船用拖曳絞車抗沖擊時域分析

袁 倩，李瓊玥，麻 昔

（中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

21世紀是海洋的世紀，隨著海洋環境探索需求和軍事活動的增加，水下拖曳系統作為海洋探測的一部分，對其具有重大的意義。借助水下拖曳系統，可以進行海洋學要素的測量，以及海底考察與攝影。而隨著作業深度的增加，有必要借助拖曳絞車對水下探測設備進行自動收放[1-2]。

拖曳絞車一般安裝于船尾甲板上，可能處于水下爆炸造成的沖擊環境之中，一旦絞車由于沖擊作用而發生錯位或者破壞，將直接影響到水下拖曳系統的正常收放。因此，根據標準GJB 1060要求，將拖曳絞車的抗沖擊等級定為 A級，有必要對拖曳絞車進行沖擊數值仿真計算，這對于提高絞車的抗沖擊能力具有很重要的現實意義[3]。本文采用有限元軟件ABAQUS對絞車進行抗沖擊仿真計算，分析其具體結構的應力分布以及不同部件的加速度響應，對拖曳絞車的設計可提供重要的參考[4-6]。

目前，主要的船用設備抗沖擊仿真計算方法分為時域分析方法和動力設計分析方法（DDAM）[7-9]。動力設計分析方法是以模態分析理論為基礎，其輸入載荷是沖擊譜，能分析設備的高階破壞模式，計算時間短，但正是基于模態分析理論，因此只能分析線彈性安裝的設備，且只能在線彈性范圍計算設備的破壞特性，不能得到設備的瞬態響應；而時域分析方法雖然計算時間較長，但能對設備在時域上進行瞬態分析[10-14]。

由于拖曳絞車中各結構間存在較多接觸關系，屬于非線性范疇，因此采用時域分析方法進行計算能得到更為準確的計算結果[15]。

1 拖曳絞車計算模型

采用專業有限元前處理軟件 ANSA進行網格劃分和裝配連接。模型中的小特征（小孔、倒角和圓角）及不重要的零部件進行了簡化及移除。

結合絞車結構特點，卷筒蒙皮厚度相對其整體尺寸較小，將其處理為 shell單元；卷筒兩端軸套與軸承座之間通過軸承相連，該區域結構相對復雜，且存在較多接觸對，因此對該部分進行實體建模；而絞車支架厚度為 5 mm，將其處理為 shell單元；整體有限元模型如圖 1所示。

圖1 絞車有限元網格模型Fig.1 Finite element mesh model of winch

絞車裝置由多個零件組成，各零件之間存在接觸關系，根據各零件之間的關系，將之分2類進行處理。一類進行綁定約束（tie），如導向桿、絲杠與排纜器之間，軸承座、液壓閥組、控制柜與支架之間，這些結構沒有相對運動，因此采用綁定約束（tie），且tie可以將2個網格劃分截然不同的區域連接。另一類是面面接觸（contact），由于軸和其接觸零件之間存在相互運動，將軸承與軸、軸與軸承座、軸承與軸承座之間定義接觸，相互之間設置摩擦系數，摩擦系數設為0.15。由于模型進行了簡化處理，其三維模型質量與實際質量還存在差異，因此需要對質量進行調整，將三維模型質量控制在0.05%以內。

根據絞車結構特點和安裝位置，在其支架底部加厚部位進行固定約束，約束該區域節點的6個自由度。

2 絞車的沖擊載荷

目前，絞車時域沖擊仿真分析的沖擊載荷有2種輸入形式：1）使用實際測得的時間歷程曲線；2）根據標準和規范計算的時間歷程曲線。考慮到艦船受到的沖擊環境相當復雜，實測曲線只是某一次沖擊數據，而不具有典型性，因此本文采用相關標準規范中雙三角曲線的方法確定沖擊環境，對絞車進行沖擊加載和分析。雙三角曲線的前提是得到標準沖擊譜，即最大位移譜值為D0，速度譜值為V0，最大加速度譜值為 A0。然后，根據下列關系式進行轉換，得到1個正負2個脈沖、二者面積相等的曲線[16-17]。

