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(江蘇科技大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

以往的海戰(zhàn)和爆炸沖擊試驗顯示：船用設(shè)備是艦艇抗沖擊能力的薄弱環(huán)節(jié)[1-2]。采用隔振抗沖措施是當(dāng)前提高船用設(shè)備抗沖擊能力主要方式之一，如為船用發(fā)電機組安裝浮筏隔振裝置[3]。以某船用發(fā)電機組浮筏隔振系統(tǒng)為對象，依據(jù)BV043/85艦艇沖擊標準，采用MSC.Nastran對船用發(fā)電機組浮筏隔振系統(tǒng)進行沖擊響應(yīng)分析，得到發(fā)電機組的加速度響應(yīng)、隔振器的變形量、中間筏體的應(yīng)力。分析不同筏體厚度、結(jié)構(gòu)阻尼、上層限位器間隙對浮筏隔振系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的影響。

1 浮筏隔振抗沖系統(tǒng)建模

1.1 浮筏隔振抗沖系統(tǒng)組成

船用發(fā)電機組浮筏隔振抗沖裝置由2臺柴油機發(fā)電機組、上層隔振器、下層隔振器和中間筏體(低磁鋼)組成。依據(jù)船用發(fā)電機組的尺寸、質(zhì)量和隔振要求，2臺發(fā)電機組分別由10只WHG-600型隔振器(自帶限位裝置)安裝在筏體上，筏體由14只SJD-1200型隔振器安裝在基座上。

1.2 有限元模型

采用MSC.Patran建立船用發(fā)電機組浮筏隔振抗沖系統(tǒng)有限元模型。在船用發(fā)電機組尺寸不變、質(zhì)量與質(zhì)心坐標不變的情況下，柴油發(fā)電機組由solid單元構(gòu)建，并劃分為6面體網(wǎng)格。筏體由shell單元建立，并劃分為四邊形網(wǎng)格。隔振器分別由3個spring單元建模，可以輸入其在3個方向上的剛度與阻尼[4]。上層隔振器自帶的限位裝置可由gap單元模擬。

在筏體下方建立接地的0維質(zhì)量單元(大質(zhì)量)，并以該質(zhì)量結(jié)點為獨立結(jié)點，14個下層隔振器下端節(jié)點為從屬結(jié)點，建立MPC剛性單元。其中大質(zhì)量應(yīng)該為系統(tǒng)質(zhì)量的103～108倍，106倍效果最好[5]。船用發(fā)電機組浮筏隔振抗沖系統(tǒng)的有限元模型見圖1。

1.3 模態(tài)分析

浮筏隔振系統(tǒng)的模態(tài)分析可以確定隔振設(shè)計參數(shù)是否合理，筏體結(jié)構(gòu)和隔振器型號是否需要作進一步調(diào)整[6]。而在沖擊響應(yīng)分析中，模態(tài)分析也是必要的，模態(tài)頻率將用于阻尼的轉(zhuǎn)換。在筏體板材厚度為20 mm時，采用MSC.Nastran對系統(tǒng)進行模態(tài)分析，浮筏隔振抗沖系統(tǒng)1階固有頻率為4.79 Hz，其模態(tài)振型見圖2。

圖2 浮筏隔振抗沖系統(tǒng)第1階垂向模態(tài)振型

1.4 阻尼參數(shù)

在直接法瞬態(tài)響應(yīng)分析中無法使用復(fù)系數(shù)，因而結(jié)構(gòu)阻尼必須轉(zhuǎn)換為等效粘性阻尼。等效粘性阻尼系數(shù)與結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)的關(guān)系見下[5]。

(1)

式中：b為等效的粘性阻尼系數(shù)；G為結(jié)構(gòu)阻尼；ωn為固有圓頻率，應(yīng)用MSC Natram計算時，ωn選擇第一階固有圓頻率；k為系統(tǒng)的剛度。

按上述模態(tài)分析得一階頻率為4.79 Hz，則固有圓頻率ωn(轉(zhuǎn)換系數(shù))為30.08 rad/s，在瞬態(tài)響應(yīng)求解參數(shù)中設(shè)置。

