舰船设备冲击隔离特性研究

刘世明 曹 宇 罗 寅 张阿漫

1哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 1500012中国船舶工业集团公司第七0八研究所，上海 200011

舰船设备冲击隔离特性研究

刘世明1曹 宇2罗 寅1张阿漫1

1哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
2中国船舶工业集团公司第七0八研究所，上海 200011

随着冲击问题越来越多，冲击能量越来越大，冲击控制、冲击隔离问题也越来越引起人们的关注和重视。以某型舰用增压锅炉为计算研究对象，采用时域有限元分析方法，分别对增压锅炉有无隔振抗冲击装置时受到水下爆炸载荷冲击下的响应特性进行数值仿真研究。分析隔振装置对增压锅炉抗冲击性能的影响，旨在为舰船设备抗冲击性能设计及性能评估提供参考。

增压锅炉；冲击隔离；数值仿真；抗冲击特性

1 引 言

随着现代水下兵器的发展，水下非接触爆炸威胁越来越大，对舰船设备的冲击破坏更是关系到舰船生命力的问题。众多海上战例及实船水下爆炸冲击试验表明，战斗舰艇在水下爆炸环境中所显现的突出薄弱环节，是舰艇上许多重要设备及装置的抗冲击性能过差。因此舰船系统和设备的抗冲击性能关系到舰船战斗力、生命力，是急待研究和解决的问题。

德国军标中［1］正是基于采用抗冲隔离元件来缓解设备所受到的冲击力，以保证设备在承受水下爆炸冲击环境下的安全。本文以某型舰用增压锅炉为研究对象［2］，分析隔振装置对增压锅炉抗冲击性能的影响。首先对无隔振抗冲装置，刚性安装到船体基座的增压锅炉进行冲击计算分析；再对比分析安装弹性抗冲装置后增压锅炉的冲击响应，旨在为舰船设备抗冲击性能设计及性能评估提供参考。

2 舰载设备抗冲击计算方法

2.1 设备抗冲击计算方法

对于舰船设备的抗冲击，国内外有关的标准都作了类似的规定，以加强舰船设备的抗冲击能力。对设备的抗冲击分析主要有静态等效法、动态设计分析方法和时域模拟法。静态等效法只考虑了受冲击结构的质量效应，当一阶响应是设备的主要破坏因素时尚可用；动态设计分析方法基于动力分析理论，用于分析舰船设备的最大线性动态响应，但只能分析线弹性安装设备与设备线弹性破坏，不能考虑冲击载荷在设备中的瞬态波动效应；而时域模拟法采用实测的时间历程曲线，或标准的基础输入时程曲线作为设备的输入载荷，对设备进行瞬态动态响应。

相比之下，时域模拟法可提供更详细的结构和精确的外部载荷，分析设备的结构属性更灵活。因此，为研究隔振装置对增压锅炉冲击性能的影响，本文采用时域模拟法对其进行数值计算研究［3］。

2.2 冲击载荷

所谓设备的冲击环境就是指设备在水下爆炸条件下的基础输入［4］。如果把冲击输入信号在频域内表示，在低频段，基础的位移激励是主要的；在中频段，速度激励是主要的；在高频段，加速度激励是主要的［5］。因此，通常用如图1所示四维坐标系下的三折线谱作为系统的冲击输入谱。所谓冲击谱是一种带有一定阻尼或无阻尼单自由度振子对冲击激励作用的最大响应随振子固有频率变化的图谱。本研究采用将图1冲击输入谱转化为图2所示的正负三角波的形式对模型冲击加载［6］。

图1 冲击输入谱

图1中，横坐标为频率f，纵坐标为谱速度V，与横轴成正45°的为谱位移D，与横轴成负45°的为谱加速度A。可以通过圆频率建立以上四个量之间的如下关系：

式中，a的单位是m／s2；A的单位是g的个数。

图2 三角形变化历程

图2中的三角形变化历程是由正负两个面积相等的三角形叠加而成，如根据冲击响应谱，第一个三角形的加速度峰值，约为最大加速度a0的0.6倍；第一个三角形的面积V2，约为最大加速度V0的3／4；第二个负三角形面积应与第一个三角形面积大小相同，致使基础最终速度为零；此加速度历程的两次积分便得到位移，此位移比SAS的最大相对位移要大一些（1.05 倍）；对于 t2和 t4，使t2＝ 0.4t3和 t4－ t3＝ 0.6（t5－ t3），认为是适宜的。 如此得到如下关系式：

