舰船联合基座结构刚度评估研究

陈 辉

（海军驻沪东中华造船集团有限公司军事代表室 上海200129）

舰船联合基座结构刚度评估研究

陈 辉

（海军驻沪东中华造船集团有限公司军事代表室 上海200129）

采用计算机辅助空间有限元前后处理软件（ViziCAD）对舰船联合基座进行三维建模，按照GJB/Z119-1999《水面舰艇结构设计计算方法》对联合基座结构在舰船正浮静置、横摇10°、纵倾5°三种状态下进行基座刚度仿真计算与分析。经仿真计算表明：联合基座结构设计具有足够刚度，可满足装舰技术要求。

计算机辅助空间有限元前后处理软件；联合基座；结构刚度；评估

引 言

舰船联合基座指将天文经纬仪、惯性导航平台、被试导航设备和变形测量装置综合在一个联合的基座上，通过高精度变形测量装置实时测量、记录和显示联合基座上下平台相对于基座平台的纵横向相对变形值，消除或减少船体变形对惯性导航设备系统精度的影响［1-2］。一般的导航设备基座加工与定位精度控制在3′～5′，而该联合基座变形精度需控制在角秒级，从而使基座的设计、制造与上舰安装等极为困难。

本文采用ViziCAD软件对联合基座进行建模，分别对舰船正浮静置、横摇10°、纵倾5°三种工况下进行联合基座刚度仿真计算，对相关部位的水平偏差值进行评估，为联合基座设计、制造与上舰安装提供了重要的理论依据。

1 联合基座结构概况

该联合基座结构主要由上平台、下平台和四根连接支撑柱及相关附件组成。其中：上平台为半径约500 mm的圆形结构，下平台为1 000 mm×1 800 mm 的长方带椭圆形结构，支柱为四根直径为108 mm 、长度约1 900 mm的钢管结构。在两根支柱间、支撑柱与平台间，可采用厚度为25 mm 的加强筋板连接。联合基座上平台板装有天文经纬基座，下平台装有前后两个惯性导航主仪器基座以及中心处基准检验平台板，其制造与加工总成要求如图1所示。

图1 联合基座总成图

2 结构刚度计算与分析

联合基座结构刚度计算采用GJB/Z119-1999《水面舰艇结构设计计算方法》以及ViziCAD 有限元结构分析系统（Sap5程序超级版本）。联合基座刚度计算与分析处理流程为：

（1）利用SuperDrawⅡ模块构建三维模型，生成有限元网格并进行数据存储；

（2）利用DecoDes模块建立数据输入文件；

（3）通过SuperView 模块校核有限元模型；

（4）使用SSAP等相应模块进行应力计算，观察分析结果。

2.1 计算模型

2.1.1 单元划分

由于联合基座刚度极大，其上、下平台以及基准平台均为厚45 mm的B级碳素钢板，因此，联合基座计算模型采用了三维8节点四边形单元划分模拟实际结构。考虑到上平台的M12×25固定螺栓孔尺度比一个划分单元小，在建模时可忽略该螺栓孔对网格的影响。据此，联合基座结构模型共划分为2 427个单元，4 918个节点数。其模型如下页图2所示。

图2 联合基座结构模型及部分单元划分示意图

2.1.2 边界条件

由于联合基座固有振动频率比连接甲板处的基频高，因此，可将刚度较小的连接甲板视为联合基座的柔性吸振装置。考虑到舰船静水横摇周期约为10 s，纵摇周期约为5 s，比甲板的基模态所对应的周期大（不在一个数量级），因此，在横摇、纵摇力的作用下，甲板连接处与联合基座不会发生耦合谐振。为简化计算，在实际建模时，考虑到联合基座上平台连接甲板处为纵向主向梁和横向交叉构件组成的加强板架结构，其等效刚度较大，故可将联合基座上平台与甲板连接处的边界条件视为刚性固定处理［3-4］，其计算结果更为保守。

2.2 载荷工况

对联合基座下平台设备安装基座，采用在其质心位置处施加设备集中载荷，同时将舰船摇摆产生的惯性力施加于联合基座结构中作静力分析，根据实际要求，分别对联合基座静置、横摇10°、纵摇5°三种工况进行结构应力计算与分析。

2.2.1 静置正浮工况

考虑舰船正浮状态，仅计及基座结构质量以及安装设备及配载质量。

计算载荷:

