為0.036 42 s;在橫向沖擊時域下的最大位移為0.005 504 m，時刻為0.036 42 s。

彈簧減振方式管路在垂向沖擊時域下的最大位移為0.196 09 m，時刻為0.029 26 s;在橫向沖擊時域下的最大位移為0.007 291 m，時刻為0.025 68 s。

1.2 不同支吊架個數

船上的管路一般都是受沖擊載荷發生橫力彎曲，這時管路的橫截面上既有彎矩又有剪力[4]。由于切應力的存在，橫截面將不能再保持為平面而發生翹曲。橫力彎曲時，彎矩隨截面位置變化。本次選取管長為L，壁厚為t，管直徑為D，一般情況下，最大的正應力為

(1)

整理得：

(2)

由應力衡準知：σmax≤[σ]=500 MPa。

化簡式(2)得到管路各關鍵參數之間的相互關系為

(32D3t2-128D2t3+

(3)

式中：amax——設計最大值，amax=665.288 84 m/s2；

ρ——管路材料密度。

當已知管路壁厚t，管直徑D時，可以得到管子長度L，即可得到支架的間距。

支架受沖擊時的最大位移見圖3、4。

圖3 支架距離為5m管路受沖擊時位移云圖

圖4 支架距離2.5 m管路受沖擊時位移云圖

計算得支架布設間距分別為5.0、2.5 m管路系統在兩種沖擊環境下最大位移及最大合成應力見表1。

表1 支架布設間距為5.0、2.5 m管路系統位移及應力比較

1.3 不同連接方式

不同連接方式見圖5、6。

圖5 波紋管連接方式受沖擊時最大位移云圖

圖6 法蘭連接方式管路受沖擊時最大位移云圖

由計算可得：波紋管連接方式管路在垂向沖擊時域下的最大位移為0.012 847 m，時刻為0.025 68 s，其在橫向沖擊時域下的最大位移為0.013 944 m，時刻為0.036 42 s。

法蘭連接方式管路在垂向沖擊時域下的最大位移為0,005 974 m，時刻為0.014 94 s，在橫向沖擊時域下的最大位移為0.008 69 m，時刻為0.029 26 s。

1.4 不同穿艙方式

不同穿艙方式見圖7～9。

圖7 活絡復板式管路受沖擊時最大位移云圖

圖8 復板套管式管路受沖擊時最大位移云圖

圖9 套管式管路受沖擊時最大位移云圖

由計算可得：活絡復板式通艙件管路在垂向沖擊時域下的最大位移為0.006 92 m，時刻為0.054 28 s;在橫向沖擊時域下的最大位移為0.004 758 m，時刻為0.04 s。

復板套管式通艙件管路在垂向沖擊時域下的最大位移為0.006 759 m，時刻為0.032 84 s；在橫向沖擊時域下的最大位移為0.004 328 m，時刻為0.004 363 s。

套管式通艙件管路在垂向沖擊時域下的最大位移為0.003 421 m，時刻為0.014 94 s；在橫向沖擊時域下的最大位移為0.041 155 m，時刻為0.054 28 s。

2 管路抗沖擊設計原則

2.1 材料選取原則

管路所用的材料主要為銅鎳合金管(Bfe10-1-1)，各構件的材料性能參數為[5]彈性模量E=124 GPa，泊松比μ=0.32，密度ρ=8 800 kg/m3，許用應力σ=550 MPa。彈簧的材料為鉻釩鋼(50CrVA)，各構件的材料性能參數為彈性模量為1 206 GPa，泊松比0.29，密度7 820 kg/m3，剛度實常數為400 kN。橡膠的材料性能參數為彈性模量E=28 MPa，泊松比μ=0.49，HYPER58的Mooney-Rivlin超彈性屬性的兩個實常數分別為C1=0.293×106，C1=0.177×106。

使用減振元器件對復雜的管路系統抗沖擊有所改善，橡膠減振方式優于彈簧減振方式，建議在選取減振元器件時，在滿足減振要求的前提下，從提高管路系統抗沖擊性能的角度出發，優先選用橡膠減振元器件。

2.2 元器件安裝布置原則

管路元器件安裝在不同部位受到的沖擊載荷大小不同，外板部位受到的沖擊載荷最大，因此管路的最大位移、最大合成應力及最大剪切應力也最大;沖擊載荷來自船體部位時次之;沖擊載荷來自甲板時最小，進行管路設計時應特別注意。當管路受到垂向沖擊時，無論沖擊載荷來自哪個部位的，最大的垂向位移的位置相同；同樣當管路受到來自不同部位不同大小的沖擊載荷橫向沖擊時，管路的橫向最大位移位置相同。此外，通過縮短支吊架布設距離可以有效地提高管路系統的抗沖擊性能。

