水下爆炸沖擊作用下艦船管路動(dòng)響應(yīng)研究

丁建軍 張忠宇 田昭麗 宋 瑩

（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱 150001）

0 引 言

諸多戰(zhàn)例和實(shí)船水下爆炸試驗(yàn)情況表明，艦艇在遭受較強(qiáng)的水下爆炸攻擊之后，盡管有可能保持船體結(jié)構(gòu)完整，但會(huì)由于內(nèi)部設(shè)備受到損傷而喪失生命力和戰(zhàn)斗力［1］。沖擊作用下，船內(nèi)設(shè)備比船體結(jié)構(gòu)更為敏感，可能因?yàn)檩^大的加速度或者位移產(chǎn)生損壞［2］。設(shè)備損傷已成為艦船抗沖擊問題的薄弱環(huán)節(jié)，而管路的抗沖擊能力就是保障船體內(nèi)部設(shè)備功能的關(guān)鍵前提。管路系統(tǒng)的沖擊破壞是一個(gè)不容忽視的問題，有必要深入開展管路在水下爆炸沖擊載荷作用下的響應(yīng)研究。

相對(duì)于水下爆炸載荷、船舶整體強(qiáng)度、船體板架和設(shè)備抗沖擊等問題而言，針對(duì)管路的研究還不夠深入和廣泛。目前，國內(nèi)的研究主要基于理論推導(dǎo)

有限元方法以其經(jīng)濟(jì)性和可操作性注定其在船舶結(jié)構(gòu)、設(shè)備及管系抗沖擊研究方面具有不可比擬的優(yōu)越性。有限元方法讓工程師從繁重的編程任務(wù)中解脫出來，是進(jìn)行工程數(shù)值計(jì)算研究的利器。本文基于商用有限元軟件對(duì)大型船舶的輸氣管路進(jìn)行抗沖擊計(jì)算研究，分析管路沖擊動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。

1 計(jì)算模型

本文所研究的是船體內(nèi)部管路結(jié)構(gòu)，模型選自萬噸級(jí)散貨船的機(jī)艙排氣和壓縮空氣系統(tǒng)。管路系統(tǒng)的支座布置則是參照《船舶管系布置和安裝工藝要求》里面的要求［6］，法蘭、閥門等以質(zhì)量塊的形式加在管路上。本文只考慮結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的作用，不考慮熱效應(yīng)以及管內(nèi)壓力。

圖1為管系原理圖，左側(cè)紅色線條表示壓縮空氣管路，右側(cè)表示排氣管路。圖2為管系有限元模型示意圖。本文主要研究管路與設(shè)備之間的連接強(qiáng)度問題，將氣瓶、增壓鍋爐和主機(jī)等設(shè)備在模型中定義成為剛體，設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗沖擊問題暫

圖1 管系原理圖

不考慮。管路模型主要尺寸如表1所示。

對(duì)管路采用實(shí)體建模，先在ANSYS軟件中建立幾何模型。為了獲得較好的有限元網(wǎng)格，在HyperMesh軟件中對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了保證模型網(wǎng)格的質(zhì)量，彎頭、三通等幾何復(fù)雜的區(qū)域采用三角形網(wǎng)格，其余規(guī)則的區(qū)域則用四面體網(wǎng)格掃略而成，最終模型共有41 612個(gè)單元。

一般對(duì)設(shè)備的抗沖擊評(píng)估有靜態(tài)等效法、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析法（DDAM）和時(shí)域模擬法［7］。本文采用時(shí)域模擬法對(duì)管路進(jìn)行分析，管路載荷的施加選用多點(diǎn)沖擊譜分析方法，并以BV0430-85校核設(shè)備最嚴(yán)的工況對(duì)其加載。典型的沖擊譜曲線示意圖如圖3所示，由等位移、等速度和等加速度三段曲線組成。

圖3 典型設(shè)計(jì)沖擊譜

基于BV0430-85艦艇建造規(guī)范，按照（1）式將沖擊譜轉(zhuǎn)換為等效的時(shí)域加速度歷程曲線。

設(shè)計(jì)沖擊譜等效加速度時(shí)歷曲線，如圖4所示，由正負(fù)兩個(gè)脈沖組成。正脈沖加速度峰值大，持續(xù)時(shí)間短，負(fù)脈沖加速度峰值小，持續(xù)時(shí)間長。正脈沖面積為V2，兩個(gè)脈沖的面積相等，致使基礎(chǔ)最終速度為0。a2和t3為正脈沖的加速度峰值和脈寬；a4為負(fù)脈沖的峰值；t5-t3為負(fù)脈沖的脈寬。

圖4 設(shè)計(jì)沖擊譜等效加速度時(shí)歷曲線

2 結(jié)果分析

模型共有四種尺寸的管路，每種類型的管路都取典型區(qū)域的節(jié)點(diǎn)和單元設(shè)置考核點(diǎn)，定義歷史變量輸出，以便分別對(duì)管路的加速度、應(yīng)力、位移響應(yīng)進(jìn)行分析。圖5為模型壓縮空氣管和排氣管上代表性節(jié)點(diǎn)的加速度曲線。