对于质量大于5 t的舰船设备，初始冲击加速度和速度要进行相应的折减，折减公式为：

3 增压锅炉抗冲击数值计算

3.1 增压锅炉有限元模型

增压锅炉作为薄壳结构，主要采用板壳来模拟。在ABAQUS中模拟冲击和爆炸载荷时，适宜选用一阶单元，故选用一阶壳单元S3R和S4R，同时用质量单元MASS模拟几何模型中某些简化掉的结构的惯性作用。图3为增压锅炉有限元模型。

图3 增压锅炉有限元模型

对于抗冲隔离装置，本文采用三向弹簧阻尼单元对其进行模拟。减振器的位置按照增压锅炉4个底座，每个底座上均布9个圆锥形减振器，共36个减振器，减振器参数见表1，包括圆锥形减振器垂向和纵、横向性能参数［7］。

表1 圆锥型减振器各向静、动态特性数据表

图4给出了ABAQUS中定义完毕弹簧阻尼单元后的增压锅炉底座放大图。可以看到，底座上分布了36个阻尼弹簧单元，每个弹簧阻尼单元都可以抵抗三个方向的冲击作用。

图4 定义完毕弹簧阻尼单元后的增压锅炉底座放大图

3.2 材料模式

该增压锅炉所用材料参数：材料密度7.8×103kg／m3，弹性模量为 2.01 ×106N／mm2，静态屈服极限为 235 N／mm2。

3.3 强度判定准则

根据德军标关于A级设备的规定［7］，对舰船设备结构强度要求在冲击载荷作用下结构相应的应力最大值不得超过静态屈服极限。在这一前提下，认为结构是安全的，即

式中，σ是结构响应应力值；σs为材料的静态屈服极限。

3.4 工况设置

按照2.2节中介绍的方法，并根据增压锅炉的重量进行相应折减计算，得到垂向冲击载荷为：峰值50 g、脉宽6 ms，冲击输入时间为57 ms，计算时间取100ms。

3.5 考核部位设置

本文中将考核单元选取更多、更均匀，大量考核单元分布于增压锅炉内壳、外壳，在上锅筒、上下集箱等构件上也均匀选取了若干考核单元。图5（a）和（b）中分别给出了考核单元与考核点的布置示意图。

图5 增压锅炉考核部位

3.6 加载方法

加载方式分为两种情况：无抗冲隔振装置时，在抗冲击计算中认为刚性边界条件，冲击加速度载荷直接施加于底座；有抗冲隔振装置时，在抗冲击计算中认为弹性边界条件、冲击加速度载荷作用在隔振器基础上，经由隔振器缓慢传递到增压锅炉结构上。

4 数值计算结果分析

4.1 加速度响应对比分析

取典型部位的考核节点的加速度时历曲线，分别对比有无弹性抗冲装置的冲击响应［8-9］，如图6所示，其中横轴单位为s，纵轴单位为m／s2。

图6 增压锅炉考核节点加速度响应

从图中可以看出，在垂向冲击下，增压锅炉在安装抗冲装置后，在各个方向上的结构响应都明显下降，在考核点任一方向的加速度响应的峰值响应都有不同程度的下降，垂向冲击加速度响应下降得最多。并且加速度响应的高频成分较之不计抗冲装置时有所减少，响应峰值出现的时间相对滞后，这是由于冲击能量首先储存在冲击隔离器中，而后再按隔离系统本身固有振动周期，将能量缓慢释放出来，已将一部分的高频成分滤掉。

