船用除湿箱抗冲击分析

张二新，陈　恩，鲍　军，崔　哲，汤继保，王　坤（合肥通用机械研究院压缩机技术国家重点实验室，安徽合肥230031）

船用除湿箱抗冲击分析

张二新，陈恩，鲍军，崔哲，汤继保，王坤
（合肥通用机械研究院压缩机技术国家重点实验室，安徽合肥230031）

抗冲击性能是船舶设备重要考量标准之一，文章应用Ansys的DDAM动力设计分析法，在除湿箱X、Y、Z三个方向施加冲击载荷，得到结构谱分析应力云图，校核结构强度，为船用除湿箱结构设计提供参考。

DDAM；抗冲击分析；除湿箱

1　引言

随着对船舶破坏案例的深入分析，非接触式爆炸所产生冲击载荷已经成为船舶设备损坏的重要因素之一，因此，船舶设备都应进行抗冲击试验，以检验其在冲击载荷下的可靠性。鉴于冲击试验需要生产样机，试验费用昂贵，且有限元分析的不断成熟，有限元法已成为船舶设备进行抗冲击分析的有效方式。

船载除湿箱是一种空气处理单元，广泛应用于电子设备冷却。除湿箱内多布置换热器、电加热器、风机等原件，框架结构和面板构成一个密闭单元，在除湿箱内调节空气温湿度。在冲击载荷作用下，强度不足导致其局部变形过大，必然造成其性能下降甚至失效，故冲击强度是其设计考核指标之一。

2　抗冲击设计方法

目前国际上主要应用的设备抗冲击设计方法有等效静力法、时域模拟法和动力设计分析方法［3］。

等效静力法（或称静g法）是将瞬态冲击等效为数倍重力的静力学分析问题，只考虑受冲击结构质量分布对冲击的影响，计算误差较大，在高频破坏为设备主要破坏因素的冲击分析中不适用，主要用于机角和固定螺栓的抗冲击强度校验。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间历程曲线作为设备的非线性响应，对设备进行瞬态动力学分析，其优点是可以考虑设备的非线性因素，获得设备每一时刻每一节点的应力和变形［4］。

动力设计分析（DDAM）是基于结构振动模态叠加的设计分析方法，为了克服等效静载荷方法的不足，将一台设备简化为多个弹簧质量系统，在计算出模态振型和模态质量后，根据基础冲击谱的输入得出模态位移和应力，通过对模态解的合成得出设备的位移和应力。基于动力学分析理论，美国海军进行一系列水下爆炸试验，通过分析实验结果，建立起水面舰船和水下潜艇的DDAM设计冲击谱。早期由于计算条件的限制，计算模型的自由度较少，对每个冲击方向都单独计算模型，并未考虑系统的三向耦合作用。随着计算技术的发展，利用三维模态理论将DDAM拓展，单向冲击多向响应，从而考虑系统的三向耦合作用，计算准确性大为提高。

3　ANYSY的DDAM抗冲击分析

DDAM是基于冲击谱的响应分析方法，由美国海军研究所O·Hara和Belsheim在1963年一份报告中提出，该报告以英制单位编写，故Ansys的DDAM法采用英制单位。DDAM法是规定了输入谱值的反应谱法，其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，考虑设备载体、设备安装位置、设备模态质量、冲击方向等因素，将设计冲击谱作为设备的冲击输入，并对系统数学模型进行模态分析，并对模态分析结果进行合成，从而求得系统的冲击响应。在此基础上，我国专家学者进行理论分析和实验证明得出我国军标的国际单位制谱值计算表达式，王新敏教授考虑模态质量计算、冲击谱加速度单位等因素后，进行国际制单位下加速度和速度谱表达式的转换（见表1），得到了国际制单位下适用于Ansys的DDAM谱分析的冲击谱计算参数（见表2），为国际制单位下模型基于Ansys的DDAM谱分析提供了参考。

