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      艦船聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)剛度評估研究

      2014-07-18 11:51:12
      船舶 2014年2期
      關(guān)鍵詞:基座艦船基準(zhǔn)

      陳 輝

      (海軍駐滬東中華造船集團(tuán)有限公司軍事代表室 上海200129)

      艦船聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)剛度評估研究

      陳 輝

      (海軍駐滬東中華造船集團(tuán)有限公司軍事代表室 上海200129)

      采用計(jì)算機(jī)輔助空間有限元前后處理軟件(ViziCAD)對艦船聯(lián)合基座進(jìn)行三維建模,按照GJB/Z119-1999《水面艦艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法》對聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)在艦船正浮靜置、橫搖10°、縱傾5°三種狀態(tài)下進(jìn)行基座剛度仿真計(jì)算與分析。經(jīng)仿真計(jì)算表明:聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有足夠剛度,可滿足裝艦技術(shù)要求。

      計(jì)算機(jī)輔助空間有限元前后處理軟件;聯(lián)合基座;結(jié)構(gòu)剛度;評估

      引 言

      艦船聯(lián)合基座指將天文經(jīng)緯儀、慣性導(dǎo)航平臺、被試導(dǎo)航設(shè)備和變形測量裝置綜合在一個聯(lián)合的基座上,通過高精度變形測量裝置實(shí)時測量、記錄和顯示聯(lián)合基座上下平臺相對于基座平臺的縱橫向相對變形值,消除或減少船體變形對慣性導(dǎo)航設(shè)備系統(tǒng)精度的影響[1-2]。一般的導(dǎo)航設(shè)備基座加工與定位精度控制在3′~5′,而該聯(lián)合基座變形精度需控制在角秒級,從而使基座的設(shè)計(jì)、制造與上艦安裝等極為困難。

      本文采用ViziCAD軟件對聯(lián)合基座進(jìn)行建模,分別對艦船正浮靜置、橫搖10°、縱傾5°三種工況下進(jìn)行聯(lián)合基座剛度仿真計(jì)算,對相關(guān)部位的水平偏差值進(jìn)行評估,為聯(lián)合基座設(shè)計(jì)、制造與上艦安裝提供了重要的理論依據(jù)。

      1 聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)概況

      該聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)主要由上平臺、下平臺和四根連接支撐柱及相關(guān)附件組成。其中:上平臺為半徑約500 mm的圓形結(jié)構(gòu),下平臺為1 000 mm×1 800 mm 的長方帶橢圓形結(jié)構(gòu),支柱為四根直徑為108 mm 、長度約1 900 mm的鋼管結(jié)構(gòu)。在兩根支柱間、支撐柱與平臺間,可采用厚度為25 mm 的加強(qiáng)筋板連接。聯(lián)合基座上平臺板裝有天文經(jīng)緯基座,下平臺裝有前后兩個慣性導(dǎo)航主儀器基座以及中心處基準(zhǔn)檢驗(yàn)平臺板,其制造與加工總成要求如圖1所示。

      圖1 聯(lián)合基座總成圖

      2 結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算與分析

      聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算采用GJB/Z119-1999《水面艦艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法》以及ViziCAD 有限元結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)(Sap5程序超級版本)。聯(lián)合基座剛度計(jì)算與分析處理流程為:

      (1)利用SuperDrawⅡ模塊構(gòu)建三維模型,生成有限元網(wǎng)格并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲;

      (2)利用DecoDes模塊建立數(shù)據(jù)輸入文件;

      (3)通過SuperView 模塊校核有限元模型;

      (4)使用SSAP等相應(yīng)模塊進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算,觀察分析結(jié)果。

      2.1 計(jì)算模型

      2.1.1 單元劃分

      由于聯(lián)合基座剛度極大,其上、下平臺以及基準(zhǔn)平臺均為厚45 mm的B級碳素鋼板,因此,聯(lián)合基座計(jì)算模型采用了三維8節(jié)點(diǎn)四邊形單元劃分模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)??紤]到上平臺的M12×25固定螺栓孔尺度比一個劃分單元小,在建模時可忽略該螺栓孔對網(wǎng)格的影響。據(jù)此,聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)模型共劃分為2 427個單元,4 918個節(jié)點(diǎn)數(shù)。其模型如下頁圖2所示。

