拖曳式聲納收放架抗沖擊能力時域分析

馮麟涵，黃　鑫，溫肇東，計　晨（.海軍裝備研究院，北京006；.沈陽工業(yè)大學機械工程學院，沈陽0870）

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拖曳式聲納收放架抗沖擊能力時域分析

馮麟涵1，黃鑫2，溫肇東1，計晨1
（1.海軍裝備研究院，北京100161；2.沈陽工業(yè)大學機械工程學院，沈陽110870）

摘要：收放架用于收、放及拖曳聲納，是保障聲納等重要設備進行正常探測能力的重要裝置，其抗沖擊性能目前研究得較少。為研究拖拽式聲納收放架的抗沖擊能力，采用時域模擬法分別對不同工作狀態(tài)下收放架進行沖擊校核，分析結果表明：收放架能夠滿足不同工作狀態(tài)下抗沖擊要求，但是在收回聲納過程中，收放架受到垂向沖擊時底座定位孔處局部應力峰值已接近材料的許用應力，需進行強化處理。同時研究推進系統及頭架系統的齒輪箱、電機機構加速度響應規(guī)律，結果表明：懸掛式安裝的設備在沖擊過后會出現振蕩現象，造成加速度響應峰值甚至會超過沖擊過程中響應峰值。

關鍵詞：振動與波；收放架；抗沖擊能力；時域分析；沖擊響應；振蕩

收放架安裝在艦船尾座甲板，用于承擔聲納的收、放及水下探測時的拖曳任務，是保障聲納進行正常探測能力的裝置。海戰(zhàn)中，不可避免地遭受多種形式的沖擊。因此，有必要對其在工作狀態(tài)下的抗沖擊性能進行研究。

目前，艦用設備抗沖擊性能計算方法有靜態(tài)等效法，動力設計分析方法(DDAM)和時域動態(tài)分析方法［2］，在考慮大量的非線性效應時，時域動態(tài)分析方法是當前國內外普遍采用的一種計算方法。國內學者運用時域動態(tài)分析方法也開展了大量設備沖擊響應研究工作，但有關正確模擬設備結構和部件間接觸關系仍為該領域研究的熱點和難點問題［3–7］。

建立某艦用收放架的有限元模型，對模型進行沖擊響應時域計算，可知收放架在工作過程中受沖擊時的薄弱環(huán)節(jié)，并得到主要部件的沖擊響應特性，旨在為進一步的沖擊試驗提供理論依據。

1　收放架計算模型

1.1收放架工作狀態(tài)

收放架主要由底座、推進系統、旋轉支架、伸縮系統和頭架五部分組成，具有吊起、拖曳、收回三種工作狀態(tài)。初始狀態(tài)時，聲納位于收放架底座，推進系統將推進臺通過定位銷固定在1號定位孔；聲納吊起，推進系統驅動推進臺移動到底座導軌3號定位孔，經定位銷固定，伸縮系統液壓缸、伸縮臂伸長到最大位置完成第一種工作狀態(tài)。此時，收放架工作空間達到最大；聲納在水中探測時，為保證收放架的穩(wěn)定性，液壓缸、伸縮臂都處于收縮狀態(tài)，推進系統驅動推進臺移動至底座2號定位孔，經定位銷固定，完成第二種工作狀態(tài)；聲納收回時的狀態(tài)為第三種工作狀態(tài)。

1.2收放架有限元模型

利用HYPERMESH前處理軟件建立收放架在工作狀態(tài)下的有限元模型，采用高精度六面體單元進行網格劃分共生成235 935單元、335 916節(jié)點。其中收放架底座、支架、頭架為固定件，液壓缸、旋轉支架、伸縮臂為運動件，液壓缸缸體、旋轉支架及伸縮臂與支架之間創(chuàng)建轉動約束，液壓缸體與活塞桿、伸縮臂與伸縮臂體之間創(chuàng)建移動約束，支撐滾輪與底座導軌之間創(chuàng)建滾動約束。

圖1為第一種工作狀態(tài)下收放架有限元模型，圖2為其余兩種工作狀態(tài)下收放架有限元模型。第二、三種工作狀態(tài)下收放架有限元模型不同之處在于F的大?。ǚ謩e定義為F2、F3）不同。其中F1為聲納的重量，F2、F3分別為聲納在水中探測時及收回時的拖曳力，且F2

圖1　第一種工作狀態(tài)下收放架有限元模型

圖2　其余兩種工作狀態(tài)下收放架有限元模型

2　收放架的沖擊載荷

由于收放架有限元模型中含有大量的接觸非線性，不適合運用頻域抗沖擊分析方法進行分析計算，故采用時域抗沖擊計算方法對收放架模型進行分析計算。首先確定沖擊載荷輸入，然后分別在垂向、橫向和縱向3個方向對收放架進行沖擊響應仿真計算。水下非接觸爆炸時，沖擊載荷通過有限連接途徑傳遞到設備本體，最大沖擊載荷為垂向[8]，因此相關標準規(guī)范規(guī)定的沖擊載荷垂向載荷最嚴苛[9]，故以垂向沖擊為例研究收放架在三種工作狀態(tài)下的沖擊響應特性。

