舰船轴系用液压螺栓抗冲击性能数值仿真研究

吴继东，叶晓明，孙俊洋，张 萌

(1.武昌船舶重工集团有限公司，湖北 武汉430060;2.华中科技大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉430074)

0 引 言

舰船推进轴系及其附属设备的抗冲击性能直接影响到舰船的战斗力和生命力，已越来越受到各国海军的高度重视［1］。抗冲击性能评估最好的方法是进行实船爆炸试验，然而由于其高昂的费用让许多发展中国家望而止步。因此，开展相关抗冲击仿真研究对提高舰船推进轴系及其附属设备的抗冲击性能具有非常重要的意义。目前，抗冲击分析方法主要包括频域方法即动态设计分析方法 (Dynamic Design Analysis Method，DDAM)和时域方法［2］。本文基于Abaqus 有限元分析软件分别采用这2 种方法对舰船轴系用液压螺栓抗冲击性能进行仿真研究。

1 液压螺栓接触分析建模

1.1 结构组成及模型简化

液压螺栓结构组成包括带外锥面的双头螺杆、带内锥面的套筒和2个螺母，如图1所示。该型液压螺栓螺杆最大外径为64 mm，最大长度为369 mm;套筒外径80 mm，长度160 mm。安装时将螺杆连同套筒一起装进螺栓孔后，采用液压顶进装置和螺栓拉伸装置安装套筒和施加螺栓的预紧力，然后旋紧螺母。拆卸时采用液压螺栓拉伸装置拉伸螺栓，同时在螺杆圆锥面油道内注入高压油。液压螺栓与传统铰制孔螺栓相比，安装拆卸方便，可避免由于过盈配合引起的金属摩擦、拉毛等问题。

图1 液压螺栓结构示意图Fig.1 Sectional view of the hydraulic bolt

舰船推进轴系在工作状态下需要传递较大的扭矩，这使液压螺栓锥套在轴段法兰连接面处承受较大的剪应力，需对液压螺栓整体结构受载后的应力进行分析。由于推进轴系是轴对称结构，传扭过程可以简化用法兰盘模拟。法兰盘上均布15个相同液压螺栓，本文取1/15法兰盘进行仿真计算，其三维网格模型如图2 (a)所示。本模型大部分采用六面体C3D8R 单元，对螺栓与法兰接触部位进行网格加密处理如图2 (b)所示。液压螺栓接触分析模型总的单元数为63 491，节点数为77 251。

1.2 数值建模

1)接触关系的定义

图2 液压螺栓接触应力分析网格模型Fig.2 Mesh model of hydraulic bolt contact analysis

液压螺栓接触应力分析模型中，螺栓各部件已处于装配完成时的相对位置。此时，螺杆和套筒、套筒与螺栓孔之间形成过盈配合。在上述过盈配合面之间建立接触关系，并通过接触面间的几何过盈量来模拟接触面间的接触应力。

液压螺栓安装时需要拉伸器提供116 kN 预紧力。因此，液压螺栓安装后与法兰接触面之间产生一定的安装应力。本文将螺杆和2个螺母采用一体化建模，通过定义螺母与法兰接触面之间的过盈量来模拟液压螺栓的安装应力。

2)边界条件

施加边界时，固定一个法兰的2个切断面。定义一个参考点，并与另一法兰两切断面建立耦合关系。通过在参考点施加1/15 最大工作扭矩来模拟法兰所传递的扭矩值。

3)载荷步的定义

液压螺栓接触应力分析的难点在于接触计算的收敛性。由于接触是强非线性问题，文中螺杆与套筒之间、套筒与螺栓孔之间、2个螺母与法兰面接触面之间以及两法兰接触面之间都存在着接触关系。因此，在处理这些接触关系时需要采取适当的方法才能保证计算的收敛。如:分步建立接触关系、在建立接触的过程中施加临时边界等。