式中：Fxx、Fyy、Fzz为基座质心处纵向、横向及垂向力，kN；

M 为基座质量（含设备质量），kg。

2.2.2 横摇10°工况

计算载荷：

式中：Y、Z 为基座至舰船质心距离，m；

为最大计算横摇角，rad；TΦ

为舰船静水横摇周期，s；R

为舰船质心轨迹半径，m。

2.2.3 纵摇5°工况

计算载荷：式中：X为基座质心至舰船质心距离，m;

θmax为最大计算纵摇角，rad ；Tθ为舰船静水纵摇周期，s。

2.3 刚度衡准

联合基座刚度需满足下列要求：

（1）上、下平台具有一定的设备承载能力，以减少测试仪器因重力而产生的变形；

（2）在舰船横摇不大于10°、纵摇不大于5°时，联合基座整体结构变形量要求小于10″；

（3）上平台天文经纬仪基座安装面相对于下平台中心处的水平基准平台的水平精度不大于30″；

（4）下平台上两个惯性主仪器安装面相对于中心处的水平基准平台水平精度不大于30″。

3 计算结果分析

假定每个节点只有x、y、z三个方向平移变形，在x、y向的位移只是引起平台水平转动。由于联合基座上、下平台板每个节点的三个转动自由度受到约束，各节点的三个自由度中x、y向的位移比划分单元尺寸要小得多，因此，对绕x、y平面中某一线为轴转动角度的影响较小，即对平台偏离水平面的角度改变的影响较小。在计算结果分析中，可提取相应位置单元的各节点的z向位移作进一步分析。

在计算结果中,提取需校核水平度的位置单元的各节点z向位移数据进行分析，分别对应于上平台天文经纬仪、下平台基准平台板以及安装惯性导航主仪器设备基座处结构单元，其对应变形位移显示如图3所示。

图3 联合基座变形示意图

根据节点数据可按下列原理求得偏离水平面的角度：

设有两个节点A（x1，y1，z1）和B（x2，y2，z2）在同一水平面内，两个节点在三个自由度上的变形分别为（dx1，dy1，dz1）和（dx2，dy2，dz2）。由于A、B在同一水平面上，则两个节点变形后A1B1相对于同一水平面的偏离角度α如图4所示:

图4 两个节点水平偏移角度示意图

在直角三角形A1B1P中可知：

对于联合基座上平台天文经纬仪基座、下平台基准平台板、下平台左右基座等四部分结构处于同一水平面上节点均按上述原理计算出任意两个节点相对水平转角α，取其极大值作为结构偏差水平面角度，据此编制处理程序，得到相应部位的变形量计算结果如下页表1所示。

表1 不同工况变形计算值

则相对下平台基准板最大变形如表2所示：

表2 不同工况相对下平台基准变形值

4 结 论

通过联合基座建模与仿真计算表明：联合基座结构设计具有足够刚度，并将重力和惯性力等引起的变形量控制在一定范围，满足装舰要求。经分析，联合基座结构最大变形发生在纵摇5°的工况下，此时，下平台前后基座最大变形值约为3.84″，上平台天文经纬仪相对于下平台基座平台板最大变形量约为1.06″。针对联合基座上平台天文经纬仪基座、下平台惯性导航设备主仪器基座以及基准检验平台等具有极高精度要求的安装基面，可通过制定合理的结构焊接与制造工艺、机械加工工艺以及船台（坞）安装工艺，满足该联合基座装舰技术要求。

［1］ 郑梓祯，蔡迎波.舰船导航系统试验与鉴定［M］.北京：国防工业出版社，2005.

［2］ 周金亮，赵岩峰.舰船变形研究［J］.舰船电子工程，2010（5）：198-200.

［3］ 孙丽萍.船舶结构有限元分析［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.

［4］ （俄罗斯）O.M.帕利.船舶结构力学手册［M］.徐秉汉，译.北京：国防工业出版社，2002.

Research on evaluation of structure rigidity of shipborne combined foundation

CHEN Hui
(Naval Military Representative Office Stand in Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

This paper establishes a three dimensions model for shipborne combined foundation by VIZICAD software. According to GJB/Z119-1999《Structural design & Calculation for surface ship》, the foundation rigidity is simulated and analyzed for the combined foundation structure under the condition of floating at the static position, rolling at 10°°and pitching at 5°. The results show that the rigidity of the combined foundation structure is sufficient to meet the shipment technology requirement.

ViziCAD; combined foundation; structure rigidity; evaluation

U663.7

A

1001-9855（2014）02-0049-05

2014-01-24；

2014-02-14

陈 辉（1967-），男，工程师，主要从事舰船装备总体监造工作。