基于某艦船高壓空壓機(jī)模塊抗沖擊分析的研究

鄭立平，郭 磊

（中國人民解放軍第四八一二工廠，安徽安慶 246001）

1 引言

空壓機(jī)是艦船的重要輔助設(shè)備，可提供低、中、高壓氣源，供柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)、儀器儀表控制、武器發(fā)射、吹掃及生活用氣等；其可靠性、抗沖擊能力與艦船的日常使用及作戰(zhàn)性能息息相關(guān)。在設(shè)備的服役期限內(nèi)，艦船可能承受水下非接觸性爆炸或接觸爆炸沖擊作用，其沖擊力通過船體結(jié)構(gòu)傳給設(shè)備基座及各零部件，可導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生錯(cuò)位、曲軸變形、隔振器斷裂等失效形式；因此，為提高艦船的生命力和戰(zhàn)斗力，保證船上設(shè)備安全可靠運(yùn)行，設(shè)備列裝前一般要進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)，以預(yù)測設(shè)備能否適應(yīng)艦船的沖擊環(huán)境[1]。

艦船設(shè)備的抗沖擊能力一般在輕型或中型沖擊機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)[2]。其中，中型沖擊機(jī)采用落錘錘擊，僅適用于2.7 t以下的設(shè)備；針對(duì)此現(xiàn)狀，海軍裝備研究院基于雙波沖擊理論，研制出DW-5000型雙波沖擊試驗(yàn)機(jī)，可適用于5 t以下設(shè)備的沖擊試驗(yàn)。對(duì)于5 t以上的設(shè)備，需將試件安裝在浮動(dòng)沖擊平臺(tái)上，通過水下爆炸的方法來實(shí)現(xiàn)，然而對(duì)于某些大型復(fù)雜設(shè)備即便是在浮動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)上，也難以對(duì)其進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)虛擬仿真試驗(yàn)作用地位日益突出，以數(shù)值仿真試驗(yàn)為主、試驗(yàn)為輔的仿真路線開始成為多數(shù)國家海軍艦船抗沖擊研究的有效途徑及今后艦船抗沖擊技術(shù)的發(fā)展方向[3]。

本文論述的高壓空壓機(jī)模塊（簡稱“模塊”）列裝于某新造艦船，采用了集成化、模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，將2臺(tái)空壓機(jī)（并聯(lián)）、一套干燥裝置、一臺(tái)水泵、一臺(tái)控制箱組裝成一體，集成安裝在浮筏隔振裝置上，形成一套雙機(jī)雙層隔振系統(tǒng)，其外形尺寸為2.8 m×1.5 m×1.9 m，總重量約為6.2 t。由于模塊尺寸、重量過大，不適用于采用落錘沖擊和雙波沖擊，而采用水下爆炸沖擊不僅費(fèi)用高、且爆炸產(chǎn)生的沖擊波會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成惡劣影響。基于此，本文采用仿真計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，建立了高壓空壓機(jī)模塊與單機(jī)浮筏隔振系統(tǒng)（總重2.98 t，列裝于另一新造船型，由單臺(tái)空壓機(jī)、浮筏、水泵組成，以下簡稱“單機(jī)系統(tǒng)”）的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)該兩模型施加沖擊譜，通過Adams數(shù)值仿真，得出了2種狀態(tài)下空壓機(jī)、浮筏的沖擊加速度及隔振器的變形特性；結(jié)合單機(jī)系統(tǒng)及裸機(jī)的沖擊試驗(yàn)，綜合評(píng)價(jià)模塊的抗沖擊性能。

2 模塊沖擊動(dòng)力學(xué)模型的建立

在CATIA中分別建立模塊及單機(jī)系統(tǒng)的抗沖擊動(dòng)力學(xué)模型。其中，高壓空壓機(jī)模塊的2臺(tái)空壓機(jī)分別由4只SJZ-800型隔振器與浮筏頂面連接，下層由12只6JX-600型隔振器將浮筏與船體連接而成，如圖1（a）。單機(jī)系統(tǒng)由4只SJZ-800型隔振器，6只6JX-600型隔振器將空壓機(jī)及船體與浮筏聯(lián)接成一體，如圖如圖1（b）。