2 抗冲击计算理论

2.1 频域分析法

依据GJB1060.1 -1991 开展液压螺栓抗冲击性能频域分析研究。计算三维网格模型如图3所示，包括连接轴、传动轴、液压联轴器、15个液压螺栓等部件。抗冲击模型网格划分以六面体C3D8R 单元为主，这样既能保证计算的效率和精度，对接触部位和倒角处进行网格加密处理。液压螺栓抗冲击分析模型总的单元数为924 853，节点数为1 074 389。

图3 液压螺栓抗冲击分析计算网格模型Fig.3 Mesh model of the anti-shock analysis of hydraulic bolt

由于频域分析不能考虑非线性问题。因此，在模型中所有的接触面均定义为Tie。边界条件设定为2个轴段外端面全约束。

随舰艇类型、设备安装位置及设备各级模态质量的不同，频域分析冲击谱也不一样。对于液压螺栓，属于A 类设备。因此，计算公式如下:

式中:A0为加速度，m/s2;V0为速度，m/s;ma为模态质量，t。

依据GJB1060.1 -1991 要求，采用NRL 方法进行模态合成，如式(3)所示。

式中:xib为任一阶模态的最大响应;xia为对应a 阶模态的响应;xi为合成后的响应。

通过模态分析获得设计载荷谱，表1 给出3个方向的部分载荷谱值。

表1 不同冲击方向上的设计载荷谱(部分)Tab.1 Shock spectrum of different directions (part)

频域法的计算结果是动力学分析得到的冲击应力与设备连续工作应力的综合［3-4］。液压螺栓由于过盈配合产生的接触应力及传递扭矩产生的应力均为连续工作应力，故计算结果应包含这些应力值。

2.2 时域分析法

时域分析法可对各种非线性因素进行精确仿真，是目前国内外广泛应用的一种计算方法。该方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冲击输入载荷，对设备进行瞬态动响应分析。本文采用德国舰船冲击标准BV043/85 规定的双三角加速度时间历程曲线，如图4所示。

根据BV043/85 要求，相关参数计算方法如下:

1)设备质量小于5 t的隔离系统，抗冲击指标见表2［6］。

图4 双三角形时域曲线Fig.4 Double triangle curve on time domain

表2 BV043/85 中抗冲击谱Tab.2 Shock spectrum of BV043/85

2)对于设备质量大于5 t的隔离系统，冲击谱速度和加速度需要进行折减，折减的公式为:

式中:m为隔离安装的设备质量，t;m0为质量常数，t;A为折减后的加速度谱值，g;V为折减后的速度谱值，m/s。

计算输入载荷依据表2和图4 来确定，图4为从冲击谱转换为等效的时域加速度曲线。图中的参数计算方法如下:

时域法分析时，液压螺栓抗冲击计算模型如图3所示。由于时域法可以把各种非线性因素考虑进来，因此各接触面定义为Contact。边界条件为约束两轴段的外端面，同时释放其冲击方向的自由度，三角冲击波施加在2个轴端面上。

由于整个抗冲击模型相对于液压螺栓较大，因此，本文采用子模型算法对液压螺栓进行详细计算。子模型法又称切割边界法或特定位移法，是一种基于圣维南原理精确计算结构中的细部构件方法。该方法用整体模型切割边界上的位移作为子模型的位移边界条件，对子模型进行重新计算，可得到更为精确的计算结果［7］。

子模型分析步骤为:

1)对整体模型进行分析;

2)对子模型建模，并使子模型在总体坐标系中的位置与其在整体模型中的相应位置一致;

3)提取子模型切割边界条件;

4)分析子模型，使用子模型结果文件，读入切割边界条件文件，并在子模型上施加切割边界条件以外的载荷和约束。

3 材料属性及计算工况

本文以某型舰船轴系用液压螺栓为分析对象，对其抗冲击性能进行研究。液压螺栓各部件的材料属性如表3所示。最大扭矩工况下推进轴系所传递的扭矩值为3 800 kN·m。

表3 液压螺栓各部件材料属性Tab.3 Material properties of each component

4 计算结果分析

4.1 接触应力计算结果

最大扭矩工况下，液压螺栓接触应力仿真计算结果如图5～图8所示。

图5 整体模型应力分布Fig.5 Material properties of each component

图6 螺杆及螺母应力分布Fig.6 Stress contours of the screw and nut

图7 套筒应力分布Fig.7 Stress contours of the sleeve

图8 法兰应力分布Fig.8 Stress contours of the flange

从以上结果分析可知，液压螺栓所有零件应力均远小于材料屈服极限。整个结构最大应力出现在液压螺栓套筒承受两法兰面剪切的位置，最大值为565.6 MPa。其余大部分区域应力较平均，在320 MPa 左右。