但對于設計初級階段的設備而言，其沖擊環境一般并不能完全明確，因此，在沒有具體的沖擊譜規定時，上式中的A0和V0一般采用國軍標GJB 1060.1—91中相關公式進行計算。本文絞車設備抗沖擊等級為A級，根據GJB 1060.1—91中水面艦艇用的設計值給定沖擊方向上的沖擊設計加速度。根據上述要求，不同方向沖擊時，其設計值如下表 1所示，其中加速度計算公式按下式計算，最終得到加速度時間曲線如圖 2。

表1 甲板部位沖擊輸入表Table 1 Deck impact load table

圖2 沖擊載荷時間歷程曲線Fig.2 Time history curve of impact load

3 絞車沖擊仿真計算及結果分析

根據GJB 1060中對A級設備的失效規定，設備的 Von Mises應力應不超過設備材料的屈服應力，否則認為該設備在沖擊載荷下失效。拖曳絞車為A級設備，設材料屈服強度為σs。

3.1 拖曳絞車沖擊計算

3.1.1 拖曳絞車在垂向沖擊作用下的仿真結果

垂向沖擊作用下，提取絞車某一典型時刻的應力分布云圖如圖3所示。由圖可知，絞車整體受力較小，只有局部區域應力較大。應力最大區域主要集中在軸承座安裝位置正下方的支架上、卷筒兩端軸承座上加筋位置、卷筒軸套與卷筒端板連接位置等。

圖3 垂向沖擊下絞車Von Mises應力云圖Fig.3 Von Mises stress nephogram of winch under vertical impact

由于控制柜，液壓閥組、防松馬達等裝置結構較為復雜，模擬難度較大，本文采用的是簡化模型，僅考慮了其外部形狀和重量，因此已不能通過分析這些裝置上的應力分布來判斷其抗沖擊能力，故后續應力分析中將不考慮其受力情況，而通過分析其加速度響應來分析其抗沖擊能力。

拖曳絞車控制柜、液壓閥組及防松馬達加速度時間曲線如圖 4所示。從圖中可以看出，控制柜和液壓閥組的加速度響應曲線有明顯的峰值，且二者的峰值相差不大，衰減趨勢也相同，只是衰減周期不同。這與2個子設備的安裝位置有關，二者都安裝在絞車支架同一區域，只是二者重量不同，故而周期不同。防松馬達重量較輕，且安裝于導纜杠上，導纜杠為細長結構，剛度較弱，因此其衰減較慢。

圖4 垂向沖擊下絞車配置子設備加速度響應曲線Fig.4 Acceleration response curve of winch submodel under vertical impact

3.1.2 拖曳絞車在橫向沖擊作用下的仿真結果

圖5-6為橫向沖擊作用下絞車應力云圖和加速度時間歷程曲線。

圖5 橫向沖擊下絞車整體結構應力云圖Fig.5 Von Mises stress nephogram of winch under transverse impact

圖6 橫向沖擊下絞車配置子設備加速度響應曲線Fig.6 Acceleration response curve of winch submodel under transverse impact

3.1.3 拖曳絞車在縱向沖擊作用下的仿真結果

圖7為絞車某一時刻整體結構應力云圖，絞車控制柜、液壓閥組和防松馬達加速度響應曲線如圖8所示。

圖7 縱向沖擊作用下絞車整體結構應力云圖Fig.7 Von Mises stress nephogram of winch under longitudinal impact

圖8 縱向沖擊下絞車配置子設備加速度響應曲線Fig.8 Acceleration response curve of winch submodel under longitudinal impact

