帶限位器的船用浮筏系統沖擊響應分析

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(江蘇科技大學 能源與動力學院，江蘇 鎮江 212003)

以往的海戰和爆炸沖擊試驗顯示：船用設備是艦艇抗沖擊能力的薄弱環節[1-2]。采用隔振抗沖措施是當前提高船用設備抗沖擊能力主要方式之一，如為船用發電機組安裝浮筏隔振裝置[3]。以某船用發電機組浮筏隔振系統為對象，依據BV043/85艦艇沖擊標準，采用MSC.Nastran對船用發電機組浮筏隔振系統進行沖擊響應分析，得到發電機組的加速度響應、隔振器的變形量、中間筏體的應力。分析不同筏體厚度、結構阻尼、上層限位器間隙對浮筏隔振系統沖擊響應的影響。

1 浮筏隔振抗沖系統建模

1.1 浮筏隔振抗沖系統組成

船用發電機組浮筏隔振抗沖裝置由2臺柴油機發電機組、上層隔振器、下層隔振器和中間筏體(低磁鋼)組成。依據船用發電機組的尺寸、質量和隔振要求，2臺發電機組分別由10只WHG-600型隔振器(自帶限位裝置)安裝在筏體上，筏體由14只SJD-1200型隔振器安裝在基座上。

1.2 有限元模型

采用MSC.Patran建立船用發電機組浮筏隔振抗沖系統有限元模型。在船用發電機組尺寸不變、質量與質心坐標不變的情況下，柴油發電機組由solid單元構建，并劃分為6面體網格。筏體由shell單元建立，并劃分為四邊形網格。隔振器分別由3個spring單元建模，可以輸入其在3個方向上的剛度與阻尼[4]。上層隔振器自帶的限位裝置可由gap單元模擬。

在筏體下方建立接地的0維質量單元(大質量)，并以該質量結點為獨立結點，14個下層隔振器下端節點為從屬結點，建立MPC剛性單元。其中大質量應該為系統質量的103～108倍，106倍效果最好[5]。船用發電機組浮筏隔振抗沖系統的有限元模型見圖1。

1.3 模態分析

浮筏隔振系統的模態分析可以確定隔振設計參數是否合理，筏體結構和隔振器型號是否需要作進一步調整[6]。而在沖擊響應分析中，模態分析也是必要的，模態頻率將用于阻尼的轉換。在筏體板材厚度為20 mm時，采用MSC.Nastran對系統進行模態分析，浮筏隔振抗沖系統1階固有頻率為4.79 Hz，其模態振型見圖2。

圖2 浮筏隔振抗沖系統第1階垂向模態振型

1.4 阻尼參數

在直接法瞬態響應分析中無法使用復系數，因而結構阻尼必須轉換為等效粘性阻尼。等效粘性阻尼系數與結構阻尼系數的關系見下[5]。

(1)

式中：b為等效的粘性阻尼系數；G為結構阻尼；ωn為固有圓頻率，應用MSC Natram計算時，ωn選擇第一階固有圓頻率；k為系統的剛度。

按上述模態分析得一階頻率為4.79 Hz，則固有圓頻率ωn(轉換系數)為30.08 rad/s，在瞬態響應求解參數中設置。

2 沖擊載荷

按照BV043/85艦艇沖擊標準，垂向設計沖擊譜為d0=43 mm，v0=7 m/s，a0=320g。根據公式(2)～(7)設計沖擊譜并轉換為如圖3所示的等效雙三角形加速度時間歷程曲線。

a2=0.6a0

(2)

(3)

t2=0.4t3

(4)

(5)

(6)

t4=t3+0.6(t5-t3)

(7)

沖擊響應計算采用大質量法，施加激勵力F為

F=Ma

(8)

式中：M為接地大質量，是浮筏隔振系統質量的106倍；a為如圖3所示的雙三角形加速度歷程。

由于垂向沖擊破壞最大，只進行船用發電機組浮筏隔振系統垂向沖擊響應分析，而橫向、縱向沖擊時計算方法相同，設計沖擊譜不同。

3 不同參數對抗沖擊性能的影響

3.1 筏體厚度對抗沖擊性能的影響分析

在不同的艦艇上，基于成本、戰術指標等因素，筏體需要采用不同厚度的材料，以達到不同的隔振效果。在系統阻尼比為0.1時，用直接法分別計算筏體厚度為10、20、30、40 mm時的浮筏系統沖擊響應。此時，需要分別對含有不同厚度筏體的系統進行模態分析，以獲取不同的一階模態圓頻率(轉換系數)。筏體不同厚度時系統沖擊響應見圖4。系統最大沖擊響應值見表1。其中質量比為筏體質量與發電機組的質量之比，amax為發電機組垂向加速度最大值(絕對值)，d1max為上層隔振器垂向最大變形，d2max為下層隔振器垂向最大變形，σmax為筏體最大局部應力。

