舰艇用三向管道支吊架抗冲击性能分析

蒋永博，张明远,闫 明,2，杜志鹏,2

（1.沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳 110870； 2.海军装备研究院，北京 100161)

舰艇用三向管道支吊架抗冲击性能分析

蒋永博1，张明远1,闫 明1,2，杜志鹏1,2

（1.沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳 110870； 2.海军装备研究院，北京 100161)

舰艇内部错综复杂的管道系统是舰艇抗冲击性能的薄弱环节。为提高船舰艇管道系统的抗冲击性能，提出一种三向管道支吊架，并设计一套管道系统，分别采用普通单向支吊架和三向支吊架支撑管道。以弹簧单元模拟支吊架，施加相同的冲击载荷计算比较两种支吊架抗冲击能力。发现：采用三向支吊架支撑的管道，其缓冲位移约是普通单向支吊架的4倍；管道加速度响应峰值与输入峰值相比衰减72%；管道任意时刻最大应力为146 MPa。而采用普通支吊架支撑的管道加速度响应峰值与最大应力均远大于三向支吊架支撑的管道。可见三向管道支吊架可以显著提高舰艇管道系统的抗冲击能力。

振动与波；水下非接触爆炸；舰艇管道；抗冲击；支吊架

海军舰船在战时不可避免地遭受水雷、鱼雷等敌方武器的攻击，由此产生的水下非接触爆炸一般不会击穿船体结构，却会造成舰用设备大范围的损坏[1,2]，导致舰艇丧失生命力和战斗能力。舰艇的管道系统是舰用设备的重要组成部分，为各舱室及各种设备传递水、油、气等介质，是舰艇抗冲击性能的“短板”，一旦受到爆炸冲击产生损坏后，不仅使相关设备停止运转，还可能漏油、漏气，危害人员安全。为减小水下爆炸冲击对管道系统的损伤，现代舰艇的重要管道都采用具有冲击隔离作用的弹性支吊架作为管道的支撑。

世界上的海军强国在每次海战中都收集了大量的战斗数据，都浪费了巨大的财力、物力开展水下爆炸冲击对舰艇包括管路系统在内的的毁伤试验和研究[3]，并以管系结构和支吊架的安装位置研究为主。例如，对含有液体的复合材料管路的冲击变形，综合梁模型的模态和壳模型的模态来反应管路的应力—应变状态，数值仿真结果在试验结果的误差范围之内[4]；对采用法兰连接的管路系统进行分析，仿真计算和试验结果表明相对于冲击载荷而言，法兰对管路的冲击响应影响很小，在数值仿真计算中用质量单元代替法兰就可以得到确切的管路冲击响应[5]。日本核能安全组织/核能工程公司（JNES/ NUPEC）在典型核电站管路系统在强地震载荷作用下的响应项目[6]中指出了管路支座刚度对管路系统地震响应的衰减指数，并总结出经验公式用于设计和校核管路支座刚度[7]。国内对舰船管道抗冲击性能进行相关的研究时，更多地关注管道支吊架的布置和刚度选择对管道冲击响应的影响。杜鑫等对管道单元就采用了梁模型，对不同边界、不同支架个数对管道冲击位移响应影响进行了研究，但并未涉及管道的应力破坏问题[8]；顾文彬等对于简单管道结构应用模态分析法，对管道系统在冲击作用后的随机、周期性载荷或这两种载荷联合作用下的弹性支撑位置和数量进行优化[9]。王秋颖应用Ansys软件基于梁单元简化方法的模拟，对“π”型蒸汽管道进行冲击谱加载计算，找出薄弱环节，并增加管道抗冲击元件，改善了结构的响应[10]。周维星基于Timoshenko梁理论，建立传递矩阵法求解管道振动固有频率，并结合模态叠加法实现了管道动态响应的模拟[11]。这些研究对管道的抗冲击研究提供了技术支持。

舰船管道一般是三维空间管系，现有的单向抗冲击支吊架只能承受垂向或径向载荷，不能承受或仅能承受稍许的管道轴向载荷，不能产生较大的缓冲位移，抗冲击能力较弱。为了使管路系统与整个舰艇抗冲击能力相匹配，本文提出一种三向抗冲击支吊架，并分析其抗冲击的能力。

1 支吊架结构

舰艇常用的普通单向弹性支吊架结构如图1所示，管道通过U型管卡、橡胶衬垫、橡胶垫板将管道固定在支板上，橡胶衬垫和橡胶垫板对管道起到抗冲、减振的作用，橡胶衬垫及橡胶垫板的弹性刚度即为支吊架的刚度。

图1 支吊架实物及示意图

支吊架在实际的工作条件下，一方面由于橡胶衬垫和橡胶垫的压缩量并不是很大，当压缩量接近于某一限度时，在支板或管卡的作用下，橡胶垫的弹性刚度瞬间变大，会限制管道进一步移动。另一方面由于舰艇管道受到的冲击都是多方向的，或者并不是正好沿着管道的垂向或径向的，如简图2所示。

