DDAM與SRS對(duì)艦船甲板設(shè)備抗沖擊考核對(duì)比研究

劉領(lǐng)先,姜 濤,唐衛(wèi)平,周方毅

(1.91458部隊(duì)裝備部,海南 三亞 572000;2.海軍潛艇學(xué)院裝備處,山東 青島 266071)

0 引 言

美國(guó)海軍為了考核評(píng)估艦船設(shè)備的抗沖擊能力,由沖擊反應(yīng)譜法(SRS)發(fā)展得到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法(DDAM)。結(jié)構(gòu)慣性力與基礎(chǔ)輸入之間的相互作用會(huì)顯著改變所得到的譜,出現(xiàn)在反應(yīng)譜中的這一變化被稱為譜跌。DDAM方法考慮了艦船設(shè)備的彈性基礎(chǔ)對(duì)沖擊譜的譜跌效應(yīng),并且將譜跌體現(xiàn)在設(shè)計(jì)譜值中[1-2]。國(guó)內(nèi)開展了DDAM方法對(duì)浮筏設(shè)備進(jìn)行抗沖擊分析的應(yīng)用[3]。本文以水面艦艇甲板安裝設(shè)備典型結(jié)構(gòu)支架-箱體結(jié)構(gòu)為例,分別應(yīng)用DDAM分析方法和SRS方法對(duì)其進(jìn)行抗沖擊考核分析。研究的結(jié)論可用于艦船設(shè)備抗沖擊考核規(guī)范的制定。

1 模態(tài)質(zhì)量的概念

模態(tài)質(zhì)量是DDAM方法的核心概念之一。關(guān)于模態(tài)質(zhì)量的概念,國(guó)內(nèi)部分學(xué)者認(rèn)為其是DDAM方法發(fā)展過(guò)程中發(fā)展而來(lái)的概念,對(duì)其物理含義理解上存在偏差。該概念是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域計(jì)算結(jié)構(gòu)基底剪力時(shí)得到的概念,稱為基底剪力有效振型質(zhì)量[4]。現(xiàn)將這一概念作簡(jiǎn)單推導(dǎo)。由模態(tài)疊加法,第n階振型引起的反應(yīng)為

為了得到模態(tài)質(zhì)量的概念,計(jì)算基底剪力

應(yīng)用SRS和DDAM方法,即利用式(1)計(jì)算各階振型反應(yīng)峰值,再選取合適的振型組合規(guī)則,如CQC規(guī)則,SRSS規(guī)則,NRLSUM規(guī)則等,估算結(jié)構(gòu)總反應(yīng)的峰值。二者的不同在于DDAM方法在依據(jù)沖擊設(shè)計(jì)譜選取An(t)數(shù)值時(shí),考慮了結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間的相互作用引起的譜跌,根據(jù)美國(guó)海軍提供的經(jīng)驗(yàn)公式確定譜值。

2 物理模型的建立

選取支架-箱體結(jié)構(gòu),如導(dǎo)彈發(fā)射裝置,作為典型的水面艦艇甲板設(shè)備安裝形式,進(jìn)行抗沖擊的分析。應(yīng)用Ansys有限元程序,建立物理模型?？紤]到支架與箱體自身的柔度以及箱體與支架連接的特點(diǎn),支架與箱體之間的連接簡(jiǎn)化為剛性連接,應(yīng)用MPC(多點(diǎn)約束)單元模擬。箱體為鋁合金材料,材料許用應(yīng)力210 MPa。箱體應(yīng)用SHELL單元模擬,支架應(yīng)用BEAM單元模擬。箱體和架體的總質(zhì)量為5366.2 kg。

3 DDAM對(duì)設(shè)備抗沖擊考核

DDAM沖擊輸入由經(jīng)驗(yàn)公式確定輸入譜值,具體要求見表1[5]。

對(duì)于甲板安裝的設(shè)備:

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式中:AF,AA,AB,AC,VF,VA,VB,VC為經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù);ma為設(shè)備的模態(tài)質(zhì)量;Aa和Va分別為設(shè)計(jì)加速度譜值和速度譜值。按照美國(guó)海軍NAVSEA 0908-LP-000-3010文件要求,參與計(jì)算的模態(tài)質(zhì)量要達(dá)到設(shè)備總質(zhì)量的90%以上[6]。表2為各向沖擊時(shí)參與計(jì)算的模態(tài)質(zhì)量分布情況。在Y方向上存在密集模態(tài)現(xiàn)象,但是所占比重不大,不影響整個(gè)計(jì)算結(jié)果。X方向和Z方向上沒有密集模態(tài)。

依據(jù)DDAM方法設(shè)計(jì)譜值選取的原則,分別計(jì)算了支架-箱體結(jié)構(gòu)的X方向(縱向)、Y方向(垂向)、Z方向(橫向)的沖擊響應(yīng)?？紤]到設(shè)備安裝于支架之上,箱體的沖擊環(huán)境能更好地體現(xiàn)設(shè)備的沖擊環(huán)境,所以這里僅描述箱體的峰值反應(yīng),而略去支架峰值響應(yīng)的表述。僅以Z方向沖擊為例,給出箱體的位移和應(yīng)力云圖,其他方向沖擊的結(jié)果在表3給出。

