艦船軸系用液壓螺栓抗沖擊性能數(shù)值仿真研究

吳繼東，葉曉明，孫俊洋，張 萌

(1.武昌船舶重工集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430060;2.華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢430074)

0 引 言

艦船推進(jìn)軸系及其附屬設(shè)備的抗沖擊性能直接影響到艦船的戰(zhàn)斗力和生命力，已越來(lái)越受到各國(guó)海軍的高度重視［1］。抗沖擊性能評(píng)估最好的方法是進(jìn)行實(shí)船爆炸試驗(yàn)，然而由于其高昂的費(fèi)用讓許多發(fā)展中國(guó)家望而止步。因此，開(kāi)展相關(guān)抗沖擊仿真研究對(duì)提高艦船推進(jìn)軸系及其附屬設(shè)備的抗沖擊性能具有非常重要的意義。目前，抗沖擊分析方法主要包括頻域方法即動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法 (Dynamic Design Analysis Method，DDAM)和時(shí)域方法［2］。本文基于Abaqus 有限元分析軟件分別采用這2 種方法對(duì)艦船軸系用液壓螺栓抗沖擊性能進(jìn)行仿真研究。

1 液壓螺栓接觸分析建模

1.1 結(jié)構(gòu)組成及模型簡(jiǎn)化

液壓螺栓結(jié)構(gòu)組成包括帶外錐面的雙頭螺桿、帶內(nèi)錐面的套筒和2個(gè)螺母，如圖1所示。該型液壓螺栓螺桿最大外徑為64 mm，最大長(zhǎng)度為369 mm;套筒外徑80 mm，長(zhǎng)度160 mm。安裝時(shí)將螺桿連同套筒一起裝進(jìn)螺栓孔后，采用液壓頂進(jìn)裝置和螺栓拉伸裝置安裝套筒和施加螺栓的預(yù)緊力，然后旋緊螺母。拆卸時(shí)采用液壓螺栓拉伸裝置拉伸螺栓，同時(shí)在螺桿圓錐面油道內(nèi)注入高壓油。液壓螺栓與傳統(tǒng)鉸制孔螺栓相比，安裝拆卸方便，可避免由于過(guò)盈配合引起的金屬摩擦、拉毛等問(wèn)題。

圖1 液壓螺栓結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sectional view of the hydraulic bolt

艦船推進(jìn)軸系在工作狀態(tài)下需要傳遞較大的扭矩，這使液壓螺栓錐套在軸段法蘭連接面處承受較大的剪應(yīng)力，需對(duì)液壓螺栓整體結(jié)構(gòu)受載后的應(yīng)力進(jìn)行分析。由于推進(jìn)軸系是軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，傳扭過(guò)程可以簡(jiǎn)化用法蘭盤(pán)模擬。法蘭盤(pán)上均布15個(gè)相同液壓螺栓，本文取1/15法蘭盤(pán)進(jìn)行仿真計(jì)算，其三維網(wǎng)格模型如圖2 (a)所示。本模型大部分采用六面體C3D8R 單元，對(duì)螺栓與法蘭接觸部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理如圖2 (b)所示。液壓螺栓接觸分析模型總的單元數(shù)為63 491，節(jié)點(diǎn)數(shù)為77 251。

1.2 數(shù)值建模

1)接觸關(guān)系的定義

圖2 液壓螺栓接觸應(yīng)力分析網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh model of hydraulic bolt contact analysis

液壓螺栓接觸應(yīng)力分析模型中，螺栓各部件已處于裝配完成時(shí)的相對(duì)位置。此時(shí)，螺桿和套筒、套筒與螺栓孔之間形成過(guò)盈配合。在上述過(guò)盈配合面之間建立接觸關(guān)系，并通過(guò)接觸面間的幾何過(guò)盈量來(lái)模擬接觸面間的接觸應(yīng)力。

液壓螺栓安裝時(shí)需要拉伸器提供116 kN 預(yù)緊力。因此，液壓螺栓安裝后與法蘭接觸面之間產(chǎn)生一定的安裝應(yīng)力。本文將螺桿和2個(gè)螺母采用一體化建模，通過(guò)定義螺母與法蘭接觸面之間的過(guò)盈量來(lái)模擬液壓螺栓的安裝應(yīng)力。