圖5 管路典型節(jié)點(diǎn)垂向加速度曲線

從圖5的曲線可以看出，管路的加速度曲線呈現(xiàn)出明顯的周期性，圖（a）、（c）、（d）都有清晰的波形，圖（b）則是一系列的高頻振動(dòng)。管路模型不同部位的節(jié)點(diǎn)加速度曲線差別很大：在管徑、壁厚比較大的管路，管路的加速度響應(yīng)比較劇烈，幅值大、頻率高；剛度較小的地方則呈現(xiàn)出頻率、幅值都較低的趨勢(shì)。

圖6為管路模型加速度響應(yīng)與管路外徑管系曲線?？梢钥闯?，小管徑上出現(xiàn)很大的加速度響應(yīng)，隨著管徑的增大，加速度峰值迅速衰減。管路模型中加速度響應(yīng)較大者出現(xiàn)在細(xì)小的管路，評(píng)估管系的抗沖擊性能時(shí)應(yīng)著重考核相對(duì)細(xì)小的管路?，F(xiàn)行的《支吊架布置規(guī)范》在細(xì)小管路的支吊架布置方面應(yīng)改進(jìn)。

圖6 管路加速度與外徑關(guān)系曲線

圖7為管系應(yīng)力云圖。從中可以看出，在彎頭和三通區(qū)域顏色較深，都是出現(xiàn)較大應(yīng)力集中的區(qū)域。整個(gè)模型的最大應(yīng)力出現(xiàn)在異徑三通處，達(dá)到196 MPa，超過了材料的靜態(tài)屈服極限，管路出現(xiàn)塑性破壞。對(duì)照?qǐng)D1，可以看出在安裝管系附件的附近都會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，這是由于管路模型的整體響應(yīng)與文獻(xiàn)［1］描述一致。

圖7 管系應(yīng)力響應(yīng)云圖

圖8與 圖9分別為沖擊載荷作用下排氣管單元的Von Mises應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變PEEQ曲線。

圖8 單元Von Mises應(yīng)力曲線

圖9 單元等效塑性應(yīng)變曲線

材料發(fā)生屈服，模型局部產(chǎn)生了少量塑性應(yīng)變?？梢园l(fā)現(xiàn)單元是在載荷作用后很快產(chǎn)生塑性變形，然后保持一定的水平不再增加；管路塑性變形的產(chǎn)生是在載荷作用后的瞬間，幾個(gè)周期后，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)迅速衰減；而局部是由于管路的大幅運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生塑性變形。

如下頁圖10所示，細(xì)管在沖擊載荷的作用下出現(xiàn)較大的彎曲。盡管塑性變形小于管路自身結(jié)構(gòu)突變處產(chǎn)生的變形，但是也可能使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性破壞，所以在管路抗沖擊評(píng)估時(shí)應(yīng)著重考慮管路的截面突變區(qū)域及細(xì)長管段的強(qiáng)度。在細(xì)管上盡量少布置諸如閥門、法蘭等會(huì)給管路帶來集中質(zhì)量的元器件，防止管路在沖擊作用下的應(yīng)力集中。此外，現(xiàn)行規(guī)范約定的管路支吊架布置間距可能不能滿足管路的抗沖擊設(shè)計(jì)，導(dǎo)致細(xì)管在支座間由于較大的彎曲變形而產(chǎn)生塑性變形。

下頁圖11為模型位移曲線。從圖中可以看出，主機(jī)在沖擊載荷作用下不會(huì)產(chǎn)生明顯的共振，其他設(shè)備的振動(dòng)頻率在10 Hz左右，壓縮空氣管路約為20 Hz，排氣管 （外徑1 312 mm）由于自身管徑和壁厚比較大，振動(dòng)頻率比較低。整體上看，管路振動(dòng)頻率明顯高于設(shè)備的振動(dòng)頻率，管路與設(shè)備的連接處會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移。細(xì)長的管路要避免運(yùn)動(dòng)幅度過大，防止與其他結(jié)構(gòu)產(chǎn)生碰撞。

圖10 管路不同時(shí)刻的變形云圖

圖11 模型位移曲線

3 結(jié) 論

本文基于有限元軟件對(duì)船舶壓縮排氣管路在水下爆炸沖擊載荷作用下的響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬。應(yīng)用時(shí)域分析方法分析，載荷選自BV0430-85校核設(shè)備的最大沖擊環(huán)境。通過對(duì)模型動(dòng)響應(yīng)的研究得出以下結(jié)論：

（1）管路應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中在彎頭和三通區(qū)域，響應(yīng)峰值在沖擊作用后的幾個(gè)周期內(nèi)，然后迅速衰減；閥門、法蘭等附件的安裝處會(huì)由于集中質(zhì)量大而產(chǎn)生較大的慣性力，引起局部的管路應(yīng)力集中較大，容易造成連接處破壞。

（2）管路與設(shè)備連接處在受到?jīng)_擊作用后的振動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，需要加裝補(bǔ)償相對(duì)位移的彈性元器件。

（3）相對(duì)細(xì)小的管路是整個(gè)管系的薄弱環(huán)節(jié)，建議在評(píng)估管系的抗沖擊性能時(shí)著重考察。

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