白坤雪, 尹韶平

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基于HyperMesh和Nastran的魚雷海水管有限元分析

白坤雪1, 2, 尹韶平1

(1. 中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西 西安, 710075; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西 西安, 710075)

為了識別海水管路的模態(tài)參數(shù), 找出結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的頻率段, 避免共振, 綜合運用UG, HyperMesh, Msc.Nastran軟件建立了一整套涵蓋3D建模、網(wǎng)格劃分、有限元分析流程。以海水管為例進行了自由模態(tài)分析, 獲得了前8階固有頻率和振型。仿真結(jié)果表明, 海水管的前8階固有頻率以低頻為主, 波紋管是振型變化最劇烈的部分, 是海水管路振動控制的對象。研究表明, 該流程具有快捷高效、精度高的特點, 是單一有限元軟件無法比擬的。

魚雷海水管; HyperMesh軟件; Nastran軟件; 模態(tài)分析

0 引言

隨著潛艇的發(fā)展, 魚雷武器已成為海軍水下作戰(zhàn)的主要武器之一。魚雷的管路系統(tǒng)用于傳輸海水、燃料、液壓油等流體介質(zhì), 管路系統(tǒng)不僅傳遞結(jié)構(gòu)振動, 其內(nèi)部的流體介質(zhì)還會攜帶著壓力脈動到各個艙段, 導致各艙段殼體劇烈振動, 進而引起結(jié)構(gòu)輻射噪聲。當壓力脈動的頻率接近或等于管路系統(tǒng)的固有頻率時, 系統(tǒng)將發(fā)生共振, 鑒于此, 有必要對管路系統(tǒng)的振動特性展開仿真研究。

模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性, 每一階模態(tài)都有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。模態(tài)分析是系統(tǒng)辨識方法在工程振動領域的應用, 它借助自動控制理論中的傳遞函數(shù)(或頻率響應函數(shù))的概念, 用傳遞函數(shù)反映某一系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系[1], 從而計算出該系統(tǒng)的固有特性。

魚雷海水管是海水泵振動向殼體傳遞并輻射噪聲的一個重要部件, 研究其振動傳遞特性是進行魚雷噪聲預報和控制的基礎。本文通過綜合應用UG、HyperMesh、Msc.Nastran軟件, 對海水管有限元模型進行仿真模態(tài)分析, 得到了各階固有頻率和振型, 得出了有益的結(jié)論。

1 HyperMesh與Msc.Nastran軟件特點

在對簡單幾何模型進行有限元分析時, 往往運用某一CAE軟件就可完成, 但對于復雜的實體, 目前還沒有一款軟件能高效精確地完成全部流程, 因此在工程應用中, 經(jīng)常綜合運用各軟件, 充分發(fā)揮各軟件的長處, 揚長避短, 快速高效地解決工程難題[2]。

1.1 HyperMesh軟件

在有限元仿真中, 網(wǎng)格質(zhì)量對仿真結(jié)果有重要影響, 如果網(wǎng)格數(shù)量過少或網(wǎng)格精度過低, 可能導致仿真結(jié)果誤差較大, 對于網(wǎng)格質(zhì)量要求高的分析, 甚至導致仿真過程中斷, 無法獲得結(jié)果。

HyperMesh是一個高效的有限元前后處理器, 能夠建立各種復雜模型的有限元模型。其2D到3D的有限元建模思想同3D實體建模思想類似, 在面網(wǎng)格的基礎上, 反復通過drag, line drag, spin, solid map等命令來建立體網(wǎng)格。該軟件的一大特色是其強大的幾何清理功能, 支持多種自動化和人工化的幾何清理功能, 包括各種縫隙的縫合、復雜曲面的修補、去除相關(guān)倒角孔洞以及薄殼實體中面抽取功能等[3]。另外其豐富的輸入輸出接口給設計者帶來了一定的方便, 輸入的幾何模型包括UG, Pro/E, Step, Iges, Parasolid等。劃分好網(wǎng)格后的有限元模型可以輸出到Abaqus, Ansys, Nastran, Cfd等主流分析軟件中。

