基于DDAM法的船用液體混合裝置沖擊響應(yīng)仿真研究

湯傳貴，趙建華，丁先威

（1.海軍駐青島造船廠軍事代表室，山東 青島 266000；2.海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

基于DDAM法的船用液體混合裝置沖擊響應(yīng)仿真研究

湯傳貴1，趙建華2，丁先威2

（1.海軍駐青島造船廠軍事代表室，山東 青島 266000；2.海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

船用液體混合裝置剛性安裝在船舶機(jī)艙中，應(yīng)用頻域DDAM分析方法可以獲得設(shè)備各處的最大沖擊響應(yīng)，在進(jìn)行裝置三維模型簡化的基礎(chǔ)上，建立有限元模型，通過模態(tài)分析獲得模型各階模態(tài)頻率、模態(tài)質(zhì)量等參數(shù)，以及計算各階模態(tài)下的沖擊加速度輸入值，基于ALGOR軟件DDAM分析模塊，獲得該裝置的沖擊應(yīng)力響應(yīng)，裝置可以滿足GJB1060規(guī)定的抗沖擊要求。

沖擊響應(yīng)；DDAM法；船用設(shè)備

當(dāng)船舶機(jī)艙內(nèi)的設(shè)備需要滿足抗水下爆炸沖擊時，按照安裝方式分類可以分為剛性安裝和彈性安裝。動力設(shè)備為了滿足減振降噪以及抗沖擊的要求，一般采用彈性安裝。為減小造船費用，諸如冷卻器、過濾器，以及本文的船用液體混合裝置等靜態(tài)運(yùn)行的設(shè)備不影響船舶機(jī)艙的振動噪聲性能，一般采用剛性安裝，但此時需要對其抗沖擊性能進(jìn)行專門的分析評估。

這類設(shè)備通常質(zhì)量較大，不利于開展抗沖擊性能的試驗評估，一般采用仿真計算的方法進(jìn)行分析評估。對于剛性安裝的設(shè)備可以采用時域法和頻域法兩種分析方法。采用時域分析法往往要求合理的沖擊輸入加速度時域測試值，或等效的正負(fù)雙波加速度沖擊輸入，獲得設(shè)備的沖擊應(yīng)力時域響應(yīng)，用于評估設(shè)備的安全性，并找出薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。頻域分析法則基于模態(tài)分析獲得設(shè)備沖擊響應(yīng)的最大值，在沖擊評估時更能獲得保守的結(jié)論，具有良好的實用價值。

1 裝置沖擊響應(yīng)分析的有限元建模

混合裝置包括主罐體、進(jìn)液管路及閥門、出液管路及閥門等部件，其三維實體模型如圖1所示。考慮實船安裝約束情況，并去除其他與沖擊能力無關(guān)的零部件，簡化與沖擊能力無關(guān)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)后，形成可進(jìn)行有限元建模的等效模型。然后，在ABAQUS中進(jìn)行有限元四面體網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格模型.inp文件導(dǎo)入ARGOL內(nèi)，建立有限元分析模型，共68303節(jié)點，228059單元。

有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

2 設(shè)備沖擊響應(yīng)分析的DDAM方法及沖擊輸入的確定

2.1 頻域DDAM方法

頻域DDAM方法（動態(tài)設(shè)計分析方法）是基于結(jié)構(gòu)振動模態(tài)疊加的一種方法。設(shè)備簡化為多自由度系統(tǒng)，在計算出模態(tài)振型和模態(tài)質(zhì)量后，根據(jù)基礎(chǔ)沖擊譜的輸入得出模態(tài)位移和應(yīng)力。通過合成模態(tài)解得出設(shè)備的位移和應(yīng)力響應(yīng)。船舶設(shè)備沖擊響應(yīng)DDAM方法的計算步驟如下：

（1）計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型向量, 并對振型向量正則化。（2）計算每一階模態(tài)的模態(tài)參與因子和有效模態(tài)質(zhì)量。（3）定義具體應(yīng)用的沖擊譜。（4）計算沖擊作用下每階模態(tài)的響應(yīng)。（5）采用NRL合成方法得到結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)，包括結(jié)構(gòu)的位移、速度、加速度、單元應(yīng)力、單元力的響應(yīng)。