表1 筏體板材不同厚度時系統最大沖擊響應

從圖4a)、4b)、4c)可以看出，在阻尼的作用下，浮筏系統的沖擊響應隨著時間逐漸衰減。從圖4d)可以看出，筏體(厚度20mm)最大局部應力在下層隔振器與筏體面板相連部位，而上層隔振器與筏體面板相連部位的局部應力相對較小。

由表1可知，隨著筏體厚度的增加，amax、d1max先減小后增大，而d2max逐漸增大，σmax逐漸減小。因此，單純增加筏體厚度，對系統的抗沖擊性能不一定有利，特別是從保護隔振器運行安全的角度出發。

對于該浮筏隔振抗沖系統，筏體質量限定在4 t(質量比為0.465)以下，上、下層隔振器極限變形能力分別為30和48 mm，垂向沖擊加速度限值為12.5g，筏體所用低磁性鋼屈服強度σ0.2≥494 MPa。筏體質量應達到發電機組質量的30%以上，以確保足夠的剛性和機械阻抗，必要時還需敷設阻尼材料[7]。因此，筏體厚度采用20 mm比較合理，既給敷設阻尼材料留下了一定的余量，也具有良好的抗沖擊性能。

圖4 浮筏系統的垂向沖擊響應(筏體厚度不同)

3.2 阻尼變化對抗沖擊性能的影響

在筏體厚度為20 mm時，用直接法計算系統的阻尼比分別為0.05、0.10、0.20和0.30時的浮筏系統沖擊響應，分析其對抗沖擊性能的影響。阻尼不同時浮筏系統沖擊響應曲線圖見圖5。系統最大沖擊響應值見表2。

圖5 浮筏系統的垂向沖擊響應(系統不同阻尼)

從圖5a)、b)、c)可以看出，隨著系統阻尼增大，響應峰值向左平移，沖擊響應的衰減幅度逐漸增大，并且響應曲線越來越平滑。

由表2可知，隨著系統阻尼比的增加，d1max、d2max、σmax逐漸減小，而amax先減小后增大(阻尼比0.2時最小)。阻尼增大，能夠降低隔振器變形量和筏體應力，但不一定能夠有效降低發電機組的最大加速度響應。另外從隔振角度來看實用的最佳阻尼比為0.05～0.20[8]，因此系統的阻尼比調整到0.1～0.2之間。通過提高隔振器阻尼、在筏體敷設阻尼材料，能夠使浮筏隔振抗沖系統有更加良好的抗沖性能，特別是隔振器的變形安全余量更大。

表2 系統不同阻尼時浮筏隔振抗沖系統最大沖擊響應

3.3 限位器間隙對抗沖擊性能的影響

筏體厚度20 mm，系統阻尼比為0.1時，沖擊作用下，上層隔振器最大變形為28.18 mm，接近許用限值(30 mm)。上層隔振器WHG-600自帶限位裝置，若要進一步限制上層隔振器的變形，可以啟用該限位裝置。該限位裝置剛度為5×106N/m，調整限位間隙分別為5、10、15、20 mm，進行非線性瞬態響應分析，沖擊響應最大值見表3。

系統在無限位時和上層限位間隙15 mm時的沖擊響應對比見圖6。

從圖6a)、6b)、6c)可以看出，增加上層限位裝置后，響應峰值向左偏移，雖然會使加速度響應增大，但可以同時限制上層和下層隔振器最大變形。從圖6d)可以看出，增加限位裝置后，上層隔振器與筏體表面連接區域的應力也比無限位器時有顯著增加。

表3 限位裝置不同間隙時浮筏隔振抗沖系統最大沖擊響應

由表3中數據可以看出，限位器間隙對沖擊響應有較大的影響。隨著間隙的增大，amax、d2max、σmax逐漸減小，d1max先減小后增大，說明增大上層限位器間隙可以防止機組受到較大的沖擊，并且降低下層隔振器的變形量，但間隙增大到一定程度后，就無法限制上層隔振器的變形量。由于垂向沖擊加速度限值為12.5g，筏體所用低磁性鋼屈服強度σ0.2≥494 MPa，因此將上層限位間隙設置在15-20 mm是比較合理的，能夠使隔振器的變形安全余量更大。

圖6 浮筏系統的垂向沖擊響應(無限位器時與上層限位間隙15 mm時對比)

4 結論

從計算結果可以看出，筏體厚度、系統阻尼比對浮筏系統沖擊響應影響較大，筏體厚度、系統阻尼比的變化對發電機組加速度響應、上下層隔振器變形量、筏體應力有著不同的影響規律，并不是越大越好，筏體厚度、系統阻尼比存在最優值，可以使發電機組最大加速度響應、隔振器最大變形量、筏體最大應力都在許用范圍內。

設置上層限位器可以同時限制上層和下層隔振器最大變形量，但發電機組的加速度響應和筏體應力會增大，因此需要選擇合理的間隙，確保各項最大沖擊響應在許用范圍內。但是對限位器分析不夠全面，該船用浮筏系統中上層限位器剛度的優化及下層限位器的應用還有待進一步分析。