水下滑翔器动力部件的模态特性分析

史 健，洪学武，赵 坚，朱广超，陈祖银

（1.国家海洋技术中心，天津 300112；2.天津城建大学，天津 300384）

0 引言

水下滑翔器是一种新型的水下无人潜航器，具有持续工作时间长、航迹可控等优点，主要用于海洋环境观测、信息收集和矿产探测等，可在未来战争中发挥重要作用[1]。水下滑翔器的中部耐压舱两侧各安装一块滑翔翼板，构成了动力部件，其在海水的动载荷作用下极易发生剧烈振动，直接影响着水下滑翔器的滑翔效率，甚至导致结构的疲劳破坏威胁航行安全[2,3]。

研究水下滑翔器动力部件的模态特性，可避免结构发生共振，防止振动变形过大造成结构疲劳损坏[4]。模态分析是获得结构模态特性参数的有效方法，通常有计算模态分析和试验模态分析两种途径。随着计算机和有限元理论的发展，可以对结构模型做适当简化，利用有限元分析软件计算得到结构的固有频率和振型，了解其模态特性，这是复杂结构模态分析的常用方法。对于要求较高的情况，往往采用试验模态分析的方法来得到结构的模态特性参数，固有频率、阻尼参数和振型。

本文基于模态分析理论，利用有限元分析软件ANSYS对水下滑翔器动力部件进行计算模态分析，分析计算结果，找到部件结构的薄弱环节。继而，对滑翔翼板做了模态试验，并辨识得到翼板的模态参数，这为进一步的结构振动故障诊断、结构动力修改提供了依据。

1 动力部件实体模型

水下滑翔器动力部件主要由滑翔翼板和耐压舱组成，他们之间通过卡扣结构实现紧连接[5]。水下滑翔器再滑行过程中，动力部件配合重力调节机构产生俯仰运动，实现滑行。

分别使用三维制图软件建立耐压舱和滑翔翼板的实体模型，然后组装成动力部件装配体，如图1所示。为减少计算负荷，对结构中倒角、圆角等细小特征做了简化。

图1 水下滑翔器动力部件

2 动力部件有限元模型

将实体模型导入ANSYS软件中建立动力部件的有限元模型。在滑翔运动中，要求滑翔翼板和耐压舱之间没有相对滑动，故在结构处理时可以使用布尔运算（Booleans）将两者做相加(add)处理[6]。

耐压舱的材料为6 0 6 1铝合金，弹性模量E=0.7×1011Pa，泊松比μ=0.33，密度ρ=2700kg/m3；滑翔翼板的材料为碳纤维树脂复合材料，弹性模量E=19.3×109Pa，泊松比μ=0.32，密度ρ=1400kg/m3。选用单元类型Solid186进行网格划分，得到919072个节点和554037个单元。

动力部件由滑翔翼板和耐压舱构成，划分网格成功后，两者的网格不连续，可使用MPC滑槽连接单元加以处理。该连接单元具有2个节点，且仅有1个相对位移自由度，两节点的转动自由度相互独立即无关。该单元的节点不能施加约束条件，为避免发生刚体运动，可采用刚度的梁和壳单元覆盖在类似销轴节点连接的实体单元上。MPC滑槽连接单元输入参数如表1所示。翔翼板和耐压舱的连接位置，可采用滑槽连接单元处理，将两者的网格相连。动力部件有限元模型如图2所示。

表1 MPC滑槽链接单元输出参数

图2 水下滑翔器动力部件有限元模型

3 动力部件有限元模态分析

水下滑翔器运动过程中，遭受水流冲击等复杂载荷，且在低频环境中易产生振动，造成结构受损[7]。对建立的动力部件有限元模型进行模态分析，在0～500Hz感兴趣频率范围内，得到24阶计算结果。自由状态下的计算结果会出现刚体模态，剔除刚体模态和虚拟模态后，取前8阶模态结果，模态频率如表2所示，模态振型如图3所示。

分析得出，第1阶振型为滑翔翼板一阶弯曲；第2阶振型为滑翔翼板二阶弯曲；第3阶振型为滑翔翼板二阶弯曲，同时耐压舱轴向翻滚；第4阶振型为滑翔翼板一阶扭转；第5阶振型为滑翔翼板三阶弯曲；第6阶振型为滑翔翼板二阶扭转；第7阶振型为滑翔翼板水平方向同步摆动；第8阶振型为滑翔翼板四阶弯曲。

从振型分析不难得出，在动力部件结构中，滑翔翼板的运动较激烈，且最大变形量产生在翼板上。为优化动力部件结构，需对滑翔翼板做进一步分析，研究其结构动态特性。

表2 水下滑翔器动力部件有限元模态分析结果

图3 水下滑翔器动力部件前8阶振型

4 滑翔翼板模态分析

滑翔翼板为薄壁件，质量轻、结构简单，材料为碳纤维树脂复合材料，具有良好的材料特性，对其做实验模态分析。

可将其视为一个多自由度系统，系统振动方程为：

M质量矩阵，C是阻尼矩阵，K是刚度矩阵, {F}是强迫力。经坐标变换{x}=φ{q}，振动方程解耦为：

单点激励测点P时，FP=F：

则：

测点L处的响应：

得到P点激励，L点测量的频响函数：

从式(4)对滑翔翼板的动态参数进行识别，可以得到结构的固有频率和模态振型。

考虑到滑翔翼板的材料和结构特点，模态测试采用“锤击法”。“锤击法”是一种最简便的激振方法，移动激励位置特别容易，且对试件没有附加质量、附加刚度和附加阻尼。试验采用悬挂方式模拟翼板的自由状态。滑翔翼板的实验模态分析系统如图4所示。

图4 滑翔翼板实验模态分析系统

信号采集使用压电式力传感器和PCB单向加速度计。在翼板上共布置5行7列共35个测点，采用单输入单输出测试方式，加速度计布置在测点23上。采用模态参数识别频域法辨识出翼板前8阶模态，模态频率如表3所示，模态振型如图5所示。

表3 水下滑翔器动力部件实验模态分析结果

图5 滑翔翼板前8阶模态振型

5 结论

1）采用有限元法，在500Hz频率范围内，计算得到水下滑翔器动力部件前8阶模态参数。分析模态参数得出，滑翔翼板是部件的薄弱部位，可进一步分析。

2）构建了滑翔翼板的模态测试系统，并采用单输入单输出的测试方式完成实验，进而辨识出翼板的前8阶模态参数。

3）分析结果为下一步优化滑翔翼板的结构，进而优化动力部件，提供了数据支撑。