基于动态设计分析方法的舰载鱼雷发射装置抗冲击特性研究

何佳磊，周　川，周宁波，段　浩

（中国船舶重工集团 第705研究所昆明分部，云南 昆明，650118）

基于动态设计分析方法的舰载鱼雷发射装置抗冲击特性研究

何佳磊，周川，周宁波，段浩

（中国船舶重工集团 第705研究所昆明分部，云南 昆明，650118）

舰船设备和系统的抗冲击能力是决定舰船战时生命力强弱的重要因素。该文采用舰艇三联装鱼雷发射装置模态试验与有限元综合建模技术，在Ansys Workbench中建立了发射装置抗冲击有限元分析模型，借鉴美国海军用以考核舰船设备抗冲击性能的动态设计分析方法（DDAM），结合国军标GJB1060设计发射装置冲击输入谱，对其进行抗冲击特性仿真计算，以考核发射装置的抗冲击性能。仿真结果表明，在发射装置转台瓦板处，发射装置横向冲击位移响应及Von Mises应力均为最大，但其最大Von Mises应力均没有超过材料的屈服强度。在材料的许用应力范围内，横向、纵向、垂向抗冲击性能均满足舰船甲板设备抗冲击考核要求。

鱼雷发射装置； 动态设计分析方法； 模态试验； 抗冲击

0　引言

随着现代海战的日益激烈，舰艇在作战中不可避免地会遭到来自空中、水面和水下的打击。水面舰艇受到来自水下常规武器的攻击主要有水雷、鱼雷及深水炸弹等。有时，尽管舰艇壳体的水密性没有受损，但是由于舰载设备在强冲击下丧失功能，也会导致舰艇失去战斗力［1］。因此，舰艇设备和系统的抗冲击能力是决定舰艇战时生命力强弱的重要因素之一［2］，舰艇设备抗冲击能力已成为舰艇整体抗冲击能力的重要指标。因此，各海军强国均制定了舰艇设备抗冲击标准，规范舰艇设备的设计、制造和验收等全过程，以提高舰艇抗非接触爆炸的能力。

为保证三联装鱼雷发射装置在舰艇遭受非致命攻击时，能可靠地发射鱼雷进行反击，鱼雷发射装置自身要具有一定的抗冲击性能。按照我国和美国海军标准，舰艇三联装鱼雷发射装置属于A 级设备，该类设备在受冲击前后性能应无显著变化，且不会对人员和其他A 级设备造成破坏。为达到以上目标，必须对其抗冲击特性进行考核和评估。目前，国内外常用的舰艇设备抗冲击性能考核方法有静态等效法（静G法）、动态设计分析法（dynamic design analysis method，DDAM）和时域模拟法［3］。DDAM是美国海军用于考核舰艇设备抗冲击能力的手段之一，该方法建立在大量的水下爆炸试验数据基础之上，应用经验公式确定设计谱值大小，是一种方便、实用的工程技术。

文中采用鱼雷发射装置模态试验与有限元综合建模技术，在Ansys Workbench中精确建立发射装置抗冲击有限元分析模型； 使用DDAM方法，并结合国军标GJB1060考核了发射装置横向、纵向以及垂向的抗冲击性能。

1　DDAM的基本原理

DDAM理论起源于地震工程的冲击响应谱方法。该理论发展于上世纪60年代，是一种正则模态响应分析法，用于分析舰船设备线性结构的最大动态响应。DDAM将设备冲击输入以设计冲击谱来表示，并对模型进行模态分析，对模态结果使用美国海军实验室组合（Naval research laboratory sum，NRL）方法进行合成，求得所分析系统的冲击响应。此外，DDAM考虑了舰船设备的弹性基础对冲击谱的谱跌效应，并且将谱跌体现在设计谱值中。目前，DDAM是很多国家舰船设备抗冲击性能考核的主要方法。DDAM基本原理与应用反应谱方法计算结构的峰值反应相同，只是其设计谱值是依据经验公式，考虑了设备载体、设备的安装位置、模态质量、冲击考核方向等因素而选取输入谱值。在应用DDAM时，模态质量是其核心概念之一。