3.2 數值仿真計算結果分析

3.2.1 應力對比

根據絞車材料屈服極限σs，對比圖3、圖5、圖7，得到表2：3種沖擊方向下絞車各結構最大Von Mises應力統計情況。從表中數據可以看出，3個方向沖擊作用下，拖曳絞車所受應力均小于其材料屈服極限，能夠滿足結構的抗沖擊要求。3種沖擊作用下，最大應力出現位置也不同。垂向沖擊作用下，絞車支架結構所受應力最大，支架結構有較多直角過渡位置，這些位置容易出現應力集中，尤其是軸承座安裝位置正下方，該處位置底部是絞車甲板安裝座，上方承受卷筒的重量，在垂向沖擊下，本身所處沖擊環境就比較嚴峻，因而該處位置的結構應盡量處理為圓滑過渡，避免局部應力集中。橫向沖擊下，卷筒與軸承、軸承安裝座接觸處應力最大，結合絞車結構特征，橫向沖擊方向與絞車卷筒軸向為同一方向，軸承軸套與軸承座在沖擊方向往復振動，造成連接位置應力較大。縱向沖擊下，最大應力出現在排纜絲杠與排纜器連接位置。

表2 三向沖擊下絞車各結構最大Von Mises應力統計表Table 2 Statistics of maximum Von Mises stress of each structure under three-dimensional impact load

3.2.2 加速度響應對比

對比圖4、圖6、圖8，對于3個方向的加速度響應曲線，垂向沖擊下，控制柜與液壓閥組有明顯峰值，且兩者峰值接近，峰值出現時間相近，均稍滯后于載荷峰值時間，且峰值大小要比載荷值大很多。防松馬達的加速度響應曲線沒有明顯峰值，但整體響應比控制柜與液壓閥組大，且周期最長，這說明加速度響應周期和子設備安裝位置有關。

橫向和縱向沖擊作用下，3個子設備的加速度響應曲線均沒有在載荷峰值時間附近出現明顯峰值，而是都出現了振蕩現象。3個設備振蕩規律不同，控制柜與液壓閥組經過短時間的高頻大幅度振蕩后，會有逐漸衰減趨勢，但防松馬達的加速度響應曲線則沒有明顯衰減趨勢，不易進入穩定狀態。

對比同一子設備在3種沖擊作用下的加速度響應曲線，可以發現，對于液壓閥組，垂向沖擊為主要響應方向，橫向和縱向響應相對垂向響應值，可以忽略；而控制柜和液壓閥組，其橫向沖擊響應峰值約為垂向峰值的一半，縱向響應峰值較小。

表3 絞車配置設備加速度響應峰值對比Table 3 Comparison of peak acceleration response of winch submodel

4 結束語

本文對拖曳絞車的抗沖擊仿真計算進行了分析和研究。根據絞車結構特點和各構件連接方式，建立合適的仿真模型，針對絞車安裝方式和位置，選擇相應規范作為沖擊輸入載荷，計算拖曳絞車在垂向、縱向、橫向沖擊作用下的沖擊響應。仿真結果表明：

1）在垂向沖擊載荷作用下，拖曳絞車軸承座安裝位置正下方的支架上所受應力較大；橫向沖擊下，最大應力出現在卷筒與軸承、軸承安裝座接觸區域；縱向沖擊下，最大應力出現在排纜絲杠與排纜器連接位置。

2）3個方向沖擊下，拖曳絞車結構所受應力均小于材料屈服極限，滿足規范抗沖擊要求，但局部結構可以通過優化設計進一步提高抗沖擊能力。

3）拖曳絞車子設備安裝位置不同，加速度響應規律明顯不同，對于固定安裝于絞車支架上的控制柜和液壓閥組，其加速度響應曲線有明顯的衰減趨勢，而對于懸掛于絞車導纜杠上的防松馬達，其加速度響應周期長，峰值衰減不明顯；不同方向沖擊作用下，控制柜和液壓閥組只在垂向沖擊作用下有明顯峰值，防松馬達的3方向加速度響應沒有明顯峰值；同一子設備不同沖擊方向作用下，其加速度響應周期變化不大。