艦船設(shè)備雙波沖擊試驗(yàn)仿真分析方法研究

夏雪寶，明志茂，余云加，趙可淪，張波，周洋

（廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司，廣州 510000）

引言

軍用艦船、艦艇在巡航演習(xí)及作戰(zhàn)過(guò)程中，會(huì)遭受水中魚(yú)雷、水雷等武器的爆炸攻擊。一般水中非接觸式的爆炸會(huì)透過(guò)船體造成艦船關(guān)鍵設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞或功能失效，這種沖擊破壞的主要機(jī)理為：沖擊造成設(shè)備結(jié)構(gòu)的位移超限，導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)的連接線纜、管路等造成相對(duì)位移破壞或干涉；沖擊導(dǎo)致艦船設(shè)備的沖擊速度或加速度過(guò)大，進(jìn)而引起的沖擊力過(guò)大，造成設(shè)備的損壞[1]。因此，艦船設(shè)備的抗沖擊性能決定了其在戰(zhàn)場(chǎng)生存力及戰(zhàn)斗力，需要對(duì)艦船設(shè)備進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)提高其抗沖擊能力[2]。

針對(duì)艦船設(shè)備的抗沖擊能力試驗(yàn)考核，世界各海軍強(qiáng)國(guó)均對(duì)艦船設(shè)備的考核方法進(jìn)行了深入的研究，形成了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[3,4]。主要形成了以美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)MILS-901D和德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BV 043/85為代表的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)規(guī)范，進(jìn)行艦船設(shè)備的抗沖擊性能的試驗(yàn)考核和驗(yàn)收。我國(guó)海軍建設(shè)也逐年增強(qiáng)，并參照國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定了相應(yīng)的艦船設(shè)備抗沖擊試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)：GJB 150.18-1986、GJB 1060.1-1991及HJB 554-2012等相應(yīng)考核標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了相應(yīng)的沖擊試驗(yàn)方法有輕量級(jí)沖擊、中量級(jí)沖擊、重量級(jí)沖擊（爆炸沖擊）、雙波沖擊等方法，其中輕量級(jí)沖擊、中量級(jí)沖擊及雙波沖擊是以沖擊試驗(yàn)機(jī)模擬的方式進(jìn)行試驗(yàn)，爆炸沖擊是以實(shí)物進(jìn)行水下爆炸的方式進(jìn)行試驗(yàn)。

由于爆炸沖擊試驗(yàn)存在成本昂貴、試驗(yàn)資源稀缺、試驗(yàn)次數(shù)有限等問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)普遍采用沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行艦船設(shè)備沖擊環(huán)境模擬。國(guó)內(nèi)目前的沖擊試驗(yàn)機(jī)有樣品小于2.7 t的擺錘沖擊臺(tái)或樣品小于5 t的雙波沖擊試驗(yàn)臺(tái)[5]。

某大型艦船設(shè)備機(jī)柜，需要進(jìn)行雙波沖擊試驗(yàn)考核，由于尺寸原因，雙波沖擊試驗(yàn)臺(tái)僅能進(jìn)行縱向和垂向的沖擊考核，而橫向由于尺寸過(guò)大導(dǎo)致臺(tái)面無(wú)法安裝及進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。本文針對(duì)此問(wèn)題，采用基于時(shí)間歷程的雙波沖擊試驗(yàn)仿真分析方法對(duì)該設(shè)備進(jìn)行沖擊考核校驗(yàn)并進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明基于時(shí)間歷程的雙波沖擊仿真與試驗(yàn)結(jié)果一致性高，精度滿足工程需求。因此，針對(duì)大型結(jié)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)考核的設(shè)備，可采用基于時(shí)間歷程的雙波沖擊試驗(yàn)仿真方法進(jìn)行雙波沖擊試驗(yàn)考核的替代方案。

1 雙波沖擊試驗(yàn)原理及條件

1.1 雙波沖擊試驗(yàn)原理

HJB 554-2012雙波沖擊試驗(yàn)方法是參考德國(guó)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范BV043/85進(jìn)行編制，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用雙波脈沖（正負(fù)加速度脈沖）來(lái)模擬水下爆炸沖擊的沖擊載荷響應(yīng)譜。目前國(guó)內(nèi)某海軍艦船研究中心，研發(fā)定制一套船用設(shè)備雙波沖擊試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)采用液壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可產(chǎn)生符合標(biāo)準(zhǔn)要求的正負(fù)加速度雙波脈沖，試驗(yàn)臺(tái)承重5 t，其工作原理如圖1所示[6]。