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由于大部分有限元軟件應(yīng)用DDAM方法時(shí)都需要使用美制 (inch-lbf·s2/inch-second)單位制,故mises應(yīng)力云圖中顯示的應(yīng)力單位為psi(磅力/平方英寸),位移響應(yīng)圖中的單位制為inch。結(jié)構(gòu)的Z方向位移最大值為0.61767 inch,換算為國(guó)際單位制為1.569 cm,位于箱體最高點(diǎn);結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力最大值為21587 psi,換算為國(guó)際單位制為149 MPa,應(yīng)力最大值位于箱體與支架連接處。

4 SRS方法對(duì)設(shè)備抗沖擊考核

應(yīng)用表1以及式(4)、式(5)的定義,取 ma=0,即DDAM規(guī)定的艦船自由場(chǎng)條件下的沖擊輸入作為SRS方法的輸入譜值,計(jì)算設(shè)備的沖擊響應(yīng)。僅以Z方向沖擊為例,給出箱體的位移和應(yīng)力云圖,其他方向沖擊的結(jié)果在表3給出。

箱體的Z方向位移響應(yīng)最大值為0.84318 inch,換算為國(guó)際單位制為2.142 cm,位于箱體最高點(diǎn);結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力最大值為30140 psi,換算為國(guó)際單位制為208 MPa,應(yīng)力最大值位于箱體與支架的連接處。

5 2種方法比較

為了考察2種方法考核艦船設(shè)備抗沖擊的差異,將各方向沖擊箱體的反應(yīng)峰值列于表3。

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SRS法計(jì)算的箱體沖擊反應(yīng)峰值要明顯大于DDAM分析方法,其比值分布在1.1～1.4的范圍內(nèi)。DDAM方法考慮了譜跌因素,而SRS算法忽略了這一因素,導(dǎo)致其定義的沖擊環(huán)境較設(shè)備實(shí)際承受的環(huán)境更加惡劣,設(shè)備實(shí)際并未承受如此大的沖擊,因此產(chǎn)生誤差。對(duì)比表2中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),振型反應(yīng)越集中于少數(shù)幾階振型,即單階模態(tài)質(zhì)量數(shù)值越大的方向,SRS計(jì)算結(jié)果與DDAM計(jì)算結(jié)果差別越大。這是因?yàn)槟B(tài)質(zhì)量越大,譜跌的幅度越大,SRS方法的誤差越大。其中X方向的沖擊結(jié)果表明,應(yīng)用SRS法計(jì)算的箱體最大Mises應(yīng)力為243 MPa,已經(jīng)超出箱體材料的許用應(yīng)力值;DDAM方法計(jì)算的結(jié)果為187 MPa,還在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)。由于SRS方法未考慮譜跌效應(yīng),人為提高了沖擊輸入。在本算例中,如果按照SRS方法計(jì)算的結(jié)果考核設(shè)備的抗沖擊性能,設(shè)備就要重新設(shè)計(jì),以提高其抗沖擊性能。實(shí)際上設(shè)備已經(jīng)滿足了抗沖擊指標(biāo),在此基礎(chǔ)上提高其抗沖擊能力,不可避免要造成設(shè)備研制費(fèi)用的增加,甚至導(dǎo)致設(shè)備研制任務(wù)的失敗。所以,在應(yīng)用SRS方法計(jì)算設(shè)備的抗沖擊時(shí),必須要考慮譜跌的影響。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文首先指出模態(tài)質(zhì)量與基底剪力有效振型質(zhì)量為同一個(gè)概念,模態(tài)質(zhì)量概念的物理意義與基底剪力有效振型質(zhì)量的物理意義相同。應(yīng)用SRS方法與DDAM方法考核甲板支架-箱體設(shè)備的抗沖擊性能。結(jié)果表明,設(shè)備的模態(tài)質(zhì)量越大,未考慮譜跌的SRS算法引起的誤差越大。本文中SRS法計(jì)算的設(shè)備峰值反應(yīng)是DDAM法的1.1～1.4倍。SRS算法由于沒有考慮譜跌因素,使其提出的設(shè)備抗沖擊指標(biāo)高于設(shè)備實(shí)際承受的沖擊。在應(yīng)用SRS法考核艦船設(shè)備抗沖擊性能時(shí),必須要考慮譜跌因素。本文的結(jié)論可用于艦船設(shè)備抗沖擊規(guī)范的制訂。

[1]汪玉,華宏星.艦船現(xiàn)代沖擊理論及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[2]Effect upon spectra of the dynamic reaction of structures[R].AD209366,1998.

[3]趙應(yīng)龍,何琳,呂志強(qiáng).應(yīng)用DDAM進(jìn)行船舶浮筏隔振裝置抗沖擊計(jì)算[J].工程力學(xué),2007,24(4):159-163.

[4]CHOPRA A K.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論及其在地震工程中的應(yīng)用[M].謝禮立,呂大剛,譯.北京:高等教育出版社,2005.

[5]O'HARA G J.Interim design values for shock design of shipboard equipment[R].AD348861.

[6]NAVSEA 0908-LP-000-3010,shock design criteria for surface ships.Naval Sea System Command,1976.