2 沖擊載荷

按照BV043/85艦艇沖擊標準，垂向設(shè)計沖擊譜為d0=43 mm，v0=7 m/s，a0=320g。根據(jù)公式(2)～(7)設(shè)計沖擊譜并轉(zhuǎn)換為如圖3所示的等效雙三角形加速度時間歷程曲線。

a2=0.6a0

(2)

(3)

t2=0.4t3

(4)

(5)

(6)

t4=t3+0.6(t5-t3)

(7)

沖擊響應(yīng)計算采用大質(zhì)量法，施加激勵力F為

F=Ma

(8)

式中：M為接地大質(zhì)量，是浮筏隔振系統(tǒng)質(zhì)量的106倍；a為如圖3所示的雙三角形加速度歷程。

由于垂向沖擊破壞最大，只進行船用發(fā)電機組浮筏隔振系統(tǒng)垂向沖擊響應(yīng)分析，而橫向、縱向沖擊時計算方法相同，設(shè)計沖擊譜不同。

3 不同參數(shù)對抗沖擊性能的影響

3.1 筏體厚度對抗沖擊性能的影響分析

在不同的艦艇上，基于成本、戰(zhàn)術(shù)指標等因素，筏體需要采用不同厚度的材料，以達到不同的隔振效果。在系統(tǒng)阻尼比為0.1時，用直接法分別計算筏體厚度為10、20、30、40 mm時的浮筏系統(tǒng)沖擊響應(yīng)。此時，需要分別對含有不同厚度筏體的系統(tǒng)進行模態(tài)分析，以獲取不同的一階模態(tài)圓頻率(轉(zhuǎn)換系數(shù))。筏體不同厚度時系統(tǒng)沖擊響應(yīng)見圖4。系統(tǒng)最大沖擊響應(yīng)值見表1。其中質(zhì)量比為筏體質(zhì)量與發(fā)電機組的質(zhì)量之比，amax為發(fā)電機組垂向加速度最大值(絕對值)，d1max為上層隔振器垂向最大變形，d2max為下層隔振器垂向最大變形，σmax為筏體最大局部應(yīng)力。

表1 筏體板材不同厚度時系統(tǒng)最大沖擊響應(yīng)

從圖4a)、4b)、4c)可以看出，在阻尼的作用下，浮筏系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)隨著時間逐漸衰減。從圖4d)可以看出，筏體(厚度20mm)最大局部應(yīng)力在下層隔振器與筏體面板相連部位，而上層隔振器與筏體面板相連部位的局部應(yīng)力相對較小。

由表1可知，隨著筏體厚度的增加，amax、d1max先減小后增大，而d2max逐漸增大，σmax逐漸減小。因此，單純增加筏體厚度，對系統(tǒng)的抗沖擊性能不一定有利，特別是從保護隔振器運行安全的角度出發(fā)。

對于該浮筏隔振抗沖系統(tǒng)，筏體質(zhì)量限定在4 t(質(zhì)量比為0.465)以下，上、下層隔振器極限變形能力分別為30和48 mm，垂向沖擊加速度限值為12.5g，筏體所用低磁性鋼屈服強度σ0.2≥494 MPa。筏體質(zhì)量應(yīng)達到發(fā)電機組質(zhì)量的30%以上，以確保足夠的剛性和機械阻抗，必要時還需敷設(shè)阻尼材料[7]。因此，筏體厚度采用20 mm比較合理，既給敷設(shè)阻尼材料留下了一定的余量，也具有良好的抗沖擊性能。

圖4 浮筏系統(tǒng)的垂向沖擊響應(yīng)(筏體厚度不同)

3.2 阻尼變化對抗沖擊性能的影響

在筏體厚度為20 mm時，用直接法計算系統(tǒng)的阻尼比分別為0.05、0.10、0.20和0.30時的浮筏系統(tǒng)沖擊響應(yīng)，分析其對抗沖擊性能的影響。阻尼不同時浮筏系統(tǒng)沖擊響應(yīng)曲線圖見圖5。系統(tǒng)最大沖擊響應(yīng)值見表2。

圖5 浮筏系統(tǒng)的垂向沖擊響應(yīng)(系統(tǒng)不同阻尼)