表1　国际单位制冲击设计谱表达式转换［5］

表2　国际制单位下冲击谱计算常数表［5］

4　基于DDAM的除湿箱抗冲击分析

船用除湿箱是一种电子冷却设备，采用ANSYS的DDAM谱分析法，分别从X、Y、Z三个方向对结构施加冲击载荷，得出结构应力分析云图，找出应力集中点，进行结构强度校核。

Ansys的DDAM谱分析法基本步骤如下:

（1）设置单元类型和物性参数

（2）建立模型并划分网格

（3）施加载荷

（4）进行模态分析并扩展模态（扩展模态宜采用NRLSUM法）

（5）进行DDAM谱分析，并合并模态

（6）读取结果，进行后处理

按照除湿箱结构尺寸建立模型，采用SOLID185单元，进行10阶模态分析并扩展模态，分别从X，Y，Z三个方向输入DDAM冲击谱值进行谱分析，使用NRLSUM法进行模态合并，得出三个方向应力云图如图1、图2和图3:

图1　X方向DDAM谱分析应力云图

从应力分析云图可以看出，施加在X、Y、Z三个方向的冲击载荷，都产生了相应的应力集中，查看分析结果得出三个方向最大应力分别为1380.5MPa、530MPa、178.1MPa，远超过其材料强度极限，该结构虽然静态强度满足设备要求，但在抗击载荷作用下，将导致设备失效，结构设计需要调整。

从应力云图可看出，应力集中多出现在框架结构直角位置，为改善结构抗冲击性能，在尽可能少增加设备重量的前提下，对设备结构进行调整，重新建立模型，在易产生应力集中的直角位置进行圆弧过度，并局部加强，重新进行Y方向抗冲击分析，谱分析应力云图如图4。

图2　Y方向DDAM谱分析应力云图

图3　Z方向DDAM谱分析应力云图

图4　改进结构Y方向DDAM谱分析应力云图

从图4可看出，相比原结果，应力集中现象稍微缓解，查看分析结果得出结构应力最大值为290MPa，抗冲击能力大为提高。

5　结论

本文应用Ansys的DDAM方法，对除湿箱框架进行抗冲击分析，从结构应力分析云图看，船用除湿箱框架在进行结构设计时，应避免直角，在尽可能降低设备重量的前提下，可采用圆弧过度、局部加强提高设备抗冲击能力。

6　参考文件

［1］George J.O'Hara，Robert O.Belsheim.Interim design values for shock design of shipboard equipment［R］.1963

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

［3］李晓明，陈凤.舰船浮筏隔振装置DDAM抗冲击计算［J］.噪声与振动控制，2012，（6）:34-39

［4］张强，何朝勋，杨建军，等.应用Ansys的DDAM的方法进行舰船设备的抗冲击计算［J］.舰船科学技术，2011，（12）:42-45

［5］王新敏.基于ANSYS的舰船设备抗冲击之DDAM研究［J］.国防交通工程与技术，2013，（1）:1-5

Shock-resistant Capability Analysis of Marine Dehumidify Box

ZHANG Erxin，CHEN En，BAO Jun，CUIZhe，TANG Jibao，WANG Kun
（Hefei GeneralMachinery Research Institute，State Key Laboratory of Compressor Technology，Hefei230031，China）

Shock-resistance is one of the important considerations standard of Marine equipment.In this paper，used the DDAM（dynamic design analysismethod），dehumidify box is applied impact load in X，Y，Z three directions for obtaining the stress distribution diagram，thus，check structure strength under the shock load，provide a reference for the structure design of Marine dehumidify box.

DDAM；Shock-resistance analysis；Dehumidification box

TU834 文献标示码:B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.017

ISSN1005-9180（2016）02-089-04

2016-2-13

张二新（1989-），男，助理工程师，研究方向:制冷与压缩机。Email:zhanghuaitao@126.com