通过模态叠加原理，可以推导出模态质量的概念及物理意义［4］。

式中:nΓ为振型参与系数，表示第n阶振型对系统反应参与的程度；Mn*为基底剪力有效振型质量，简称为有效质量，是与基底剪力相关的物理概念。基底剪力有效振型质量的定义与DDAM中模态质量的定义相同，因此模态质量的概念是表征基底剪力的物理概念。

第n阶振型引起的反应

在DDAM计算中，利用式（2）计算各阶振型峰值，再选取振型组合方法（square root of the sum of the squares，SRSS）、完全二次项组合（complete quadratic combination，CQC）和NRL等振型组合规则，一般情况下，选取CQC组合来估算结构总反应的峰值。

2　鱼雷发射装置抗冲击有限元分析模型

有限元分析理论及其工程应用经验表明，结构有限元分析结果很大程度上取决于所建立结构模型的准确性。为了保证鱼雷发射装置抗冲击有限元分析达到标准要求的精度，所建立的发射装置冲击有限元模型首先要有足够的力学准确性，其次计算模型应有较高的仿真计算效率。

因此，文中采用鱼雷发射装置原型结构模态试验分析与有限元综合建模技术，精确建立发射装置抗冲击有限元分析模型。首先，基于比利时LMS Test.Lab锤击法模态试验系统进行发射装置结构的振动实验模态分析，获取发射装置结构的振动固有模态信息（固有频率、固有振型、模态质量和阻尼比）； 然后在ANSYS Workbench多物理场协同CAE仿真平台中建立发射装置结构的抗冲击分析的有限元模型； 最后通过对有限元模型进行模态分析，并与实验模态结果进行对比，不断修正有限元模型，比如有限元模型装配结合部动力学接触类型、零部件简化程度等。

2.1鱼雷发射装置结构的有限元分析模型

鱼雷发射装置抗冲击有限元分析模型采用Solid Edge软件进行结构几何3D建模，并导入ANSYS Workbench完成有限元前处理及仿真分析。发射装置结构有限元模型中的主要结构尺寸与产品尺寸精确一致； 分析模型仅对工艺孔、螺栓孔及其工艺台等非主要动力学局部结构进行动力学等效简化处理。几何模型动力学等效简化遵循2条基本原则: 1） 不改变模型的基本力学特征； 2）简化后模型质量及网格划分质量应有明显改善。

发射装置抗冲击分析3D几何模型如图1（a）所示，有限元分析网格模型如图1（b）所示。发射装置结构有限元网格主要采用六面体为主和自动划分的网格划分方式，并对复杂局部进行网格细化，如转台、瓦板以及轴承等零部件及结合区域。

图1　鱼雷发射装置抗冲击分析3D几何模型和有限元网格模型Fig. 1　Three-dimensional geometric model and finite element mesh model of a torpedo launcher used for anti-shock analysis

为了降低发射装置有限元分析时间和计算的复杂程度，在保证分析精度的前提下，对发射装置转台回转轴承的滚动体进行了等效简化。转台回转轴承及滚动体简化模型如图2所示。滚动体采用等直径圆环（滚动体简化模型见图2箭头所示）力学等效简化处理。

最后，发射装置整体结构总质量为1 447.6 kg，有限元模型总质量为1 450 kg，模型质量误差为0.17%，有限元单元数为258 763，网格节点数为604 512。

图2　转台回转轴承及有限元简化模型Fig. 2　Turntable rotary bearing and its simplified finite element model

图3　发射装置主要零部件装配面接触面设置示意图Fig. 3　Schematic of assembly surface for major parts of a torpedo launcher

2.2鱼雷发射装置有限元模型装配接触面设置

鱼雷发射装置有限元模型为一复杂装配体，在其有限元动力学建模中发现该模型零部件间的装配接触面接触关系对其分析精度有较大影响。因此，文中基于原型结构实验模态分析结果，对有限元模型进行装配结合部接触特性调整修改，不断提高有限元分析精度。发射装置主要零部件装配面接触采用完全绑定和不分离2类线性接触特征设置（见图3（a）和（b）），以模拟焊接和螺栓连接面等装配结合部的力学约束状况。其中，转台瓦板与管体装配接触面、回转轴承滚动体与内、外圈等接触面采用不分离接触设置，其余装配结合面均为绑定接触设置。建模时，三联装发射管之间的实际连接方法与实际产品中发射管间的连接方法相同； 同时，有限元模型与舰艇甲板间的约束方式与实际产品安装方式一致。