在動(dòng)力學(xué)模型中，將浮筏、空壓機(jī)、干燥裝置、水泵、控制箱假設(shè)為剛體，通過CATIA三維計(jì)算，設(shè)置各部件的質(zhì)量、重心等參數(shù)。將隔振器等效為三向彈簧，其剛度、阻尼等參數(shù)如表1。根據(jù)上海交通大學(xué)嚴(yán)濟(jì)寬基于試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上提出的動(dòng)剛度Kd、沖擊剛度Ksh間的大致經(jīng)驗(yàn)比例關(guān)系為Ksh=（1.5～2.0）Kd[4]，在進(jìn)行隔振器抗沖擊計(jì)算時(shí)，采用的是沖擊剛度。

3 施加沖擊譜

設(shè)備的沖擊載荷通常采用等位移譜、等速度譜和等加速度譜構(gòu)成的三折線譜來描述。本文施加的沖擊譜按試驗(yàn)沖擊譜確定，如表2所示。

圖1

表1 隔振器參數(shù)

表2 沖擊譜

對(duì)于質(zhì)量大于5 t的設(shè)備，沖擊加速度和沖擊速度需進(jìn)行折減，折減公式為

將沖擊譜采用峰值、作用時(shí)間和波形特性轉(zhuǎn)化成由一個(gè)正波和一個(gè)負(fù)波組合的正負(fù)三角加速度時(shí)間曲線，實(shí)現(xiàn)從頻域到時(shí)域上的轉(zhuǎn)化。其時(shí)域波形如圖2。

根據(jù)德國BV043O-85艦艇建造規(guī)范，圖中參數(shù)與沖擊譜之間存在下列轉(zhuǎn)化關(guān)系[5]：

式中，V1——第一個(gè)三角形面積

根據(jù)以上公式，將模塊及單機(jī)系統(tǒng)沖擊譜折算成時(shí)域沖擊譜，并通過ADAMS軟件加載到抗沖擊動(dòng)力學(xué)模型中，完成仿真計(jì)算。

4 求解結(jié)果及分析

4.1 設(shè)備沖擊特性

通過ADAMS仿真計(jì)算，得出模塊及單機(jī)系統(tǒng)的空壓機(jī)、浮筏的橫向（X向）、縱向（Y向）、垂向（Z向）沖擊加速度變化曲線，如圖3（a）～（f）所示。

圖2 時(shí)域沖擊譜波形

由圖3（a）～（f）可知：在沖擊力作用瞬間，各設(shè)備產(chǎn)生正向的沖擊加速度，并逐漸達(dá)到最大值，此時(shí)各隔振器處于拉伸狀態(tài)，其最大沖擊加速度如表3。沖擊力消失后，由于隔振器需恢復(fù)到原始狀態(tài)，產(chǎn)生一個(gè)反向的作用力，使空壓機(jī)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)反向的峰值加速度；隨時(shí)間遞增，在系統(tǒng)阻尼作用下，沖擊加速度在正反方向逐次衰減，直至恢復(fù)穩(wěn)定。

通過表3數(shù)值對(duì)比，在模塊和單機(jī)系統(tǒng)兩種沖擊狀態(tài)下，模塊的空壓機(jī)、浮筏在橫向、縱向、垂向的沖擊加速度均較小。由此可表明：相對(duì)于單機(jī)系統(tǒng)，模塊各部件受沖擊載荷較小，較安全。

4.2 隔振器沖擊特性

通過ADAMS后處理分析，可得出模塊及單機(jī)系統(tǒng)各隔振器在橫向、縱向及垂向沖擊作用下的變形曲線。各設(shè)備隔振器變形趨勢基本一致，其變形量也較為接近，從SJZ-800及6JX-600型隔振器中，選取變形量最大的一組來評(píng)價(jià)2種沖擊狀態(tài)下各型隔振器的沖擊特性，如圖4（a）～（f）所示。