图2 冲击示意图

当管道采用普通支吊架支撑时，支吊架3缓冲位移方向不在冲击方向上，对冲击载荷没有抗冲击效果或者抗冲击效果不明显。同时，非橡胶压缩方向，即平行于支吊架安装面的冲击载荷会对支吊架产生巨大的倾覆力矩，严重影响支吊架的使用寿命和管道运行的安全。

三向抗冲击支吊架即X、Y、Z方向均设有弹簧，其整体结构图如图3所示，剖视结构如图4所示。

图3 三向抗冲击支吊架整体结构图

图4 三向抗冲击支吊架剖视结构图

按照设计要求，此三向弹簧支吊架单方向总刚度为20 N/mm，弹簧在工作极限载荷下变形量为40 mm。同时，为避免管道在舰船正常航行时随意晃动，给弹簧施加1.2mg（m为单个支吊架支撑的平均质量）倍的预紧力。支吊架通过外框架上的安装孔安装在舰艇的舱壁或甲板上，当管道受到任意方向的冲击时，都会分解为X、Y、Z三个方向，在各方向上的滑块便会挤压弹簧抵抗冲击，并通过摩擦阻尼衰减冲击，使管道受到的冲击响应在允许的范围内。三向抗冲击支吊架不仅能提高管系垂向、横向及纵向等三个方向的抗冲击性能，同时，三向支吊架具有较大的垂向、横向及纵向刚度，减小支吊架在冲击作用下断裂的风险。

2 管道计算模型

选取管道DN50，其壁厚2.5 mm。管道及其支吊架布置简图如图5所示。

图5 管道和支吊架布置简图（单位：mm）

管道支吊架的规定布置参考要求[12]。对于充液管道振动问题需要考虑管内流体的流固耦合效应，管内液体流速较低，一般为5 m/s左右，故可以忽略流体流速对管道动力特性的影响，管内流体质量一般被当做管道的附加质量随管道一起运动。管道材料为20钢，密度为7 830 kg/m3，E=2.07×1011Pa，σ= 0.3，屈服极限245 MPa。对于公称直径DN50管道，其等效密度为13 901.5 kg/m3。管道两端口通过橡胶挠性接管与其他管道或设备相连。

在舰艇管道系统的抗冲击计算中，由于管系的空间结构复杂且体积庞大，因此，在仿真计算时，要对管系上的附属部件进行简化。由于支吊架是固定在舱壁上的，对管系没有质量的作用，所以只需考虑弹簧和橡胶垫对管道抗冲减振作用。整个三向抗冲击支吊架可简化为线性弹簧单元，并赋予X、Y、Z三个方向如图6（a）所示刚度曲线。对于普通单向支吊架，利用Mooney-Rivlin橡胶模型得出如图6（b）力-变形量关系曲线，采用非线性弹簧单元模拟普通单向支吊架的限制位移的作用，其最大压缩量为6 mm，且赋予其单方向刚度，支吊架3在冲击方向定义管道与舱壁为刚性连接。

图6 弹簧单元力-变形量曲线图

管道有限元计算模型如图7所示。

图7 有限元模型

模型中弹簧单元下端节点与舱壁相连，上端节点与对应管道的圆周一圈节点相耦合，以模拟支吊架与管道的连接。管道端口与橡胶挠性接管相连，故管道端口设置无约束边界条件。

3 管道模态分析

对两种支吊架支撑的管道分别进行模态计算，忽略阻尼的影响。管道Z向1阶固有频率及其对应振型分别如图8所示。

采用三向支吊架管道1阶固有频率为7.8 Hz，普通单向支吊架管道为16.1 Hz。

海浪的频率一般为0.04 Hz～2 Hz，舰艇设备的固有频率在10 Hz以上，而采用三向支吊架管道的固有频率为7.8 Hz，避开了海浪和设备的固有频率，能够防止管道系统与环境和设备发生共振。

4 冲击载荷

图8 管道1阶振型

水下非接触爆炸产生冲击波和气泡脉动两种冲击效应，按照国军标要求[13]，管道系统时间历程冲击载荷采用正、负三角形波历程，其时域曲线如图9所示。

图9 冲击载荷

图中a1=1 000 m/s2，t1=5 ms，t4=30 ms。以舱壁底面为冲击载荷加载面，计算时长为采用三向支吊架管道固有周期的2倍。在无阻尼条件下，分别考察支吊架类型为三向弹簧支吊架与普通单向支吊架时管道的最大冲击响应。