如圖1所示，雙波沖擊試驗(yàn)臺(tái)（該臺(tái)為水平?jīng)_擊臺(tái)，垂直沖擊類似原理）由速度發(fā)生器、沖擊錘、彈性波形器、沖擊臺(tái)、脈沖發(fā)生器、波形調(diào)節(jié)器、彈簧及基礎(chǔ)質(zhì)量等組成。沖擊試驗(yàn)時(shí)，控制系統(tǒng)通過(guò)速度發(fā)生器驅(qū)動(dòng)沖擊錘運(yùn)動(dòng)去沖擊彈性波形器，從而使沖擊臺(tái)臺(tái)面（含試驗(yàn)設(shè)備）產(chǎn)生水平正加速度脈沖（正半正弦波），同時(shí)通過(guò)液壓緩沖的波形調(diào)節(jié)器對(duì)其進(jìn)行緊急制動(dòng)后產(chǎn)生負(fù)加速度脈沖（負(fù)半正弦波）。通過(guò)調(diào)整沖擊錘的沖擊速度及彈性波形器的剛度控制正加速度脈沖的峰值及脈寬，而脈沖發(fā)生器和波形調(diào)節(jié)器則決定負(fù)加速度脈沖的峰值及脈寬。

圖1 雙波沖擊臺(tái)工作原理圖

1.2 艦船設(shè)備雙波沖擊試驗(yàn)條件

某大型艦船設(shè)備尺寸約為3 800×1 800×2 000 mm，重約5 t（含夾具）。需要進(jìn)行雙波沖擊響應(yīng)譜要求如表1所示。

雙波沖擊試驗(yàn)臺(tái)可以輸出標(biāo)準(zhǔn)要求如圖2所示的正負(fù)加速度脈沖波形，該時(shí)間歷程載荷波形可與表1中沖擊響應(yīng)譜進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式如公式1所示。

表1 雙波沖擊響應(yīng)譜

圖2 時(shí)間歷程的雙波沖擊載荷曲線

式中：

因此，表1雙波沖擊響應(yīng)譜按公式轉(zhuǎn)換為時(shí)間歷程載荷，作為后續(xù)仿真載荷輸入。

2 雙波沖擊試驗(yàn)仿真方法技術(shù)路線

圖2中的某艦船設(shè)備樣機(jī)由于橫向尺寸過(guò)大，導(dǎo)致雙波沖擊臺(tái)無(wú)法安裝而進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，僅能進(jìn)行垂向和縱向的沖擊試驗(yàn)考核。針對(duì)沖擊試驗(yàn)?zāi)芰o(wú)法滿足要求的問(wèn)題，采用基于時(shí)間歷程的艦船設(shè)備雙波沖擊試驗(yàn)仿真分析方法進(jìn)行考核，具體的技術(shù)路線如下圖3所示。

圖3 基于時(shí)間歷程雙波沖擊試驗(yàn)仿真方法

1）構(gòu)建樣機(jī)三維實(shí)體模型，對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化，并建立其有限元模型；

2）進(jìn)行垂向和縱向兩個(gè)方向沖擊仿真分析，獲取關(guān)鍵位置加速度及應(yīng)力響應(yīng)；

3）進(jìn)行垂向和縱向兩個(gè)方向雙波沖擊試驗(yàn)，測(cè)試關(guān)鍵位置加速度及應(yīng)力響應(yīng)；

4）沖擊測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比，若結(jié)果誤差在10 %以內(nèi)，則進(jìn)行下一步，若不一致，則修改樣機(jī)有限元模型并回到第2步；

5）對(duì)已經(jīng)驗(yàn)證過(guò)的樣機(jī)有限元模型，輸入沖擊載荷譜邊界條件，進(jìn)行橫向沖擊仿真分析；

6）將沖擊仿真結(jié)果與樣機(jī)材料的強(qiáng)度極限進(jìn)行對(duì)比，符合要求則結(jié)束仿真，若不符合要求則需對(duì)樣機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)整改，并回到第1步。