從圖5a)、b)、c)可以看出，隨著系統(tǒng)阻尼增大，響應(yīng)峰值向左平移，沖擊響應(yīng)的衰減幅度逐漸增大，并且響應(yīng)曲線越來越平滑。

由表2可知，隨著系統(tǒng)阻尼比的增加，d1max、d2max、σmax逐漸減小，而amax先減小后增大(阻尼比0.2時最小)。阻尼增大，能夠降低隔振器變形量和筏體應(yīng)力，但不一定能夠有效降低發(fā)電機組的最大加速度響應(yīng)。另外從隔振角度來看實用的最佳阻尼比為0.05～0.20[8]，因此系統(tǒng)的阻尼比調(diào)整到0.1～0.2之間。通過提高隔振器阻尼、在筏體敷設(shè)阻尼材料，能夠使浮筏隔振抗沖系統(tǒng)有更加良好的抗沖性能，特別是隔振器的變形安全余量更大。

表2 系統(tǒng)不同阻尼時浮筏隔振抗沖系統(tǒng)最大沖擊響應(yīng)

3.3 限位器間隙對抗沖擊性能的影響

筏體厚度20 mm，系統(tǒng)阻尼比為0.1時，沖擊作用下，上層隔振器最大變形為28.18 mm，接近許用限值(30 mm)。上層隔振器WHG-600自帶限位裝置，若要進一步限制上層隔振器的變形，可以啟用該限位裝置。該限位裝置剛度為5×106N/m，調(diào)整限位間隙分別為5、10、15、20 mm，進行非線性瞬態(tài)響應(yīng)分析，沖擊響應(yīng)最大值見表3。

系統(tǒng)在無限位時和上層限位間隙15 mm時的沖擊響應(yīng)對比見圖6。

從圖6a)、6b)、6c)可以看出，增加上層限位裝置后，響應(yīng)峰值向左偏移，雖然會使加速度響應(yīng)增大，但可以同時限制上層和下層隔振器最大變形。從圖6d)可以看出，增加限位裝置后，上層隔振器與筏體表面連接區(qū)域的應(yīng)力也比無限位器時有顯著增加。

表3 限位裝置不同間隙時浮筏隔振抗沖系統(tǒng)最大沖擊響應(yīng)

由表3中數(shù)據(jù)可以看出，限位器間隙對沖擊響應(yīng)有較大的影響。隨著間隙的增大，amax、d2max、σmax逐漸減小，d1max先減小后增大，說明增大上層限位器間隙可以防止機組受到較大的沖擊，并且降低下層隔振器的變形量，但間隙增大到一定程度后，就無法限制上層隔振器的變形量。由于垂向沖擊加速度限值為12.5g，筏體所用低磁性鋼屈服強度σ0.2≥494 MPa，因此將上層限位間隙設(shè)置在15-20 mm是比較合理的，能夠使隔振器的變形安全余量更大。

圖6 浮筏系統(tǒng)的垂向沖擊響應(yīng)(無限位器時與上層限位間隙15 mm時對比)

4 結(jié)論

從計算結(jié)果可以看出，筏體厚度、系統(tǒng)阻尼比對浮筏系統(tǒng)沖擊響應(yīng)影響較大，筏體厚度、系統(tǒng)阻尼比的變化對發(fā)電機組加速度響應(yīng)、上下層隔振器變形量、筏體應(yīng)力有著不同的影響規(guī)律，并不是越大越好，筏體厚度、系統(tǒng)阻尼比存在最優(yōu)值，可以使發(fā)電機組最大加速度響應(yīng)、隔振器最大變形量、筏體最大應(yīng)力都在許用范圍內(nèi)。

設(shè)置上層限位器可以同時限制上層和下層隔振器最大變形量，但發(fā)電機組的加速度響應(yīng)和筏體應(yīng)力會增大，因此需要選擇合理的間隙，確保各項最大沖擊響應(yīng)在許用范圍內(nèi)。但是對限位器分析不夠全面，該船用浮筏系統(tǒng)中上層限位器剛度的優(yōu)化及下層限位器的應(yīng)用還有待進一步分析。