某艦載機柜抗沖擊仿真計算*

侯世紅

（中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068）

1 引言

沖擊是造成艦船設備失效的重要原因之一。艦船設備容易遭受到接觸式爆炸或者非接觸式爆炸產生的沖擊作用而破壞或喪失功能，尤其以水下非接觸式爆炸引起的沖擊破壞最具代表性。因此，各國海軍對艦船設備的抗沖擊能力尤為重視，要求艦船設備設備必須進行必要的抗沖擊試驗或者沖擊動力學分析，也制定了相應的抗沖擊試驗標準，典型的有德國1985年頒布的BV043/85和美國1989年頒布的MIL-S-901D，我國于1991年頒布了相應的國軍標GJB1060.1，對艦船設備的沖擊試驗和動力學分析做了規定［1～3］。

2 沖擊設計方法

目前常用于艦船設備抗沖擊動力學分析計算的方法主要有靜G法，譜分析法（BV043/85規定譜、DDAM）和時域分析法。

靜G法又稱為等效靜力法或者沖擊設計系數法，是基于靜力學分析理論，將設備沖擊載荷等效轉化為成某一倍數的靜載荷，以靜態強度評估設備的動態響應，該方法簡單方便，適合分析計算以一階響應為主引起的沖擊破壞。

譜分析法以模態分析為基礎，將設備簡化為線性的彈簧和質量系統，將沖擊設計譜作為系統的輸入條件，常見的沖擊設計輸入譜主要有位移譜、速度譜和加速度譜。常見的譜分析方法主要是前聯邦德國國防軍艦艇建造規范BV043/85規定譜和DDAM。BV043/85規定譜主要是三折線譜，根據頻率不同可選擇等位移譜、等速度譜、等加速度譜。DDAM是美國海軍廣泛使用的基于沖擊反映譜的分析方法，設計沖擊譜是依據經驗公式，綜合考慮了艦船設備在船體的安裝位置、設備本身的抗沖擊要求等級、沖擊輸入方向、模態分析結果以及與之相應的模態質量等因素計算出沖擊輸入譜值。但是DDAM只能分析線彈性安裝的設備，且沒有考慮臨近設備和船體輸入對沖擊的影響，同時對于密集模態，可能產生較大誤差，因此有一定局限性。

時域分析法是將特定的時間歷程曲線作為分析系統的沖擊輸入載荷，從而可以獲得任一時刻和節點處的沖擊響應。本文以某艦載機柜作為研究對象，通過將BV043/85中規定的譜值轉化為時域分析的輸入值進行分析和計算［4～8］。

3 沖擊設計輸入

3.1 典型的沖擊設計譜

根據德國BV043/85標準，典型的沖擊輸入譜為三折線譜，具體形式如圖1，根據頻率不同可將沖擊譜譜線分為等位移譜、等速度譜和等加速度譜［9～10］。

圖1 典型的沖擊譜譜線

根據機柜在船體上的安裝位置，屬于甲板安裝的乙類設備，根據BV043/85標準規定的沖擊分析等級，選擇的沖擊設計輸入譜值如表。

表1 乙類設備沖擊譜譜值

3.2 沖擊譜轉化為時間歷程曲線

對于時域分析方法，根據輸入的時間歷程曲線的不同可分為鋸齒波法、正負三角波法、半正弦法等，對于正負三角波法，其對應的時間歷程曲線形式如圖2，由正負兩個三角脈沖組成，正脈沖加速度峰值大，持續時間短，負脈沖加速度峰值小，但是持續時間長。正負兩個脈沖面積（圖中三角形所示面積）相等，致使其最終速度為零。

圖2 正負三角波時間歷程曲線

在使用時域分析方法的過程中，由于通過實測方法得到的時間歷程曲線有很大的不確定性，很難得到較為穩定且唯一的時間歷程曲線，對分析結果的穩定性有較大的影響。因此BV043/85標準規定了從規定譜轉化為正負三角波形式的時間歷程曲線。其轉化關系如下：