3 艦船設(shè)備雙波沖擊試驗(yàn)仿真

3.1 有限元建模及簡(jiǎn)化

為保證仿真計(jì)算的精度及效率，對(duì)艦船設(shè)備樣機(jī)三維實(shí)體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，簡(jiǎn)化的原則如下：不考慮構(gòu)件安裝的初始應(yīng)力，不考慮加工誤差，對(duì)樣品的小孔、倒角、圓角進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，簡(jiǎn)化對(duì)強(qiáng)度影響較小的零部件等。將簡(jiǎn)化后模型導(dǎo)入Ansys Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中規(guī)則的結(jié)構(gòu)采用六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分方法，而不規(guī)則的結(jié)構(gòu)采用四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分好網(wǎng)格的有限元模型如圖4所示，該有限元模型單元網(wǎng)格數(shù)263 936個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)591 399個(gè)。

圖4 某艦船設(shè)備有限元模型

3.2 邊界條件及載荷施加

在沖擊試驗(yàn)過(guò)程中，樣機(jī)底部8個(gè)減振器和背部6個(gè)減振器進(jìn)行固定。仿真分析時(shí)對(duì)變頻器底面和側(cè)面與夾具接觸部分施加固定約束。

垂向和縱向仿真計(jì)算時(shí)對(duì)樣機(jī)整體施加雙波沖擊時(shí)間歷程加速度載荷，進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算，垂向和縱向計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖5~8所示。

4 雙波沖擊試驗(yàn)及仿真結(jié)果

4.1 雙波沖擊試驗(yàn)振動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

在進(jìn)行雙波沖擊試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)樣機(jī)的振動(dòng)及應(yīng)變響應(yīng)對(duì)基于時(shí)間歷程雙波沖擊試驗(yàn)仿真方法進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)點(diǎn)布置：樣機(jī)底部前端中心橫梁處布置加速度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)方向?yàn)闆_擊方向；樣機(jī)底部前端面右下角布置單軸應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)方向?yàn)榇瓜颉４瓜蚝涂v向雙波沖擊試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖5~8所示，將垂向及縱向的仿真與試驗(yàn)結(jié)果峰值對(duì)比如表2所示。

圖5 垂向沖擊時(shí)加速度對(duì)比曲線

圖6 垂向沖擊時(shí)應(yīng)力對(duì)比曲線

圖7 縱向沖擊時(shí)加速度對(duì)比曲線

圖8 縱向沖擊時(shí)應(yīng)力對(duì)比曲線

表2 仿真與試驗(yàn)結(jié)果峰值對(duì)比

4.2 垂向和縱向雙波沖擊試驗(yàn)與仿真對(duì)比

通過(guò)垂向和縱向的雙波沖擊仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，加速度、應(yīng)力仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果曲線趨勢(shì)規(guī)律一致，幅值誤差最大僅為9.51 %，誤差精度符合工程要求。說(shuō)明該樣機(jī)有限元模型精度高、加載的邊試驗(yàn)情況，因此可進(jìn)行下一步橫向的雙波沖擊試驗(yàn)仿真，校核該樣機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

4.3 橫向雙波沖擊試驗(yàn)仿真及強(qiáng)度校核

采用ANSYS對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行橫向的雙波沖擊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，分析整體系統(tǒng)應(yīng)力集中區(qū)域，仿真計(jì)算橫向沖擊工況下整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度情況，最大綜合應(yīng)力分布云圖如圖9所示，隱藏機(jī)柜結(jié)構(gòu)面板及內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)，僅顯示應(yīng)力最大所在的機(jī)柜框架結(jié)構(gòu)。

圖9 最大綜合應(yīng)力分布云圖

通過(guò)機(jī)柜結(jié)構(gòu)雙波沖擊分析可以得出在橫向沖擊狀態(tài)下，整體結(jié)構(gòu)僅發(fā)生輕微變形，圖中顯示應(yīng)力分布均勻，證明機(jī)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，框架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為154.46 MPa，小于結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度極限345 MPa，因此該樣機(jī)滿足雙波沖擊試驗(yàn)強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

本文針對(duì)某艦船設(shè)備由于尺寸過(guò)大，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行完整雙波沖擊試驗(yàn)考核的問(wèn)題，采用一種基于時(shí)間歷程的雙波沖擊試驗(yàn)仿真分析方法對(duì)該設(shè)備進(jìn)行沖擊仿真并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明基于時(shí)間歷程的雙波仿真與試驗(yàn)結(jié)果一致性高，精度滿足工程需求。因此，針對(duì)大型結(jié)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行雙波沖擊試驗(yàn)考核的艦船設(shè)備，可采用基于時(shí)間歷程的雙波沖擊試驗(yàn)仿真方法進(jìn)行試驗(yàn)考核的替代方案。