基于DDAM的线槽装置抗冲击设计

王光越

(中国船舶集团有限公司 第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引言

水面船只在航行时可能受到接触式或者非接触式爆炸冲击，爆炸冲击通过船体结构传递至船上设备。为保证船上设备在经受爆炸冲击后满足使用要求，需要对船上设备进行抗冲击性能分析。线槽装置通过焊接的方式固定在舰船甲板上，其主要功能是让电缆在线槽内部滑行，避免电缆在不受力状态下在甲板上拖行时被甲板划伤。线槽装置在船体受到爆炸冲击时直接承受船体传过来的冲击力，因此需要对线槽装置进行抗冲击分析。

动力学设计方法DDAM(Dynamic Design Analysis Method)是广泛使用的基于冲击反应谱的分析方法，主要用于舰船设备的抗冲击分析设计。DDAM将设备简化为多个弹簧质量系统,通过对各阶模态解的合成得到设备的位移和应力。本文利用ANSYS仿真软件通过对线槽的抗冲击仿真分析得到线槽的薄弱部位，为后续的结构设计提出合理建议。

1 线槽模型的建立

线槽部件主要由线槽底座、线槽调节板和滚动部件组成。基于经济成本和防腐性能的要求，线槽底座采用100×48×4.8的槽钢，材质为不锈钢。线槽调节板主要用来调节线槽的高度，保证电缆在线槽内的高度与导缆轮部件出缆口的高度基本一致。滚动部件主要包括线槽底部的滚轮体和线槽侧面的滚轮体。

UG是机械工程常用的三维设计软件，具备模块丰富、操作简单等优点。UG具有强大的建模功能，可以进行参数化设计，大大提高建模的速度。本文通过UG建立了线槽装置的三维模型，将该模型保存为igs格式后导入到Workbench中。线槽的三维模型如图1所示。

图1 线槽三维模型

2 模态分析

线槽装置的主要材料为不锈钢，其弹性模量为205 GPa、抗拉强度为520 MPa、屈服强度为205 MPa，线槽装置总质量为22 kg。

根据国军标GJB1060.1-91《舰船环境条件要求——机械环境》中的规定，对于给定冲击方向的具有n个自由度的数学模型需要分析足够的振型模态数N，以保证模态质量一般不小于分析系统总质量的80%。分析的模态中应包括模态质量大于分析系统总质量10%的所有模态，较低频率的模态应优先考虑。

根据线槽在甲板上的安装方式，在线槽的4个槽钢安装底面上施加固定约束，利用Workbench17.0平台进行仿真计算，线槽有限元模型如图2所示。

图2 线槽有限元模型

根据分析结果，分别提取线槽X、Y、Z三个方向的模态值，在X方向(横向)1阶和5阶的模态质量和占线槽质量的83.16%；在Y方向(纵向)4阶和6阶的模态质量和占线槽质量的83.34%；在Z方向(垂向)2阶、9阶、13阶和20阶的模态质量和占线槽质量的73.96%，由于在该方向上更多阶数线槽的振动模态质量产生的都比较小，实际意义不大，因此这里取到20阶即可。线槽模态分析结果如表1所示。

表1 线槽模态分析结果

3 抗冲击分析

3.1 输入谱设计

线槽装置属于舰船装备，刚性安装在舰船的甲板上。本文研究的舰船设备冲击谱设计条件为：舰船类型为水面舰艇；抗冲击等级为A级；安装位置为甲板安装；分析类型为弹性设计。

DDAM分析中，水面舰艇设备按照设备冲击谱的设计条件设计冲击加速度值和冲击速度值，甲板部位的冲击输入谱如下：

(1)

(2)

其中：A0为基准加速度，m/s2；V0为基准速度，m/s；ma为模态质量，t。

根据国军标GJB1060.1-91《舰船环境条件要求——机械环境》中规定，ma可取设备总质量的80%，垂向、横向、纵向的抗冲击分析设计加速度Aa、设计速度Va的计算公式为：

垂向：

Aa=1.0A0,Va=0.5V0.

(3)

横向：

Aa=0.4A0,Va=0.2V0.

(4)

纵向：

Aa=0.2A0,Va=0.2V0.

(5)

根据国军标GJB1060.1-91《舰船环境条件要求——机械环境》中的规定，取Vaωa(ωa为圆频率，是频率的2π倍)与Aa中的较小值作为动力学分析系统在给定冲击方向的冲击设计加速度。将模态分析所得的各向模态质量和频率代入式(1)～式(5)，经计算得到线槽部件抗冲击分析输入谱设计值，如表2所示。

表2 线槽部件抗冲击分析输入谱设计值

3.2 抗冲击仿真计算

根据表2的规定，在响应谱分析中分别对线槽装置进行垂向、横向和纵向加速度加载。加载方式采用单点响应谱，模态合成采用SRSS的方法进行，设置完成后求解计算得到线槽装置在垂向、纵向和横向3个方向的冲击响应，如图3～图8所示。

图3 线槽垂向应力云图

图4 线槽垂向应力集中部位

图5 线槽纵向应力云图

图6 线槽纵向应力集中部位

图7 线槽横向应力云图

从图3、图4中可以看出，线槽垂向等效应力最大值为567.52 MPa，超过了材料的屈服极限，具体位置发生在线槽侧立板与上底板的安装部位，此部位可考虑加厚材料或改变支撑结构的方式来减小冲击应力。

从图5、图6中可以看出，线槽纵向等效应力最大值为110.71 MPa，具体位置发生在线槽侧立板与下底板的安装部位，没有超过材料的屈服极限，满足使用要求。

从图7、图8中可以看出，线槽横向等效应力最大值为521.48 MPa，具体位置发生在线槽侧立板与下底板的安装部位，超过了材料的屈服极限，此部位可考虑加厚材料或改变支撑结构的方式来减小冲击应力。

图8 线槽横向应力集中部位

4 结论

利用UG建立了线槽装置的三维模型，通过GJB1060设计了线槽装置的冲击加速度谱值,利用有限元分析软件ANSYS对线槽抗冲击强度进行了分析，结果表明：

(1) 线槽垂向冲击最大等效应力为567.52 MPa，超过了材料的屈服极限，可通过加厚立板或者改变支撑结构的方式减小冲击应力。

(2) 线槽纵向冲击最大等效应力为110.71 MPa，整体都没有超过材料的屈服极限，满足抗冲击使用要求。

(3) 线槽横向冲击最大等效应力为521.48 MPa，超过了材料的屈服极限，可通过加厚立板或者改变支撑结构的方式减小冲击应力。