2)邊界條件

施加邊界時(shí)，固定一個(gè)法蘭的2個(gè)切斷面。定義一個(gè)參考點(diǎn)，并與另一法蘭兩切斷面建立耦合關(guān)系。通過(guò)在參考點(diǎn)施加1/15 最大工作扭矩來(lái)模擬法蘭所傳遞的扭矩值。

3)載荷步的定義

液壓螺栓接觸應(yīng)力分析的難點(diǎn)在于接觸計(jì)算的收斂性。由于接觸是強(qiáng)非線性問(wèn)題，文中螺桿與套筒之間、套筒與螺栓孔之間、2個(gè)螺母與法蘭面接觸面之間以及兩法蘭接觸面之間都存在著接觸關(guān)系。因此，在處理這些接觸關(guān)系時(shí)需要采取適當(dāng)?shù)姆椒ú拍鼙ＷC計(jì)算的收斂。如:分步建立接觸關(guān)系、在建立接觸的過(guò)程中施加臨時(shí)邊界等。

2 抗沖擊計(jì)算理論

2.1 頻域分析法

依據(jù)GJB1060.1 -1991 開(kāi)展液壓螺栓抗沖擊性能頻域分析研究。計(jì)算三維網(wǎng)格模型如圖3所示，包括連接軸、傳動(dòng)軸、液壓聯(lián)軸器、15個(gè)液壓螺栓等部件。抗沖擊模型網(wǎng)格劃分以六面體C3D8R 單元為主，這樣既能保證計(jì)算的效率和精度，對(duì)接觸部位和倒角處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。液壓螺栓抗沖擊分析模型總的單元數(shù)為924 853，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 074 389。

圖3 液壓螺栓抗沖擊分析計(jì)算網(wǎng)格模型Fig.3 Mesh model of the anti-shock analysis of hydraulic bolt

由于頻域分析不能考慮非線性問(wèn)題。因此，在模型中所有的接觸面均定義為T(mén)ie。邊界條件設(shè)定為2個(gè)軸段外端面全約束。

隨艦艇類(lèi)型、設(shè)備安裝位置及設(shè)備各級(jí)模態(tài)質(zhì)量的不同，頻域分析沖擊譜也不一樣。對(duì)于液壓螺栓，屬于A 類(lèi)設(shè)備。因此，計(jì)算公式如下:

式中:A0為加速度，m/s2;V0為速度，m/s;ma為模態(tài)質(zhì)量，t。

依據(jù)GJB1060.1 -1991 要求，采用NRL 方法進(jìn)行模態(tài)合成，如式(3)所示。

式中:xib為任一階模態(tài)的最大響應(yīng);xia為對(duì)應(yīng)a 階模態(tài)的響應(yīng);xi為合成后的響應(yīng)。

通過(guò)模態(tài)分析獲得設(shè)計(jì)載荷譜，表1 給出3個(gè)方向的部分載荷譜值。

表1 不同沖擊方向上的設(shè)計(jì)載荷譜(部分)Tab.1 Shock spectrum of different directions (part)

頻域法的計(jì)算結(jié)果是動(dòng)力學(xué)分析得到的沖擊應(yīng)力與設(shè)備連續(xù)工作應(yīng)力的綜合［3-4］。液壓螺栓由于過(guò)盈配合產(chǎn)生的接觸應(yīng)力及傳遞扭矩產(chǎn)生的應(yīng)力均為連續(xù)工作應(yīng)力，故計(jì)算結(jié)果應(yīng)包含這些應(yīng)力值。

2.2 時(shí)域分析法

時(shí)域分析法可對(duì)各種非線性因素進(jìn)行精確仿真，是目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的一種計(jì)算方法。該方法采用實(shí)測(cè)的時(shí)間歷程曲線或標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)輸入時(shí)程曲線作為設(shè)備的沖擊輸入載荷，對(duì)設(shè)備進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)響應(yīng)分析。本文采用德國(guó)艦船沖擊標(biāo)準(zhǔn)BV043/85 規(guī)定的雙三角加速度時(shí)間歷程曲線，如圖4所示。

