基于ANSYS的某船艙口蓋抗沖擊分析研究

王海江，陳艷鋒，覃勇，玉譽斌

（中船華南船舶機械有限公司，廣西 梧州 543004）

0 引言

現代艦船在海戰中必然會面臨非接觸爆炸引起的沖擊破壞問題。在非接觸爆炸沖擊環境下，即使艦艇結構處于安全半徑之內，艦載主要機電設備和武器電子設備也可能由于承受過大的沖擊加速度或位移而遭到破壞，從而喪失戰斗力。艙口蓋作為艦船的重要設備，是物資轉運通道，艙口蓋閉合時，通過周邊鎖銷鎖緊。當艙口蓋在非接觸爆炸沖擊載荷作用下，破壞失效時，將影響甲板完整性，最終影響艦船完成使命任務。按照GJB1060.1“艦船環境條件要求 機械環境”規定，船艙口蓋抗沖擊等級為A級，安裝位置屬于Ⅰ類區域，屬于船體部位安裝設備，即為甲類設備，應按GJB150.18中試驗1“0艦船設備的沖擊試驗”的規定進行抗沖擊試驗，以檢驗其在沖擊載荷下的可靠性。

鑒于某船艙口蓋過大、過重，不具備沖擊試驗條件，而現代艦船設計時，都應該進行抗沖擊試驗的要求，對于不能進行抗沖擊試驗的設備，應進行有限元動態設計DDAM，以檢驗設備的抗沖擊能力。為此，本文采用Ansys的DDAM動力設計分析法，對本船艙口蓋進行抗沖擊分析，得到譜分析應力云圖，校核艙口蓋設計強度，確保艙口蓋在非接觸爆炸沖擊環境下還能安全使用，同時通過本文分析研究對艙口蓋抗沖擊設計提出優化設計建議。

1 抗沖擊計算方法

目前在抗沖擊領域可用于結構設備的抗沖擊計算方法主要有：沖擊設計系數法（靜g法）、譜分析法（BV043/85中規定譜、DDAM）和時間歷程法。

沖擊設計系數法是將瞬態沖擊等效為數倍重力的靜力學分析問題，只考慮受沖擊結構質量分布對沖擊的影響，計算誤差較大。

譜分析法是將設計沖擊譜作為系統的沖擊輸入，并對系統數學模型進行模態分析，對模態分析結果進行合成，從而求得系統的沖擊響應，用于結構抗沖擊計算，計算誤差較小。

時間歷程法是規定系統承受某一沖擊的時間信號，將其作為沖擊輸入，以計算系統的沖擊響應，獲得模型每一時刻每一節點的應力和應變，一般用于電子類產品環境沖擊試驗。

本研究采用的是譜分析法中的DDAM（Dynamic Design Analysis Method，動態設計分析法）是美國海軍廣泛使用的基于沖擊譜的應用分析方法，是基于結構振動模態疊加的設計方法，分析時將模型簡化成彈簧-質量單自由度或多自由度系統，在計算出模態振型和模態質量后，根據沖擊譜的輸入，得出模態位移和應力，用于判斷結構抗沖擊性能。

基于艙口蓋是連續體結構，分析時將其簡化成彈簧-質量單自由度系統，按照DDAM譜分析方法，將沖擊譜的速度譜和加速度譜輸入，可以得到各階模態的響應，然后將各階模態響應進行合成，得到總響應，計算出艙口蓋在沖擊譜作用下的應力，再與材料的屈服強度進行對比，用以判斷艙口蓋抗沖擊性能。

2 抗沖擊分析

2.1 艙口蓋三維模型

模型如圖1所示，艙口蓋由面板和縱橫筋板焊接而成，一側布置兩個銷軸鉸接點，用于艙口蓋打開和閉合，其余三側布置鎖銷孔，用于艙口蓋鎖緊固定。艙口蓋外形尺寸見表1。

圖1 艙口蓋三維模型

表1 艙口蓋尺寸

用艙口蓋三維模型進行ANSYS的DDAM譜分析時，分別從X、Y、Z三個方向對結構施加沖擊載荷（X為橫向，Y為縱向，Z為垂向），得出結構應力分析云圖，找出應力集中點，進行結構強度校核。