以上分析方法的關(guān)鍵在于模態(tài)如何選取，在DDAM方法中并不需要對所有的模態(tài)進(jìn)行合并，有如下標(biāo)準(zhǔn)：（1）所有選擇模態(tài)的模態(tài)質(zhì)量之和不小于80%的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量。（2）若存在密集模態(tài)，這些模態(tài)的合并響應(yīng)必須進(jìn)行分析。（3）如果模態(tài)質(zhì)量超過總質(zhì)量的1%，那么這個模態(tài)也應(yīng)被合并。

2.2 沖擊輸入

根據(jù)GJB1060.1-91的規(guī)定，動力學(xué)分析前應(yīng)明確以下原則：（1）是屬于水面船舶或潛艇。（2）抗沖擊等級。（3）設(shè)備類型。（4）彈性分析或彈塑性分析。（5）危險區(qū)域及危險區(qū)域的應(yīng)力和變形。

然后根據(jù)上述原則選用設(shè)計沖擊譜輸入，對于船體和外板安裝部位水面船舶用的設(shè)計值A(chǔ)0、V0按下列公式計算：

式中：ma設(shè)備的模態(tài)質(zhì)量，單位t；A0基準(zhǔn)加速度m/s2；V0基準(zhǔn)速度，m/s。

本混合裝置安裝于水面船舶，抗沖擊等級為A級，設(shè)備安裝位置為船體部位，由于設(shè)備允許一定的塑性變形，故按照彈塑性分析進(jìn)行仿真計算。

3 沖擊響應(yīng)的計算及分析

3.1 約束條件下的模態(tài)分析

根據(jù)實際安裝條件，設(shè)備的機(jī)腳、管路街頭設(shè)定為約束狀態(tài)，獲得模態(tài)分析結(jié)果，模態(tài)頻率如表1第2列所示。由表1中第3、4列垂向模態(tài)質(zhì)量及占總質(zhì)量的百分比可知，垂向第5、7階對動力學(xué)性能影響最大。

3.2 沖擊響應(yīng)計算

由模態(tài)分析結(jié)果，依據(jù)GJB1060.1-91的計算方法，計算了模型的前30階模態(tài)，參與計算模態(tài)質(zhì)量占總質(zhì)量80%以上，給出彈塑性條件下各向沖擊輸入載荷，列舉前10階，如表2所示。

裝置在垂向沖擊作用下最大應(yīng)力值為507.12MPa，橫向沖擊作用下最大應(yīng)力值為230.97MPa，縱向沖擊作用下最大應(yīng)力值為237.85 MPa。在垂向沖擊作用下最大位移值為 2.6mm，橫向沖擊作用下最大應(yīng)力值為1.0mm，縱向沖擊作用下最大應(yīng)力值為3.8 mm，外部管路是沖擊響應(yīng)應(yīng)力最大部位。通過分析發(fā)現(xiàn)混合管路是沖擊響應(yīng)劇烈部位，儲罐主體安全性較高，外部管路中間部位應(yīng)力集中屬高危險區(qū)域，這是由于閥門的慣性力引起管路的沖擊應(yīng)力，可在閥門上增加相應(yīng)的支撐以減小該處管路的沖擊應(yīng)力。

表1 垂向（Y向）模態(tài)參數(shù)

表2 沖擊輸入

4 結(jié)語

利用頻域DDAM計算法可以獲得沖擊作用下液體混合裝置各處的最大應(yīng)力，裝置在允許塑性變形的情況下，垂向沖擊時應(yīng)力最大，部位為閥門與管路接口處，為507MPa，低于材料屈服極限。最大位移發(fā)生在縱向沖擊作用下，為3.8mm。計算表明，若要改善該裝置的抗沖擊性能，可以在閥門上部管路加強(qiáng)支撐。

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U674.701

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1671-0711（2017）01（下）-0114-02