基于ANSYS WORKBENCH的艦載干涉儀設備結構分析

濮贊泉，紀彥星，陶 俏，劉 恒

(1.中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153;2.91404部隊，河北 秦皇島 066000)

0 引 言

艦載雷達設備作為軍艦的核心組成部分，如何在滿足性能的要求下做到重量輕、體積小、剛度高一直是近年來的研究熱點。艦船在水面航行時受海面風浪影響會發生縱搖、橫搖、垂蕩，由此帶來的振動和沖擊會對艦載雷達設備產生很大的影響[1]。此外，風載荷是必須考慮的一種主要載荷，特別是在強度計算時，風載荷常常起著決定性的作用，不但影響雷達設備結構強度，還會引起結構變形，嚴重影響天線的精度，造成偏焦和指向誤差[2]，所以有必要對雷達設備在多種載荷和振動、沖擊作用下的受力變形和應力情況進行研究，以檢驗其結構的可靠性。

本文以一型艦載干涉儀設備為例，運用有限元法對其骨架結構進行力學分析，計算結果表明該干涉儀設備骨架的整體結構性能滿足剛強度設計要求，為后續設計和優化提供了依據。

1 有限元模型建立

1.1 模型簡化

該艦載干涉儀設備是一個由眾多元器件和零部件組成的復雜系統，且各零部件之間的連接關系較為復雜，因此必須在滿足計算精度的范圍內對模型進行簡化處理。模型的簡化直接影響計算速度和計算準確度，根據建立系統有限元模型的一般原則，忽略其天線座結構中對系統剛、強度影響較小的零部件的作用，在AnsysWorkbench軟件中將各元器件去除，忽略過渡圓弧、微小的凸臺和孔、淺槽等結構特征，主要對由機柜和天線支架構成的干涉儀設備骨架結構進行剛強度分析計算。簡化后的模型如圖1所示。

圖1 骨架簡化模型

1.2 材料選擇

設計采用鑄鋁ZL101A-S-T5作為骨架結構主體材料，其材料主要性能參數見表1。

表1 鑄鋁ZL101A-S-T5主要性能參數

1.3 網格劃分

將簡化后的干涉儀骨架模型導入AnsysWorkbench，賦予材料，進行網格劃分。網格劃分的優劣直接影響計算結果的準確性，網格越小，計算結果越精確，但計算速度變慢，同時還會出現畸變現象，導致結果失真。本文采用尺寸控制方法通過ElementSizing 選項設置單元尺寸，得到125 880個四面體單元，如圖2所示。

圖2 骨架網格劃分

2 結構力學特征分析

2.1 靜力學分析

作用于干涉儀設備上的風載荷可以用下式計算[3]：

F=CFqA

(1)

式中，q為動壓，其大小與空氣密度有關，在標準大氣壓下，當溫度為15 ℃時，ρ=0.125 kg·s2/m4，故沿海地區一般取q=1/17v2；CF為風力系數，與結構形狀及雷諾數有關，參考同類型設備取1.41[4]；A為天線的特征面積，m2；v為風速，m/s。

根據艦船設備風速環境要求，露天設備應能承受60 m/s的相對風速而不損壞，經計算得到60 m/s平穩風速對應的等效靜載荷為659 N。對自重、60 m/s風載荷共同作用下的干涉儀骨架進行剛強度分析，得到的應力分布云圖和變形云圖如圖3所示。

圖3 風載荷作用下骨架變形和應力分布

數值模擬結果表明：在風載荷作用下，骨架的應力最大值位于機柜上端內部加強筋處，最大應力為17.1 MPa；最大形變0.51 mm發生在骨架左上角邊緣處。

2.2 模態分析

設備在運輸、安裝以及穩定運行階段均受到振動作用，有可能產生共振現象。為避免因共振造成系統設備損傷和破壞，須對設備系統進行模態分析，以確定設備系統的固有頻率和振型，固有頻率和振型是承受動態荷載結構設計中的重要參數，結構在動力荷載作用下各截面的最大內力和位移都與結構自由振動時的頻率和振動形式密切相關[5]，是進行各項動力分析的前提和基礎。

通過數值模擬得到的干涉儀設備骨架前6階振型如圖4所示，前6階的固有頻率如表2 所示。

圖4 模態變形圖

表2 干涉儀骨架固有頻率

2.3 振動分析

艦船上存在周期振動和隨機振動：周期振動由螺旋槳葉片的擾動和螺旋槳軸系的不平衡力等引起；隨機振動由艦船航速、航向、各種操作和海情等變化引起。艦載干涉儀設備安裝于艦船的主體區，按相關標準[6]在數值模擬中施加1 g垂直加速度載荷，得到干涉儀骨架結構應力變形情況如圖5所示。

圖5 振動載荷作用下骨架變形和應力分布

數值模擬結果表明，在1 g垂直加速度載荷作用下，干涉儀骨架應力最大值位于干涉儀機柜上部兩側加強筋處，為13.2 MPa；最大形變發生在干涉儀機柜上部開口邊緣處，為0.63 mm。

2.4 沖擊分析

在受到水下非接觸爆炸的時域沖擊載荷時，艦船設備由于慣性力會產生沖擊響應和變形，根據相關標準[7]，水面艦船機械電子設備在不使用抗沖擊隔離元件時采用的沖擊譜如表3所示。

表3 艦載干涉儀設備各向彈性設計沖擊譜

對于甲板安裝位置的設備，表中Aa、Va按下列公式計算：

(2)

(3)

再根據下列公式轉化為等效的如圖6所示的時域加速度曲線：

圖6 等效雙三角形時域曲線沖擊條件

A1=0.6A0

(4)

t2=1.5V0/A1

(5)

t4=6.3D0/1.6A1t2

(6)

A2=-A1t2/(t4-t2)

(7)

t1=0.4t2

(8)

t3=t2+0.6(t4-t2)

(9)

式中，A0、V0和D0分別為模型對應的沖擊譜中的等加速度譜、等速度譜和等位移譜。

數值模擬得到干涉儀骨架結構應力云圖如圖7所示。

圖7 沖擊載荷作用下骨架應力云圖

數值模擬結果表明：在沖擊載荷作用下，干涉儀骨架應力最大值位于上部加強筋和面板的連接處，為55.3 MPa。

3 結束語

本文利用三維建模軟件建立了典型艦船用干涉儀設備骨架模型，利用Ansys Workbench軟件對干涉儀骨架進行了結構力學特征分析。計算結果表明：在極限風速作用下，最大應力為18.2 MPa；在振動、沖擊載荷作用下，最大應力為55.3 MPa，主要集中分布在干涉儀骨架上部加強筋和面板的連接處。該艦載干涉儀選用牌號ZL101A-S-T5鑄鋁材料，抗拉強度σb=225 MPa，各種工況下干涉儀骨架所受應力均小于材料的抗拉強度，表明該結構形式的干涉儀骨架整體結構性能滿足剛強度設計要求。