基于DDAM的艦船蓄電池組抗沖擊仿真計算*

夏雪寶,明志茂,余云加,趙可淪

(廣電計量檢測集團股份有限公司,廣東 廣州 510000)

0 引 言

艦船裝備在設計過程中需進行抗沖擊設計或試驗驗證,以提高其抗沖擊性能進而保證裝備的戰場生命力。各海軍強國對艦船裝備的抗沖擊性能試驗方法進行了研究,形成了BV043/85(德國)、MIL-S-901D(美國)等試驗標準,我國也制定了相應的標準規范GJB1060.1-91[1-2],該標準規定A、B級設備應進行沖擊試驗考核。對于過大或過重而不具備沖擊試驗條件的設備,可采用動力學分析的方法進行抗沖擊合格鑒定[3-4]。

動力學設計法(DDAM,Dynamic Design Analysis Method)是美國海軍于1961年提出的一種基于沖擊反應譜的分析方法,其廣泛用于水面艦船和潛艇的抗沖擊設計?；谝陨螪DAM算法,有限元分析軟件ANSYS開發了相應的譜分析計算模塊,可進行艦船設備的抗沖擊仿真分析計算[5]。

某大型艦船蓄電池組由于尺寸及重量過大,無法依據GJB150.18-1985進行爆炸沖擊試驗考核。筆者通過構建蓄電池組有限元模型,采用ANSYS譜分析模塊,結合GJB1060.1-91的設計要求,對其進行了DDAM三個方向的沖擊仿真計算,校核其結構強度是否符合要求,找到蓄電池組結構薄弱點,為后續產品的優化改進提供支撐。

1 蓄電池組介紹

1.1 樣品說明

某蓄電池組由蓄電池槽、蓋、極柱、匯流排、吊架、密封件及艙段結構等組成,樣品尺寸約8 m×5 m×3m,質量約50 t。有限元分析前需對模型進行建模及簡化。建立有限元模型時,在保證有限元模型中的主要結構尺寸與產品尺寸精確一致,保證計算精度的前提下盡量采用盡可能簡單的模型,簡化后的蓄電池組三維實體模型如圖1所示。

圖1 蓄電池組模型(含艙段)

1.2 樣品材料力學參數

樣品使用的材料包括玻璃鋼、黃銅、鉛合金、木料、塑料及鋼結構船體等,所有材料的力學參數如表1所列。

表1 材料參數表

2 有限元模型建立

將簡化后模型進行網格劃分,針對不同的結構采用不同的網格劃分方法和尺寸。規則的結構采用六面體,不規則的結構采用四面體。為提高計算效率,在保證網格精度的前提下,對模型中較小尺寸結構部位使用更小的網格尺寸進行劃分,其它較大尺寸結構部位則使用較大的網格尺寸進行劃分。建立好的有限元模型如圖2所示,劃分后的有限元模型單元網格總數1 121 289個,節點總數2 690 581個。

圖2 蓄電池組整體及電池模塊有限元模型

劃分網格之后對各零部件相互的接觸進行設置,電池組各部件之間采用MPC綁定接觸,模擬兩個零件之間沒有相對位移。

3 模態分析

采用ANSYS對蓄電池組樣品進行模態分析,仿真計算其前10階自由模態,計算得到的固有頻率如表2所列,并輸出各階模態頻率下的振型云圖,由于篇幅有限,僅列出前2階模態振型,結果如圖3、4所示。

表2 固有頻率列表

圖3 第1階模態振型 圖4 第2階模態振型

第1階為整體模態,頻率為25.404 Hz,模態振型表現為艙段樣品扭轉模態;第2階頻率為36.05 Hz,模態振型表現為艙壁彎曲模態;其它各階模態為整體艙段的高階彎曲、扭轉模態及橫艙壁、縱艙壁等結構的多階彎扭復合振型或局部模態振型。

4 DDAM沖擊載荷

標準GJB1060.1-91中第5.7.2.2節規定了潛艇船體安裝部位彈塑性設計用的設計值,如表3所列。

表3 潛艇船體安裝部位彈塑性設計參數

表中的A0、V0按下列公式計算:

(1)

(2)

式中:ma為樣品的模態質量,t;A0為基準加速度,m/s2;V0為基準速度,m/s。依據GJB1060.1-91中第5.7.4.3節,樣品的模態質量取10%的總質量,可知ma=5 t。

由文獻[5]可知,采用ANSYS進行沖擊設計譜計算時,沖擊設計譜的表達式形式為:

(3)

(4)

式中:AF、VF為計算系數,與表3對應;AA、AB、AC和VA、VB、VC為計算常數,與式(1)、(2)對應;A為譜加速度,V為譜速度,與表3對應。ANSYS默認的DDAM算法為英制單位,因此采用國際單位制進行沖擊設計譜ANSYS計算時,需對輸入參數進行轉換[5]:

(5)

(6)

式中:c為英制單位重力加速度,為386 in/s2。根據式(3)～(6)及表3計算可得,采用ANSYS軟件中DDAM計算分析時輸入的計算常數和計算系數分別如表4、5所列。

表4 計算常數表

表5 計算系數表

5 沖擊仿真計算

5.1 約束邊界條件

在對電池組進行DDAM抗沖擊仿真計算時,模型處理是將電池組安裝艙段的艙壁、連接肋等結構進行截斷處理。由于截斷處艙壁、支撐肋等結構剛度高,在仿真計算時,對電池組所在艙段的艙壁、連接肋等截斷位置施加固定約束來模擬電池組艙段的約束邊界條件,如圖5所示。

圖5 約束邊界條件

5.2 沖擊仿真計算結果

分別對蓄電池組樣品進行三個方向(X、Y、Z向)譜分析,在ANSYS的DDAM模塊中輸入上節對應計算參數,通過DDAM譜分析分別得到蓄電池組樣品在X、Y、Z方向下的應力分布云圖,各部件最大應力匯總如表6所列,部分應力云圖分別如圖6～11所示。

表6 沖擊仿真結果匯總

圖6 X方向沖擊下蓄電池槽、蓋應力云圖 圖7 X方向沖擊下匯流排應力云圖

圖8 Y方向沖擊下極柱應力云圖 圖9 Y方向沖擊下吊架應力云圖

圖10 Z方向沖擊下密封件應力云圖 圖11 Z方向沖擊下艙體結構應力云圖

由以上計算結果可知:三個沖擊方向的樣品最大等效應力分別為126.63MPa、194.31MPa、93.947MPa,均位于艙體部位并且小于對應材料的強度極限。其它部件的仿真計算應力也均小于對應材料的強度極限,說明安全級蓄電池組樣品結構強度符合GJB1060.1-91動力學仿真設計的要求。

6 結 語

文中針對某大型艦船蓄電池組因尺寸及重量過大而無法進行爆炸沖擊試驗考核的問題展開研究?；贒DAM分析方法,結合GJB1060.1-91的設計要求,采用ANSYS對蓄電池組進行了三個方向的沖擊仿真計算,校核了其結構強度是否符合要求,該方法可為后續大型艦船設備的抗沖擊設計提供參考。