艙口蓋材料為DH460，材料性能見表2。

表2 艙口蓋材料參數

2.2 模態分析

艙口蓋在進行抗沖擊分析之前，首先需要進行模態分析，提取艙口蓋固有頻率，經分析得艙口蓋前6階模態頻率，如表3所示。1～6階模態振型如圖2所示。從模態振型圖來看，艙口蓋主要變形發生在中部，其表現形式為結構上下振動、扭曲。

圖2 艙口蓋1～6階模態振型

表3 艙口蓋前6階模態頻率

2.3 設計沖擊譜

2.3.1 系統模型簡化

抗沖擊分析時，將艙口蓋視為剛性質塊，基座為一無質量彈簧，將艙口蓋簡化成彈簧-質量單自由度系統。系統模型簡化如圖3所示。

圖3 系統模型簡化圖

2.3.2 沖擊譜

對于單自由度系統，沖擊譜是指一有阻尼（或無阻尼）的單自由度振子（質量為m，剛度為k）受到一定沖擊載荷作用下，質量的相對位移（或速度、加速度）的最大幅值隨頻率變化的關系。

圖3所表示的單自由度系統，運動微分方程式為：

式中：m為系統質量；ωn為系統的固有頻率，ωn=為阻尼系數沖擊譜的參數可以是上述公式中的位移δ（t）、速度（t）和（t）加速度任意一種。

美國海軍在運動微分方程的基礎上，進行大量沖擊試驗，總結出了DDAM分析的設計輸入經驗公式。

以水面艦船為例，對于安裝在船體上的裝備，加速度設計譜方程如下：

對于安裝在甲板上的裝備，加速度設計譜方程如下：

上述兩種工況的沖擊速度設計譜方程如下：

其中：c4、c5、c7為系數，c1、c2、c3、c6為常數，W為模態質量。

近年來我國不斷開展抗沖擊設計研究工作，先后在1986年和1991年制定了爆炸抗沖擊設計軍標，不斷明確抗沖擊設計的通用要求和抗沖擊分析用的經驗公式系數。在我國國家軍隊標準GJB1060.1-91“艦船環境條件要求-機械環境”提供了動力學分析用的沖擊輸入值，規定了DDAM譜分析輸入公式中的系數和常數。

經分析艙口蓋安裝在船體甲板，為船體的一部分，屬于船體上的設備，抗沖擊等級為A類，根據GJB1060.1-91“艦船環境條件要求-機械環境”抗沖擊設計的一般規定，船體安裝部位彈性設計用的設計值，如表4所示。

表4 水面艦船船體安裝部位彈性設計參數

表中：A0為加速度譜，m/s2；V0為速度譜，m/s。

按照GJB1060.1-91“艦船環境條件要求-機械環境”，A0、V0的計算公式如下：

式中：ma為模態質量，t。

2.4 DDAM計算分析

利用上述艙口蓋模態分析提取的1～6階模態頻率，按上述公式計算的速度譜和加速度譜如表5所示，導入Ansys有限元分析Response Spectrum模塊，分別從X，Y，Z三個方向對艙口蓋進行譜分析，得到艙口蓋三個方向的譜分析應力云圖，如圖3所示。

表5 速度譜和加速度譜

圖3 艙口蓋譜分析應力云圖

從艙口蓋譜分析應力云圖可以看出，施加在X、Y、Z三個方向的沖擊載荷，都產生了相應的應力集中區域，查看有限元分析結果得出3個方向的最大應力如表6所示。經分析，艙口蓋最大應力出現在Z向，截面突變處，應力為451.06 MPa，小于材料的最大屈服極限，說明艙口蓋在遭受A類非接觸爆炸沖擊時，不會發生永久性屈服失效，滿足A類抗沖擊要求。

表6 艙口蓋譜分析最大應力值

3 結語

采用Ansys的DDAM譜分析方法，對艙口蓋進行了非接觸爆炸類的抗沖擊有限元分析，為艙口蓋抗沖擊設計校核提供一種分析思路。從最終艙口蓋譜分析應力云圖看，應力集中區域多出現在尖缺口或截面突變位置，雖然本艙口蓋經有限元分析在施加A類沖擊譜時，應力小于材料的最大屈服極限，但是在后續進行艙口蓋結構設計時，還是應盡量避免出現尖缺口和截面突變，在盡可能降低設備重量的前提下，采用圓弧過渡；同時盡量減少與強度無關的結構質量。本次艙口蓋抗沖擊有限元分析結果，為后續艙口蓋進行抗沖擊優化設計提供了參考依據。