通過式（1）將表1中的沖擊普譜值轉化為正負三角波時間歷程曲線，得到的計算輸入載荷如表2。

表2 沖擊計算輸入載荷

3.3 隔振器等效處理

機柜底部和背部均安裝無諧振峰隔振器，其型號及性能參數如表3，根據其工作原理，可將其簡化為彈簧和摩擦力系統，其簡化的理論模型如圖3所示。

表3 隔振器參數

圖3 隔振器理論模型

對于一般的彈簧和摩擦力的組合，其振動方程如下：

對于彈簧和摩擦力系統組成的隔振器模型，當摩擦力較小時，可將摩擦力簡化為等效阻尼，簡化原則是假設系統做簡諧強迫振動，在一個運動周期內，摩擦力做的功和等效阻尼所消耗的能量相等。從而將彈簧和摩擦力隔振系統，簡化為彈簧阻尼系統［11～13］。

簡化滿足如下的關系式：

由此可以得到摩擦力的等效阻尼為

式中：C為等效阻尼，ω為系統解鎖頻率，δ為阻尼器相對位移，Ff為摩擦力。

4 抗沖擊仿真計算

4.1 建立機柜有限元模型

某艦載機柜，其結構組成主要有機柜本體（機柜骨架、前后門板、蓋板）、插箱、背部及底部隔振器、導軌、溫控系統及其他相關附件組成，在機柜實際使用過程中，模塊及相關電子設備裝在插箱里，插箱固定在導軌上，導軌直接或間接的固定在機柜側面，插箱可通過導軌進行推拉。在該模型計算中，機柜內部共有五個插箱，每個插箱的重量分別是 18.9kg、40kg、45kg、41kg、38.5kg，（共計 183.4kg的載荷）［14］。

該分析模型中，所采用主要材料為鋼和鋁合金，其中，機柜骨架、前后門板、蓋板為線性鋁材料，插箱、導軌、減震器及固定件、假面板、接插件等為線性鋼材料，其材料性能如表4。

表4 各部件材料力學性能

在進行有限元仿真計算時，為了減少計算量，提高計算效率，需要對結構模型進行簡化，在本案例的仿真計算中，對機柜模型做以下簡化：

1）將螺栓連接視為焊接；

2）簡化結構模型，刪除與分析結果無關或者對結果影響較小的微小特征；

3）將各插箱簡化為等質量及等轉動慣量的實體。

經過模型處理和網格劃分，得到機柜的有限元網格模型，如圖4所示。

圖4 機柜網格模型

4.2 計算結果分析

利用仿真軟件Ansys Workbench平臺下的“Transient Structural”模塊，將表2中的數據作為輸入載荷，根據機柜的實際使用情況，設置相應的約束條件，得到機柜在受到垂向、橫向、縱向沖擊載荷作用下的沖擊仿真結果如圖5所示。

圖5 沖擊仿真結果

由圖5可知，機柜在給定沖擊輸入載荷作用下，垂向沖擊最大應力為144MPa，橫向沖擊最大應力為126.3MPa，縱向沖擊最大應力為90.195MPa。由于三向沖擊載荷響應結果均未超過其材料的屈服應力，因此，從動力學分析可知，機柜在沖擊載荷作用下滿足設計要求。

5 結語

通過采用基于正負三角波的時域分析方法，利用有限元分析軟件Ansys Workbench平臺下的“Transient Structural”瞬態動力學分析模塊，對某艦載機柜進行了在加速度載荷作用下的垂向、橫向、縱向的抗沖擊性能仿真計算。由計算結果可知，機柜在給定沖擊輸入載荷作用下，三向沖擊仿真結果的最大應力均未超過其材料的屈服應力。因此，從動力學分析可知，機柜在沖擊載荷作用下滿足設計要求。