根據(jù)BV043/85 要求，相關(guān)參數(shù)計(jì)算方法如下:

1)設(shè)備質(zhì)量小于5 t的隔離系統(tǒng)，抗沖擊指標(biāo)見(jiàn)表2［6］。

圖4 雙三角形時(shí)域曲線Fig.4 Double triangle curve on time domain

表2 BV043/85 中抗沖擊譜Tab.2 Shock spectrum of BV043/85

2)對(duì)于設(shè)備質(zhì)量大于5 t的隔離系統(tǒng)，沖擊譜速度和加速度需要進(jìn)行折減，折減的公式為:

式中:m為隔離安裝的設(shè)備質(zhì)量，t;m0為質(zhì)量常數(shù)，t;A為折減后的加速度譜值，g;V為折減后的速度譜值，m/s。

計(jì)算輸入載荷依據(jù)表2和圖4 來(lái)確定，圖4為從沖擊譜轉(zhuǎn)換為等效的時(shí)域加速度曲線。圖中的參數(shù)計(jì)算方法如下:

時(shí)域法分析時(shí)，液壓螺栓抗沖擊計(jì)算模型如圖3所示。由于時(shí)域法可以把各種非線性因素考慮進(jìn)來(lái)，因此各接觸面定義為Contact。邊界條件為約束兩軸段的外端面，同時(shí)釋放其沖擊方向的自由度，三角沖擊波施加在2個(gè)軸端面上。

由于整個(gè)抗沖擊模型相對(duì)于液壓螺栓較大，因此，本文采用子模型算法對(duì)液壓螺栓進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。子模型法又稱(chēng)切割邊界法或特定位移法，是一種基于圣維南原理精確計(jì)算結(jié)構(gòu)中的細(xì)部構(gòu)件方法。該方法用整體模型切割邊界上的位移作為子模型的位移邊界條件，對(duì)子模型進(jìn)行重新計(jì)算，可得到更為精確的計(jì)算結(jié)果［7］。

子模型分析步驟為:

1)對(duì)整體模型進(jìn)行分析;

2)對(duì)子模型建模，并使子模型在總體坐標(biāo)系中的位置與其在整體模型中的相應(yīng)位置一致;

3)提取子模型切割邊界條件;

4)分析子模型，使用子模型結(jié)果文件，讀入切割邊界條件文件，并在子模型上施加切割邊界條件以外的載荷和約束。

3 材料屬性及計(jì)算工況

本文以某型艦船軸系用液壓螺栓為分析對(duì)象，對(duì)其抗沖擊性能進(jìn)行研究。液壓螺栓各部件的材料屬性如表3所示。最大扭矩工況下推進(jìn)軸系所傳遞的扭矩值為3 800 kN·m。

表3 液壓螺栓各部件材料屬性Tab.3 Material properties of each component

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

最大扭矩工況下，液壓螺栓接觸應(yīng)力仿真計(jì)算結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 整體模型應(yīng)力分布Fig.5 Material properties of each component

圖6 螺桿及螺母應(yīng)力分布Fig.6 Stress contours of the screw and nut

圖7 套筒應(yīng)力分布Fig.7 Stress contours of the sleeve

圖8 法蘭應(yīng)力分布Fig.8 Stress contours of the flange

從以上結(jié)果分析可知，液壓螺栓所有零件應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料屈服極限。整個(gè)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在液壓螺栓套筒承受兩法蘭面剪切的位置，最大值為565.6 MPa。其余大部分區(qū)域應(yīng)力較平均，在320 MPa 左右。

4.2 頻域分析計(jì)算結(jié)果

抗沖擊計(jì)算無(wú)論頻域還是時(shí)域都應(yīng)進(jìn)行垂向、縱向和橫向的評(píng)估。由于垂向沖擊破壞最大，本文只對(duì)垂向結(jié)果進(jìn)行分析。液壓螺栓抗沖擊頻域計(jì)算結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖9 整體模型垂向沖擊應(yīng)力云圖Fig.9 The whole model stress contours upon vertical shock