3　鱼雷发射装置抗冲击有限元分析

3.1抗冲击分析输入谱设计

依据国军标GJB 1060.1-91《舰船环境条件要求-机械环境》5.7节中“动力学分析”规定，鱼雷发射装置属于水面舰艇甲板安装的甲类设备，其设计冲击加速度和冲击速度值的计算公式分别为

式中: ma为发射装置整体结构的模态质量，A0为设计冲击标称加速度，V0为设计冲击标称速度。根据国军标GJB 1060.1-91规定的甲板部位弹性设计规范，ma取发射装置总质量（1.45 t）的80%，垂向、横向、纵向抗冲击分析的设计加速度、速度值如表1所示。

表1　鱼雷发射装置抗冲击分析输入谱设计值Table 1　Design values of input spectrum for anti-shock analysis of a torpedo launcher

另外，根据国军标GJB 1060.1-91 中5.7.4危险区域的确定”一节所规定: 若采用频率计算确定危险区域（即在冲击载荷作用下可能破坏的区域或部件）时，水面舰艇甲类及丙类设备弹性设计动力学分析系统的截止频率fc为

其中，z˜a为分析系统最高振动模态的模态质量，一般取分析系统总质量的10%。针对发射装置分析系统，按其总质量1.45 t的10%计算得到的动力学系统分析截止频率fc为122.75 Hz。通过发射装置模态分析得知，其前3阶模态频率最高为106.94 Hz。因此，发射装置抗冲击分析截止频率fc覆盖了前3阶振动模态垂向、横向和纵向动力学冲击叠加响应。根据国军标GJB1060.1-91规定的一维DDAM，结合表1的输入谱设计值，鱼雷发射装置垂向冲击设计输入谱如图4所示，横向、纵向的冲击设计输入谱类似。

图4　发射装置垂向冲击设计输入谱Fig. 4　Design input spectrum of a torpedo launcher in vertical direction shock

3.2抗冲击仿真分析及评价

鱼雷发射装置一维DDAM抗冲击仿真分析主要基于Ansys Workbench的响应谱分析技术，发射装置转台底部采用模拟装舰工况的固定约束。根据3.1节中抗冲击分析输入谱，分别对发射装置进行垂向、横向、纵向加载，冲击输入谱通过约束边界施加于发射装置结构； 冲击响应谱采用CQC算法，计算得到发射装置垂向、横向、纵向3个方向上的冲击响应。经分析发现，发射装置分别在垂向、横向、纵向冲击作用下，在发射管后盖处出现了Von Mises应力奇异点，最大值为330.54 MPa。分析原因是由于冲击输入均匀化处理及单元网格自身应力集中等问题，该点单元应力与周围单元应力有非线性突变，因而在抗冲击分析中应依据力学渐变原则忽略此类单元的应力。因此，剔除应力奇异点后，发射装置最大Von Mises应力均出现在转台瓦板面上，具体应力值和位置如表2所示。

图5（a）、（b）、（c）分别为发射装置在垂向、横向、纵向冲击作用下，整体Von Mises应力分布云图。图5（d）、（e）、（f）分别为发射装置在垂向、横向、纵向冲击作用下，转台瓦板面局部Von Mises应力云图及最大应力发生位置。一维DDAM发射装置抗冲击有限元仿真分析结果表明: 1） 三向一维冲击谱加载工况下发射装置结构冲击响应应力主要集中于转台、发射管体、上管托架以及管体瓦板连接螺栓。2） 在垂向冲击谱加载工况下，发射装置转台瓦板支撑弧面最大Von Mises应力为191.9 MPa； 转台底部支撑筋最大应力接近100 MPa； 下管Von Mises应力<55 MPa； 管体与瓦板连接螺栓Von Mises应力<83.9 MPa。

表2　鱼雷发射装置三向一维DDAM法冲击响应最大Von Mises应力值及位置Table 2　Maximum von Mises stress of shock response and its position in a torpedo launcher in three directions by using dynamic design analysis method（DDAM）

图5　发射装置在3个方向冲击作用下的整体应力及最大应力分布图Fig. 5　Overall stress and maximum stress distribution in a torpedo launcher under the shock in three directions