5 抗冲击效果分析

对管道的冲击响应：管道相对舱壁的位移、管道的加速度以及管道应力进行分析，对比三向支吊架与普通单向支吊架的抗冲击能力。

5.1 管道相对位移分析

以支吊架2处弹簧单元上端节点与下端节点Z向相对位移表征管道在冲击方向的相对位移。

如图10所示。

图10 管道Z向相对位移

采用三向支吊架的管路最大相对位移为25 mm，缓冲位移较大且小于其极限变形量40 mm；而对于采用普通单向支吊架的管路，由于橡胶垫或橡胶衬板的压缩量有限，当超过压缩极限后便不再压缩，其最大相对位移即为橡胶最大压缩量6 mm，缓冲位移有限，起不到明显的缓冲效果。

t=0.047 s时刻管道Z向相对位移最大，此时管道Z向位移如图11所示。

图11 管道Z向位移

管道左、右两端口位移分别为20 mm、30 mm。常用的双球（或多球）式橡胶挠性接管，其三个方向的最大允许变形量均可以达到40 mm，所以当管道相对位移最大为25 mm时，其仍具有变形补偿能力。

5.2 管道加速度分析

以支吊架2处弹簧单元上端节点Z向加速度表征管道在冲击方向的加速度。

如图12（a）所示。采用三向支吊架的管路最大加速度响应为280 m/s2，远小于其输入加速度峰值1 000 m/s2，衰减达72%；而对于采用普通单向支吊架的管路，如图12（b）所示。

支吊架3与管道在冲击方向近似于刚性连接，对冲击载荷没有抗冲击效果，近似于刚性碰撞。同时，非橡胶压缩方向，即平行于支吊架安装面的冲击载荷对支吊架产生巨大的倾覆力矩，从而导致管道整体加速度响应多数时间均远大于输入加速度峰值，且管道发生剧烈的振荡。

5.3 管道应力分析

提取管道任意时刻最大应力并绘制曲线如图13所示。

由图13可知，采用三向支吊架的管道最大应力整体均小于采用普通单向支吊架的管道，且管道最大应力波动较小，最大应力位于管道水平部分两支吊架之间，如图14（a）所示，其值为146 MPa，处于安全状态；而采用普通单向支吊架的管道最大应力整体偏大且波动剧烈，管道在冲击阶段就已超出其材料屈服极限，如图14（b）所示。

图12 管道Z向加速度

图13 任意时刻管道最大应力

图14 管道最大应力/Pa

最大应力出现在管道典型部位弯头处，为527.8 MPa，此时管道会局部失效或者从支吊架上脱落造成泄露事故。

6 结语

同一管道系统分别采用三向支吊架与普通单向支吊架支撑，经受相同冲击载荷时，采用普通单向支吊架的管道最大相对位移为6 mm；管道整体加速度响应均远大于输入载荷加速度峰值1 000 m/s2，最大应力且管道会发生剧烈的振荡；管道最大应力527.8 MPa，远大于其材料屈服极限。而三向弹簧支吊架可通过各个方向上的滑块挤压弹簧抵抗冲击，其显著的缓冲效果使得管道最大相对位移为25 mm，最大响应加速度为280 m/s2，最大应力为146 MPa，可见其抗冲击性能远优于普通单向支吊架。因此，三向抗冲击支吊架可以显著提高舰船管道系统的抗冲击能力。

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Shock ResistanceAbilityAnalysis of the Tri-dimensional Pipe Hangers in Naval Ships

JIANG Yong-bo1,ZHANG Ming-yuan1,YANMing1,2,DU Zhi-peng1,2
(1.School of Mechanical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110780,China; 2.NavalAcademy ofArmament,Beijing 100161,China)

The complicated pipe system is the weakness of the shock resistance ability of the naval ships.In order to raise shock resistance ability of the ship’s pipe system,a kind of tri-dimensional pipe hangers is put forward and the corresponding pipe system is designed.Then,models of the pipe systems supported by convensional unidirectional hangers and present tri-directional hangers are established respectively.Spring elements are used to simulate the pipe hangers.And the same impact loads are applied to the two models.Results of computation are analyzed to compare the resistant ability of the two kinds of pipe hangers.It is found that for the pipe supported by the tri-dimensional hangers,the buffer displacement is nearly 4 times as large as that of the pipe supported by the unidimensional hangers.The peak value of the acceleration response is reduced by 72%in comparison with that of the input excitation.The maximum stress of the pipe is 146 MPa. Both the peak value of the acceleration response and the stress of the pipe supported by tri-directional hangers are much smaller than those of the pipe supported by the unidimensional hangers.So,the tri-dimensional hangers can greatly improve the shock resistance ability of the naval ship’s piping system.

vibration and wave;non-contact underwater explosion;naval ship’s pipe;shock resistance;pipe hanger

U661.4

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2017.01.023

1006-1355(2017)01-0103-05

2016-12-05

蒋永博（1990－），男，甘肃省天水市人，硕士生，主要研究方向为舰艇设备抗冲击设计。E-mail:597391513@qq.com