HyperMesh在幾何建模方面較為薄弱, 進行有限元分析時材料類型和單元類型數(shù)量較少, 求解方法難以設置。在有限元分析計算與結(jié)果處理方面的性能也有一定差距[3]。

1.2 Nastran軟件

MSC.Software產(chǎn)品幾乎覆蓋了中國航空航天領域所有的研究機構(gòu)、設計部門、高等院校等。在船舶和海洋工程行業(yè)[4], Nastran軟件是融合結(jié)構(gòu)、流體、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元軟件, 其優(yōu)點包括以下幾個方面。

1) 提供了按“事件分類”的分析求解器選擇功能, 可直接選擇的求解器有Ansys、Abaqus、Ls-dyna3d等;

2) 具有多種線性及分線性模型的材料庫, 能滿足當前大部分工程需要;

3) 分析時具有高數(shù)值穩(wěn)定性、高精度及快速收斂的優(yōu)勢。

缺點是其幾何建模和網(wǎng)格劃分功能需繼續(xù)加強, Nastran建模的流程如圖1所示[4]。

圖1 Nastran軟件建模分析流程

2 UG, HyperMesh與Nastran銜接流程

鑒于HyperMesh與Nastran軟件在各自擅長領域的特點, 建立如圖2所示的仿真流程。

圖2 有限元仿真流程

首先利用專業(yè)3D建模軟件UG建立海水管幾何模型, 然后利用HyperMesh進行網(wǎng)格劃分, 最后遞交到Nastran 進行有限元分析。

通過上述軟件的綜合利用, 取長補短, 充分發(fā)揮各軟件的長處, 使整個分析過程快捷高效, 條理清楚, 極大地提高了工作效率。

通過UG建立的幾何模型可以以Parasolid, Iges, Step等格式導入到HyperMesh中, 其中Parasolid, Step格式是以體的形式存在的, 而Iges格式只有面的形式, 不存在體的概念。

在HyperMesh中, 通過Import-Geometry形式導入, 選擇在UG中輸出的幾何模型格式和文件名稱, 然后點擊Apply即可導入。

利用HyperMesh劃分網(wǎng)格結(jié)束后, 接著建立單元網(wǎng)格屬性, 定義網(wǎng)格類型, 通過assign命令建立起單元網(wǎng)格和材料屬性的連接, 最后將定義好屬性的網(wǎng)格文件以FE Model形式輸出, 文件類型選擇Nastran, 生成的輸出文件后綴為*.bdf。

打開Patran軟件, 通過Import命令以MD Nastran Input的形式導入上述步驟中生成的*.bdf文件, 成功導入后, 可看到之前在HyperMesh中劃分的單元節(jié)點數(shù)目。在此也可以重新定義網(wǎng)格屬性和材料參數(shù)。

3 基于HyperMesh 與Msc.Natran的海水管模態(tài)分析

3.1 海水管模態(tài)理論分析

本文研究的海水管有限元模型為無阻尼多自由度線性振動系統(tǒng), 屬于實模態(tài), 其求解原理如下[5]。無阻尼自由振動方程為

3.2 建立海水管幾何模型

海水管共有3部分組成, 自左到右分別為彎管、直管、接頭管。直管部分由用以消除壓力脈動的波紋管組成, 將模型以Parasolid格式輸出(見圖3)。

圖3 海水管UG模型

3.3 建立海水管有限元模型

打開HyperMesh v9.0軟件, 首先選擇將劃好的網(wǎng)格導入到求解器的類型, 本文選擇Nastran求解器。成功導入后可在左側(cè)component欄中看到海水管有3個component, 為便于區(qū)別, 可將其賦予不同顏色, 然后對其進行網(wǎng)格劃分, 劃分結(jié)果如圖4和圖5所示。接頭部分劃分74 400個六面體單元、直管部分劃分為14 720個六面體單元、彎管部分劃分為53 120個六面體單元。將劃分好的3部分在Hypermesh中進行裝配, 得到海水管的有限元模型, 如圖6所示。

圖4 接頭和彎管網(wǎng)格模型

圖5 直管網(wǎng)格模型

圖6 海水管網(wǎng)格模型

然后定義材料的屬性, 建立一個材料名稱, 設置材料的彈性模量、密度、泊松比等。海水管的材料屬性見表1。

表1 海水管材料屬性參數(shù)