3） 在横向冲击谱加载工况下，发射装置转台瓦板支承弧面外侧边缘最大Von Mises应力为224.2 MPa； 下管体Von Mises应力＜65 MPa； 管体与瓦板连接螺栓Von Mises应力＜51.3 MPa； 上管托架应力＜77.4 MPa。

4） 在纵向冲击谱加载工况下，发射装置转台瓦板面最大Von Mises应力为91.5 MPa（与垂向冲击最大应力位置相同）； 下管体Von Mises应力<40 MPa； 管体瓦板连接螺栓Von Mises应力<30 MPa； 上管托架应力<10 MPa。

5） 从冲击响应Von Mises应力分析结果来看，发射装置整体结构冲击应力以垂向和横向为主，纵向冲击应力次之。

由于转台及瓦板的材料屈服强度为300 MPa，发射管、管体连接架、腹条、腹板的材料屈服强度为315 MPa，管体瓦板连接螺栓的材料屈服强度为1 080 MPa。因此，发射装置在垂向、横向、纵向冲击作用下，各零部件结构的最大Von Mises应力均没有超过材料的屈服强度，满足国军标GJB1060.1-91规定的抗冲击设计要求，发射装置结构安全。

4　结束语

文中使用鱼雷发射装置模态试验与有限元综合建模技术，建立了发射装置抗冲击有限元分析模型； 以Ansys Workbench的响应谱分析技术为基础，使用DDAM方法对舰艇鱼雷发射装置进行了抗冲击仿真分析。仿真结果表明: 在三向一维设计冲击载荷作用下，发射装置重点考核对象（即转台、瓦板、发射管体和管体瓦板连接螺栓）满足国军标GJB1060.1-91规定的抗冲击设计要求，发射装置结构安全； 发射装置结构最大冲击应力均集中于转台零件； 其中，转台瓦板支承面四角边缘以及转台局部支承筋冲击响应应力数值较大，可考虑对转台进行抗冲击结构改进优化设计； 从冲击响应Von Mises应力分析结果来看，发射装置整体结构冲击应力以垂向和横向为主，纵向冲击应力次之。因此，今后对发射装置进行结构抗冲击设计时，应重点考虑三向均衡抗冲击设计。

［1］汪玉，华宏星.舰船现代冲击理论及应用［M］. 北京: 科学出版社，2005.

［2］刘建湖. 舰船非接触水下爆炸动力学的理论与应用［D］.无锡: 中国船舶科学研究中心，2002.

［3］国防科学技术工业委. GJB106011291舰船环境条件要求机械环境［S］. 北京: 国防科学技术工业委会，1991.

［4］乔普拉. 结构动力学理论及其在地震工程中的应用［M］.第2版. 谢礼立，吕大刚，译. 北京: 高等教育出版社，2007.

（责任编辑: 许妍）

Research on Anti-Shock Capability of Shipborne Torpedo Launcher Based on Dynamic Design Analysis Method

HE Jia-lei，ZHOU Chuan，ZHOU Ning-bo，Duan Hao
（Kunming Branch of the 705 Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Kunming 650118，China）

The anti-shock capability of marine equipment and system is an important factor in determining the vitality of a ship in wartime. Based on the modal test for shipborne torpedo triple launcher and the finite element modeling technology，we establish a finite element analysis model of the launcher to investigate its anti-shock capability. In terms of the dynamic design analysis method（DDAM），with which American navy assess the anti-shock capability of marine equipment，we design launcher shock input spectrum according to the GJB1060 Standard to simulate and assess the anti-shock capability of the triple torpedo launcher. Simulation results demonstrate that on the turntable tile plate the maximum shock response displacement and the maximum Von-Mises stress appear in transverse direction，but the max transverse Von-Mises stress is less than the yield strength of material. The transverse，longitudinal and vertical anti-shock capabilities meet the requirements of the ship anti-shock assessment.

torpedo launcher； dynamic design analysis method（DDAM）； modal test； anti-shock capability

TJ635

A

1673-1948（2015）02-0139-06

2014-07-28；

2014-09-20.

何佳磊（1990-），男，在读硕士，主要研究方向为鱼雷发射技术.