4.2 频域分析计算结果

抗冲击计算无论频域还是时域都应进行垂向、纵向和横向的评估。由于垂向冲击破坏最大，本文只对垂向结果进行分析。液压螺栓抗冲击频域计算结果如图9～图11所示。

图9 整体模型垂向冲击应力云图Fig.9 The whole model stress contours upon vertical shock

图10 螺杆及螺母垂向冲击应力云图Fig.10 The screw and nut stress contours upon vertical shock

图11 套筒垂向冲击应力云图Fig.11 The sleeve stress contours upon vertical shock

该液压螺栓频域垂向冲击应力综合结果为:螺杆最大应力419.60 MPa 出现在螺杆与螺母连接的过渡圆角处;套筒最大应力571.07 MPa，出现在套筒被两法兰面剪切的内表面。液压螺栓各部件最大应力都符合GJB1060.1 -1991 抗冲击性能要求，小于材料屈服极限。

4.3 时域分析计算结果

时域法子模型计算结果如下所示。由图15和图16 可知，螺杆和套筒最大应力出现在冲击的初始时刻，分别为411.32 MPa和622.46 MPa，均小于其材料的屈服极限，符合抗冲击性能要求。

图12 0.603 ms 子模型整体时域垂向冲击应力云图Fig.12 The whole model stress contours upon vertical shock on time domain (0.603 ms)

图13 0.603 ms 时刻螺杆及螺母时域垂向冲击应力云图Fig.13 The screw and nut stress contours upon vertical shock on time domain (0.603 ms)

图14 0.603 ms 时刻套筒时域垂向冲击应力云图Fig.14 The sleeve stress contours upon vertical shock on time domain (0.603 ms)

图15 时域垂向冲击套筒某参考点(节点17422)应力时历曲线Fig.15 The time history plot of stress at node 17422 on sleeve

图16 时域垂向冲击螺杆某参考点(节点56715)应力时历曲线Fig.16 The time history plot of stress at node 56715 on crew

5 结 语

本文分别对液压螺栓在最大扭矩工况下的接触应力及抗冲击性能进行仿真计算。分析结果表明:

1)在最大扭矩工况下，液压螺栓套筒在2个法兰面接触处受较大剪切应力，是该液压螺栓最危险的部位。在设计加工过程中可采用适当的方法进行强化。

2)抗冲击各部件应力时历曲线显示，最大应力出现在冲击的初始时刻，且都小于材料屈服强度，符合抗冲击性能要求。

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

［2］刘建湖.舰船非接触性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，2003.

［3］GJB1060.1 -1991 舰船环境条件要求—机械环境［S］.北京:国防科学技术工业委员会，1991.

［4］童水光，魏超，费钟秀，等.船用齿轮箱系统抗冲击特性数值仿真［J］.振动与冲击，2012，31(12):79 -85.TONG Shui-guang，WEI Chao，FEI Zhong-xiu，et al.Numerical simulation for anti-shock characteristic of a marine gearbox system［J］.Journal of Vibration and Shock，2012，31(12):79 -85.

［5］计晨，汪玉，杨莉，等.柴油机主要部件冲击响应时域分析［J］.兵工学报，2011，32(4):391 -396.JI Cheng，WANG Yu，YANG Li，et al.Time domain analysis on shock response of main componets of diesel［J］.Acta Armamentarll，2011，32(4):391 -396.

［6］BV043/85 冲击安全性，联邦德国国防军建造规范［S］.1985.

［7］ABAQUS Analysis User′s Manual.ABAQUS INC，2012.