圖10 螺桿及螺母垂向沖擊應(yīng)力云圖Fig.10 The screw and nut stress contours upon vertical shock

圖11 套筒垂向沖擊應(yīng)力云圖Fig.11 The sleeve stress contours upon vertical shock

該液壓螺栓頻域垂向沖擊應(yīng)力綜合結(jié)果為:螺桿最大應(yīng)力419.60 MPa 出現(xiàn)在螺桿與螺母連接的過(guò)渡圓角處;套筒最大應(yīng)力571.07 MPa，出現(xiàn)在套筒被兩法蘭面剪切的內(nèi)表面。液壓螺栓各部件最大應(yīng)力都符合GJB1060.1 -1991 抗沖擊性能要求，小于材料屈服極限。

4.3 時(shí)域分析計(jì)算結(jié)果

時(shí)域法子模型計(jì)算結(jié)果如下所示。由圖15和圖16 可知，螺桿和套筒最大應(yīng)力出現(xiàn)在沖擊的初始時(shí)刻，分別為411.32 MPa和622.46 MPa，均小于其材料的屈服極限，符合抗沖擊性能要求。

圖12 0.603 ms 子模型整體時(shí)域垂向沖擊應(yīng)力云圖Fig.12 The whole model stress contours upon vertical shock on time domain (0.603 ms)

圖13 0.603 ms 時(shí)刻螺桿及螺母時(shí)域垂向沖擊應(yīng)力云圖Fig.13 The screw and nut stress contours upon vertical shock on time domain (0.603 ms)

圖14 0.603 ms 時(shí)刻套筒時(shí)域垂向沖擊應(yīng)力云圖Fig.14 The sleeve stress contours upon vertical shock on time domain (0.603 ms)

圖15 時(shí)域垂向沖擊套筒某參考點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)17422)應(yīng)力時(shí)歷曲線Fig.15 The time history plot of stress at node 17422 on sleeve

圖16 時(shí)域垂向沖擊螺桿某參考點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)56715)應(yīng)力時(shí)歷曲線Fig.16 The time history plot of stress at node 56715 on crew

5 結(jié) 語(yǔ)

本文分別對(duì)液壓螺栓在最大扭矩工況下的接觸應(yīng)力及抗沖擊性能進(jìn)行仿真計(jì)算。分析結(jié)果表明:

1)在最大扭矩工況下，液壓螺栓套筒在2個(gè)法蘭面接觸處受較大剪切應(yīng)力，是該液壓螺栓最危險(xiǎn)的部位。在設(shè)計(jì)加工過(guò)程中可采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行強(qiáng)化。

2)抗沖擊各部件應(yīng)力時(shí)歷曲線顯示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在沖擊的初始時(shí)刻，且都小于材料屈服強(qiáng)度，符合抗沖擊性能要求。

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

［2］劉建湖.艦船非接觸性水下爆炸動(dòng)力學(xué)的理論與應(yīng)用［D］.無(wú)錫:中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，2003.

［3］GJB1060.1 -1991 艦船環(huán)境條件要求—機(jī)械環(huán)境［S］.北京:國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)，1991.

［4］童水光，魏超，費(fèi)鐘秀，等.船用齒輪箱系統(tǒng)抗沖擊特性數(shù)值仿真［J］.振動(dòng)與沖擊，2012，31(12):79 -85.TONG Shui-guang，WEI Chao，F(xiàn)EI Zhong-xiu，et al.Numerical simulation for anti-shock characteristic of a marine gearbox system［J］.Journal of Vibration and Shock，2012，31(12):79 -85.

［5］計(jì)晨，汪玉，楊莉，等.柴油機(jī)主要部件沖擊響應(yīng)時(shí)域分析［J］.兵工學(xué)報(bào)，2011，32(4):391 -396.JI Cheng，WANG Yu，YANG Li，et al.Time domain analysis on shock response of main componets of diesel［J］.Acta Armamentarll，2011，32(4):391 -396.

［6］BV043/85 沖擊安全性，聯(lián)邦德國(guó)國(guó)防軍建造規(guī)范［S］.1985.

［7］ABAQUS Analysis User′s Manual.ABAQUS INC，2012.