管路系統的支架布設間距、布設方式對管路系統的抗沖擊性能影響大，減小布設間距有利于減小管路系統位移，減小管路系統高應力區應力，從而提高管路系統的抗沖擊性能。文中得到的支架具體布置距離參考式(3)，即管壁厚選為4 mm，管子公稱直徑D分別為10、15、20、25 mm，鋼管對應的直管段支架間距L1分別為1 761、933、600、425 mm，銅管的直管段支架間距L2分別為1 682、891、571、405 mm。

在布設方式中，橫向、垂向的支架分別僅對管路系統的支架約束方向的抗沖擊性能影響顯著，而對另外兩個方向抗沖擊性能影響較小，因此建議管路系統支架之間的布設方式不宜過大，尤其當管路系統垂向彎管高度較高時建議根據管路系統的實際空間結構增加橫向支架的布置個數。

2.3 連接方法原則

在相同的沖擊環境下，管路系統兩種連接方式的應力響應基本相同；總體上而言垂向、橫向沖擊荷載作用下法蘭連接方式下管路系統的抗沖擊性能優于波紋管連接方式，尤其是采用法蘭連接方式時管路系統在沖擊荷載作用下的最大位移響應可以得到有效改善。而柔性抗沖擊連接裝置也有如下優點：①增加管路與設備連接裝置的抗沖擊性能；②實現管路與設備的柔性連接，同時保證正常狀態時連接裝置變形極小，提高連接裝置的疲勞壽命；③在沖擊荷載作用下可降低管路與設備連接處的應力；④有效防止管路與設備連接處在沖擊作用下發生斷裂的風險；⑤在沖擊荷載作用下有效降低與設備連接處管路的變形量。

在不同的船艙方式中活絡復板式、復板套管式及套管式3種通艙件抗沖擊性能，套管式要優于其他兩種方式，活絡復板式抗沖擊性能最差。建議實際管路通艙時盡量使用套管式通艙件以提高管路系統的抗沖擊性能。

3 結論

1)垂向、橫向沖擊荷載作用下采用橡膠減振方式時管路系統的最大位移響應遠小于采用彈簧減振方式下管路系統的最大位移響應。在管路系統應力響應方面，橫向沖擊荷載作用下橡膠減振方式優于彈簧減振方式，在垂向沖擊荷載作用下橡膠減振和彈簧減振方式基本相同。

2)通過管路兩種連接方式抗沖擊性能的比較分析表明，在相同的沖擊環境下，針對管路系統的抗沖擊性能而言，法蘭連接方式優于波紋管連接方式，尤其是采用法蘭連接方式時管路系統在沖擊荷載作用下的最大位移響應可以得到有效改善，兩種連接方式下，管路系統的應力響應基本相同。

3)垂向方向布置支吊架時，隨著支吊架間距的增加，管路系統垂向抗沖擊性能顯著減弱；但垂向支吊架的間距變化對管路系統的橫向抗沖擊性能幾乎沒有影響。

4)通過對活絡復板式、復板套管式及套管式3種通艙方式下管路系統的抗沖擊性能分析比較，在垂向、橫向沖擊下，采用套管式穿艙方式管路系統的抗沖擊性能明顯優于活絡復板式及復板套管式穿艙方式，套管式穿艙方式下管路系統最大應力約為活絡復板式穿艙方式的1/2。復板套管式穿艙方式與活絡復板式穿艙方式相比而言，復板套管式穿艙方式的抗沖擊性能略優于活絡復板式穿艙方式。

[1] 李兆俊,汪 玉,陳學德,等.管路系統沖擊設計方法分析[J].振動與沖擊,2008,27(9)：171-174.

[2] DEGRASSI G,NIE J,HOFMAYER C.Seismic analysis of large-scale piping systems for the JNEA-NUPEC Ultimate Strength Piping Test Program[R].Washington D.C:U.S.NRC,2008.

[3] PARKS E W.The permanent deformation of a cantilever struck Transversely at its tip[J].Proc.R.Soc,1955(228):462-476.

[4] 郭晉挺,司馬燦,劉建湖,等.艦艇管路系統的抗沖擊性能彈性評估方法[J].船舶力學,2004,8(4):108-115.

[5] LIANG C C,TAI Y S,Shock responses of a surface ship subjected to noncontact underwater explosions[J].Ocean Engineering.2006,33:748-772.

Study on Design Principles for the Impact Resistant Piping System

JI Chun-yan1, ZHI Guang-xin1, WANG Yue1, CUI Jie1

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China)

The plane typical piping system of ships and warships was classified according to having damping component or not, ways of support, connection and through the bulkhead. The main influence factors and boundary value under the limit of shock resistance are calculated by FEM respectively. For the sake of engineering application, a design principle of impact resistant pipeline is established according the numerical value analysis, consist of the principles of material selection, component placement and connection method.

piping system; impact resistant; design principle

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.029

2014-09-02

船舶工業國防科技預研基金(10J1.1.7)

嵇春艷(1976-)，女，博士，教授

U661.43

A

1671-7953(2015)01-0112-05

修回日期：2014-09-29

研究方向:船舶與海洋結構物的力學性能及動力性能、減振方法

E-mail: jichunyanjkd@ 163.com