4.2 应力响应对比分析

在分析增压锅炉抗冲击能力时，本报告采用无量纲应力，即失效系数来描述：

当n≥1，表示增压锅炉结构已经失效，而n＜1表示结构安全。表2给出了垂向考核工况下各考核单元的失效系数n的列表，图7为考核单元失效系数对比图。

表2 垂向冲击下考核单元失效系数n列表

图7 考核单元失效系数对比图

从上面可以看出，一部分考核单元的失效系数n已经出现大于1的情况，按照BV0430－85规定，认为只要出现大于材料静态屈服极限的部位，即认为该设备已经失效，说明增压锅炉在垂向冲击下已经失效，出现了塑性变形，并且部分考核单元的失效系数n大于1.5，即使考虑材料动态屈服极限的提高，也可认为已超过了屈服极限。而在安装了弹性抗冲装置之后，大大提高了增压锅炉的抗冲击能力，设备在此工况下安全。

考虑增压锅炉出现大部分破坏的原因，应该是增压锅炉刚性安装于船体基座上所致。而BV0430－85中强调依靠弹性支撑系统所具备的较大三向大位移变形能力来吸收冲击能量，从而达到设备抗冲的目的。因此，采用合适的弹性支撑系统来安装增压锅炉，对其抗冲击能力的提高是行之有效的办法。

5 结 论

本文利用ABAQUS软件，按照德军标的规定对增压锅炉进行加载，计算分析了增压锅炉安装隔振抗冲装置下的冲击响应，并与无隔振抗冲装置下的冲击响应进行对比分析，得到了以下结论：

1）在垂向冲击下，增压锅炉在安装抗冲装置后，在各个方向上的结构响应都明显下降，在考核点任一方向的加速度响应的峰值响应都有不同程度的下降；

2）加速度响应的高频成分较之不计抗冲隔振装置时有所减少，加速度响应峰值出现的时间相对滞后；

3）弹性抗冲装置的存在，使得单元的失效系数降低了很多，使得增压锅炉结构强度能够满足要求，大大提高了增压锅炉的抗冲击能力。

［1］ BV0430－85德国国防军舰建造规范—冲击安全性［S］，2004.

［2］ 第六机械工业部船舶系统工程部.028G实艇水下爆炸材料汇编［G］，1982.

［3］ 汪玉，王官祥.舰船系统和设备的抗冲击性能动力学仿真［J］.计算机仿真，1999，16（1）：22－25.

［4］ 刘建湖.舰船非接触爆炸动力学的理论与应用 ［M］.无锡：中国舰船科学技术研究中心，2002.

［5］ 姚熊亮.舰船结构振动冲击与噪声［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［6］ LIANG C C，TAIY S.Shock responses of a surface ship subjected to noncontact underwater explosions ［J］.Ocean Engineering， 2006，33（5－6）：748－772.

［7］ 江国和，尹立国，沈荣瀛.带限位器双层隔振系统的冲击响应研究 ［J］.华东船舶工程学院学报 （自然科学版），2004，18（2）：86－89.

［8］ 姚熊亮，陈建平.水下爆炸二次脉动压力下舰船抗爆性能研究［J］.中国造船，2001，42（2）：48-55.

［9］ 呼怡玫.对舰船设备冲击振动试验的分析［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2002.

Numerical Simulation on Shock Isolation Characteristics of Ship Equipment

Liu Shi－ming1 Cao Yu2 Luo yin1 Zhang A－man1
College of Shipbuilding Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China 708 Institute of China State Ship b uilding Co r p o ration，Shanghai200011，China

In thi s paper， the marine supercharged boiler wa s researched by time－domain simulation method.With the condition of underwater explosion， the dynamic responses of marine supercharged boilers with and without impact damper were simulated and studied respectively.Then the effect of impact damper on shock resistance wa s studied and some rules are obtained.The results show that the boiler＇s anti－shock performance is enhanced by the shock isolation installation.The research aims to provide some references to the design and evaluation of ship equipment shock－resistance performance.

supercharged boiler； shock isolation； numerical simulation； anti－shock characteristics

U644.5

A

1673－3185（2010）03－38－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.03.009

2009－10-29

增压锅炉抗冲击性能计算研究课题基金

刘世明（1984－），男，硕士研究生。研究方向：船舶与海洋结构物结构性能与安全。E-mail：lsm030116＠163.com