      圖2 聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)模型及部分單元劃分示意圖

      2.1.2 邊界條件

      由于聯(lián)合基座固有振動頻率比連接甲板處的基頻高,因此,可將剛度較小的連接甲板視為聯(lián)合基座的柔性吸振裝置。考慮到艦船靜水橫搖周期約為10 s,縱搖周期約為5 s,比甲板的基模態(tài)所對應(yīng)的周期大(不在一個數(shù)量級),因此,在橫搖、縱搖力的作用下,甲板連接處與聯(lián)合基座不會發(fā)生耦合諧振。為簡化計(jì)算,在實(shí)際建模時,考慮到聯(lián)合基座上平臺連接甲板處為縱向主向梁和橫向交叉構(gòu)件組成的加強(qiáng)板架結(jié)構(gòu),其等效剛度較大,故可將聯(lián)合基座上平臺與甲板連接處的邊界條件視為剛性固定處理[3-4],其計(jì)算結(jié)果更為保守。

      2.2 載荷工況

      對聯(lián)合基座下平臺設(shè)備安裝基座,采用在其質(zhì)心位置處施加設(shè)備集中載荷,同時將艦船搖擺產(chǎn)生的慣性力施加于聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)中作靜力分析,根據(jù)實(shí)際要求,分別對聯(lián)合基座靜置、橫搖10°、縱搖5°三種工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算與分析。

      2.2.1 靜置正浮工況

      考慮艦船正浮狀態(tài),僅計(jì)及基座結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及安裝設(shè)備及配載質(zhì)量。

      計(jì)算載荷:

      式中:Fxx、Fyy、Fzz為基座質(zhì)心處縱向、橫向及垂向力,kN;

      M 為基座質(zhì)量(含設(shè)備質(zhì)量),kg。

      2.2.2 橫搖10°工況

      計(jì)算載荷:

      式中:Y、Z 為基座至艦船質(zhì)心距離,m;

      為最大計(jì)算橫搖角,rad;TΦ

      為艦船靜水橫搖周期,s;R

      為艦船質(zhì)心軌跡半徑,m。

      2.2.3 縱搖5°工況

      計(jì)算載荷:式中:X為基座質(zhì)心至艦船質(zhì)心距離,m;

      θmax為最大計(jì)算縱搖角,rad ;Tθ為艦船靜水縱搖周期,s。

      2.3 剛度衡準(zhǔn)

      聯(lián)合基座剛度需滿足下列要求:

      (1)上、下平臺具有一定的設(shè)備承載能力,以減少測試儀器因重力而產(chǎn)生的變形;

      (2)在艦船橫搖不大于10°、縱搖不大于5°時,聯(lián)合基座整體結(jié)構(gòu)變形量要求小于10″;

      (3)上平臺天文經(jīng)緯儀基座安裝面相對于下平臺中心處的水平基準(zhǔn)平臺的水平精度不大于30″;

      (4)下平臺上兩個慣性主儀器安裝面相對于中心處的水平基準(zhǔn)平臺水平精度不大于30″。

      3 計(jì)算結(jié)果分析

      假定每個節(jié)點(diǎn)只有x、y、z三個方向平移變形,在x、y向的位移只是引起平臺水平轉(zhuǎn)動。由于聯(lián)合基座上、下平臺板每個節(jié)點(diǎn)的三個轉(zhuǎn)動自由度受到約束,各節(jié)點(diǎn)的三個自由度中x、y向的位移比劃分單元尺寸要小得多,因此,對繞x、y平面中某一線為軸轉(zhuǎn)動角度的影響較小,即對平臺偏離水平面的角度改變的影響較小。在計(jì)算結(jié)果分析中,可提取相應(yīng)位置單元的各節(jié)點(diǎn)的z向位移作進(jìn)一步分析。