3.4 基于Nastran的模態(tài)分析

固有頻率和振型是由結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料特性以及約束形式?jīng)Q定的。本文采用自由模態(tài)分析, 在自由模態(tài)分析中, 對于所選的實體單元有6個剛體自由度, 即6階剛體模態(tài), 其固有頻率接近零, 因此, Nastran軟件求解的海水管前6階固有頻率為零, 第7階為真正意義上的第1階固有頻率[6]。本文選擇適合大自由度模態(tài)提取且具有更快收斂速度的Lanczos Method進行分析。

建模分析中, 采用右手直角坐標系,軸與海水管的直管段軸線平行, 正方向由彎管指向接頭管, 從軸正方向看去,軸正方向指向接頭管開口一側(cè)。海水管存在多個自由度, 通常較低的若干階固有頻率和振型對結(jié)構(gòu)影響較大, 系統(tǒng)能量主要集中在前幾階較低的固有頻率, 故在研究系統(tǒng)的響應時, 只需要了解少數(shù)的固有頻率和振型, 在這里僅提取其中的前8階固有頻率[7]。各階振型和固有頻率如表2所示。

表2 海水管模態(tài)頻率及振型

選取具有代表性的1階彎曲振動, 2階彎曲振動, 3階彎曲振動, 軸向伸縮振動。模態(tài)振型如圖7~圖10所示。

由模態(tài)頻率和振型圖可知, 海水管按固有振型時, 彎管和接頭管變形較小, 變形主要集中在帶有波紋管的直管段, 設計時可以通過改變直管尺寸及材料等改變海水管振型變化, 在海水管振動過程中, 彎曲和扭曲是主要的變形形式, 隨著頻率的提高, 海水管的陣型主要表現(xiàn)為彎曲和扭轉(zhuǎn)的疊加, 在一定的頻率范圍內(nèi)甚至為波形扭曲。

圖7 海水管第2階模態(tài)振型

圖8 海水管第4階模態(tài)振型

圖9 海水管第6階模態(tài)振型

圖10 海水管第8階模態(tài)振型

4 結(jié)束語

以海水管為例, 建立了一整套涵蓋3D建模 軟件UG、網(wǎng)格劃分軟件HyperMesh、有限元分析前后處理軟件Patran/Nastran的流程, 揚長避短, 充分發(fā)揮了各軟件的優(yōu)勢, 極大地提高了分析效率和求解精度。由自由模態(tài)分析結(jié)果可知, 直管是海水管結(jié)構(gòu)振動最活躍的部分, 振型變化劇烈, 是海水管減振降噪的對象。在波紋管的設計中, 考慮波紋管固有頻率和振型以避免波紋管系統(tǒng)發(fā)生共振現(xiàn)象。使工作頻率遠離波紋管固有頻率, 避免發(fā)生共振。波紋管通常壁薄, 易伸縮, 彈性大, 很容易引起振動, 在一定范圍內(nèi)提高剛度是有效減振方法之一。本有限元仿真流程經(jīng)工程實踐驗證, 具有一定的工程推廣價值。

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Finite Element Analysis for Torpedo Seawater Pipe Based on HyperMesh and Nastran

BAI Kun-xue1,2, YIN Shao-ping1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory , Xi′an 710075, China)

To identify modal parameters of a seawater pipe and find out frequency bands of resonance, a process covering three-dimensional modeling, meshing, and finite element analysis is established by using the softwares UG, HyperMesh, and Msc.Nastran. Furthermore, the first 8 orders of natural frequencies and vibration modes are obtained according to the free modal analysis of the seawater pipe. Simulation results show that the first 8 orders of natural frequencies are mainly in low-frequency range, and the bellows are the target of vibration control of seawater pipeline because they possess the most variation of vibration amplitude. This process is also verified to be high in efficiency and precision.

torpedo seawater pipe; HyperMesh; Nastran; modal analysis

TJ630

A

1673-1948(2012)01-0014-05

2011-05-23;

2011-06-29.

國防科技預先研究項目資助(4011001010101).

白坤雪(1982-), 男, 在讀碩士, 主要從事減振降噪方面研究.

(責任編輯: 陳 曦)