由圖4（a）～（f）可知：下層6JX-600型隔振器因剛度小，且距沖擊作用力近，產(chǎn)生的變形量較大；經(jīng)下層隔振系統(tǒng)衰減后，上層SJZ-800型隔振器承受的沖擊力減弱，產(chǎn)生的變形量均較小。在沖擊作用瞬間，各隔振器處于受拉狀態(tài)，并逐漸達(dá)到最大值。沖擊力消失后，由于隔振器需恢復(fù)到初始狀態(tài)，并在慣性作用下，受壓變形量達(dá)到最大值。隨時(shí)間遞增，在系統(tǒng)阻尼作用下，隔振器變形逐次衰減，直至恢復(fù)穩(wěn)定。2種沖擊狀態(tài)下，隔振器最大變形量如表4所示。

由表4可知：模塊隔振器在橫向、縱向、垂向沖擊作用下的的變形較小，相對(duì)單機(jī)系統(tǒng)，隔振器抗沖擊更安全。且在兩種沖擊狀態(tài)下，隔振器變形量均小于最大允許沖擊變形量，因此，模塊及單機(jī)系統(tǒng)各隔振器的抗沖擊性能均滿足艦船使用要求。

5 設(shè)備沖擊試驗(yàn)考核

5.1 單機(jī)系統(tǒng)雙波沖擊試驗(yàn)

雙波沖擊是通過對(duì)設(shè)備輸出正負(fù)半正弦波來模擬水下爆炸的沖擊波和氣泡脈動(dòng)的一種抗沖擊試驗(yàn)方法，其沖擊譜為沖擊位移、速度和加速度三折線譜[6]。為驗(yàn)證設(shè)備的抗沖擊能力，本文依據(jù)HJB 554-2012《艦船設(shè)備雙波沖擊機(jī)試驗(yàn)方法》，針對(duì)單機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行了雙波沖擊試驗(yàn)。

圖3

表3 各設(shè)備最大沖擊加速度

設(shè)備在水平和傾斜安裝兩種狀態(tài)下，各進(jìn)行兩次垂向、傾斜沖擊。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，設(shè)備試驗(yàn)沖擊譜見本文表2。試驗(yàn)過程中，采用BK 4384V型加速度傳感器對(duì)設(shè)備沖擊譜值進(jìn)行了實(shí)測，各次沖擊的實(shí)測沖擊譜曲線如圖5（a）、（b）。

由測試曲線可知，實(shí)測沖擊譜符合沖擊試驗(yàn)要求，達(dá)到了要求的沖擊強(qiáng)度。設(shè)備經(jīng)沖擊后，空壓機(jī)、水泵、浮筏各零部件無機(jī)械損傷，開機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)復(fù)測，各項(xiàng)性能指標(biāo)正常，試驗(yàn)考核合格。

5.2 裸機(jī)落錘沖擊

圖4

表4 各隔振器最大變形量

圖5

表5 裸機(jī)落錘沖擊試驗(yàn)參數(shù)

為進(jìn)一步驗(yàn)證空壓機(jī)的抗沖擊性能，本文依據(jù)GJB150.18相關(guān)規(guī)定，對(duì)裸機(jī)（單臺(tái)空壓機(jī)，約1.86t）進(jìn)行了3次垂向、傾斜沖擊，沖擊過程如。各次沖擊的落錘高度及砧板行程等試驗(yàn)參數(shù)。裸機(jī)落錘沖擊后，各零部件無機(jī)械損傷，開機(jī)檢驗(yàn)，機(jī)組工作正常，試驗(yàn)考核合格。

6 結(jié)論

（1）在ADAMS軟件中，建立了高壓空壓機(jī)模塊和單機(jī)系統(tǒng)的抗沖擊動(dòng)力學(xué)模型，并通過仿真計(jì)算，得出了2種沖擊狀態(tài)下空壓機(jī)、浮筏的垂向、橫向、縱向沖擊加速度和隔振器變形曲線。

（2）通過數(shù)值類比，模塊空壓機(jī)、浮筏等部件各向沖擊加速度和隔振器的變形量均小于單機(jī)系統(tǒng)沖擊作用下的數(shù)值，結(jié)合單機(jī)系統(tǒng)雙波沖擊及裸機(jī)落錘沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證，可推測出模塊各部件及隔振器的抗沖擊性能滿足艦船使用要求。

（3）本文通過仿真模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，驗(yàn)證了模塊的抗沖擊性能，對(duì)大型、大質(zhì)量艦船設(shè)備的抗沖擊分析研究，具有一定的參考意義。