      在計(jì)算結(jié)果中,提取需校核水平度的位置單元的各節(jié)點(diǎn)z向位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,分別對應(yīng)于上平臺天文經(jīng)緯儀、下平臺基準(zhǔn)平臺板以及安裝慣性導(dǎo)航主儀器設(shè)備基座處結(jié)構(gòu)單元,其對應(yīng)變形位移顯示如圖3所示。

      圖3 聯(lián)合基座變形示意圖

      根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)可按下列原理求得偏離水平面的角度:

      設(shè)有兩個節(jié)點(diǎn)A(x1,y1,z1)和B(x2,y2,z2)在同一水平面內(nèi),兩個節(jié)點(diǎn)在三個自由度上的變形分別為(dx1,dy1,dz1)和(dx2,dy2,dz2)。由于A、B在同一水平面上,則兩個節(jié)點(diǎn)變形后A1B1相對于同一水平面的偏離角度α如圖4所示:

      圖4 兩個節(jié)點(diǎn)水平偏移角度示意圖

      在直角三角形A1B1P中可知:

      對于聯(lián)合基座上平臺天文經(jīng)緯儀基座、下平臺基準(zhǔn)平臺板、下平臺左右基座等四部分結(jié)構(gòu)處于同一水平面上節(jié)點(diǎn)均按上述原理計(jì)算出任意兩個節(jié)點(diǎn)相對水平轉(zhuǎn)角α,取其極大值作為結(jié)構(gòu)偏差水平面角度,據(jù)此編制處理程序,得到相應(yīng)部位的變形量計(jì)算結(jié)果如下頁表1所示。

      表1 不同工況變形計(jì)算值

      則相對下平臺基準(zhǔn)板最大變形如表2所示:

      表2 不同工況相對下平臺基準(zhǔn)變形值

      4 結(jié) 論

      通過聯(lián)合基座建模與仿真計(jì)算表明:聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有足夠剛度,并將重力和慣性力等引起的變形量控制在一定范圍,滿足裝艦要求。經(jīng)分析,聯(lián)合基座結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生在縱搖5°的工況下,此時,下平臺前后基座最大變形值約為3.84″,上平臺天文經(jīng)緯儀相對于下平臺基座平臺板最大變形量約為1.06″。針對聯(lián)合基座上平臺天文經(jīng)緯儀基座、下平臺慣性導(dǎo)航設(shè)備主儀器基座以及基準(zhǔn)檢驗(yàn)平臺等具有極高精度要求的安裝基面,可通過制定合理的結(jié)構(gòu)焊接與制造工藝、機(jī)械加工工藝以及船臺(塢)安裝工藝,滿足該聯(lián)合基座裝艦技術(shù)要求。

      [1] 鄭梓禎,蔡迎波.艦船導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn)與鑒定[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.

      [2] 周金亮,趙巖峰.艦船變形研究[J].艦船電子工程,2010(5):198-200.

      [3] 孫麗萍.船舶結(jié)構(gòu)有限元分析[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2004.

      [4] (俄羅斯)O.M.帕利.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)手冊[M].徐秉漢,譯.北京:國防工業(yè)出版社,2002.

      Research on evaluation of structure rigidity of shipborne combined foundation

      CHEN Hui
      (Naval Military Representative Office Stand in Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

      This paper establishes a three dimensions model for shipborne combined foundation by VIZICAD software. According to GJB/Z119-1999《Structural design & Calculation for surface ship》, the foundation rigidity is simulated and analyzed for the combined foundation structure under the condition of floating at the static position, rolling at 10°°and pitching at 5°. The results show that the rigidity of the combined foundation structure is sufficient to meet the shipment technology requirement.

      ViziCAD; combined foundation; structure rigidity; evaluation

      U663.7

      A

      1001-9855(2014)02-0049-05

      2014-01-24;

      2014-02-14

      陳 輝(1967-),男,工程師,主要從事艦船裝備總體監(jiān)造工作。

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