2.1沖擊載荷輸入

實際水下爆炸所發(fā)生的沖擊激勵是不規(guī)則的、較為復雜的沖擊力或沖擊加速度，校核設備的抗沖擊能力需要標準的沖擊載荷。目前較為常用的是將實際沖擊激勵轉化為設計沖擊譜[8]，根據標準轉化為時域加速度載荷，使其能接近于機電設備的實際安裝使用環(huán)境。

未給出譜位移值情況下，一般采用正弦波加載，時域沖擊信號如圖3所示。表1給出垂向沖擊時加速度時歷曲線參數取值，其中A1為加速度峰值，t1為沖擊時間，t2為自由振動時間。

表1　垂向沖擊時加速度時域參數

圖3　時域沖擊信號

根據實際情況，收放架與甲板基座之間無彈性抗沖裝置，故在抗沖擊計算中認為其屬于剛性邊界條件，沖擊加速度載荷將直接施加于收放架底座?？紤]到收放架在工作狀態(tài)下受到拖曳力作用，故對收放架在承受工作載荷狀態(tài)下進行沖擊能力校核。

3　仿真計算結果分析

3.1不同工作狀態(tài)下收放架應力分布

對三種工作狀態(tài)下收放架的垂向抗沖擊性能進行校核，現提取某典型時刻收放架的應力分布云圖如圖4所示。由圖可知，第一種工作狀態(tài)下，收放架的應力較大區(qū)域發(fā)生在底座支撐滾輪及旋轉支架伸縮臂處；第二、三種工作狀態(tài)下，收放架應力較大區(qū)域發(fā)生在底座定位孔處。

第一種工作狀態(tài)為聲納吊起并入水過程，為使工作空間最大化，收放架各伸縮臂均伸長到最大位置，支撐滾輪不僅要承受收放架自身一部分重量，還要承受來自聲納的傾覆力矩，造成支撐滾輪與底座導軌接觸區(qū)域承受較大應力。第二、三種工作狀態(tài)下，底座上固定推進系統的定位孔承載著來自聲納的拖拽力，造成定位銷及定位孔的接觸區(qū)域產生較大應力，且拖曳力越大，該區(qū)域產生的應力就越大。

圖4　第一種工作狀態(tài)收放架應力分布

參照相關標準可知，對于沖擊安全為A級的設備，沖擊載荷引起的應力不得超過靜態(tài)屈服極限，即

式中σmax為校核單元Mises應力峰值( MPa)；[σ]為許用應力(MPa)。

為形象表述垂向沖擊時收放架各主要部件的抗沖擊能力，表2給出三種工況下收放架主要部件應力響應最大值與屈服應力之比。由表中比值可知，收放架各部件均能滿足垂向抗沖擊要求，但在第三種工況下，底座局部區(qū)域應力響應峰值已接近材料的屈服極限，為收放架的危險區(qū)域，應進行強化處理以提高其強度。同時，對比第2、3種工況發(fā)現，隨著拖曳力增大，各部件應力峰值呈明顯上升趨勢，但應力峰值出現的區(qū)域基本相同。

表2　垂向沖擊下的應力最大值/屈服應力

3.2收放架簡化部件沖擊響應分析

在不考慮部件內部沖擊傳遞關系時，為提高計算效率，通常對齒輪箱、電機等復雜模型內部結構進行簡化處理，此時，通過分析應力分布情況已不能反映抗沖擊性能。故通過分析此類機構加速度響應評價抗沖擊性能，并根據安裝基礎的響應擬定合理的沖擊環(huán)境以便進一步的沖擊實驗校核。

圖5—圖8為三種工況下垂向沖擊時推進系統齒輪箱、推進電機、頭架齒輪箱、頭架電機加速度響應。由圖可知，收放架在受到垂向沖擊時，推進系統齒輪箱、推進電機、頭架齒輪箱、頭架電機加速度響應均出現明顯的峰值，且峰值隨著拖曳力增大明顯增大，加速度響應周期與機構的位置有關，工作狀態(tài)相同時，響應周期不發(fā)生改變。

圖5　第二種工作狀態(tài)收放架應力分布

圖6　第三種工作狀態(tài)收放架應力分布

圖7　三種工況下推進系統齒輪箱加速度響應

圖8　三種工況下推進電機加速度響應

對比分析圖5和圖7發(fā)現，機構安裝方式不同時，加速度響應規(guī)律發(fā)生明顯的變化，對于懸掛式安裝的頭架齒輪箱在沖擊過后會出現振蕩現象，不易進入穩(wěn)定狀態(tài)，而固定在推進臺上的推進系統齒輪箱加速度響應呈逐漸衰減趨勢。

圖9　三種工況下頭架齒輪箱加速度響應

圖10　三種工況下垂向沖擊時頭架電機加速度響應

4　結語

(1)聲納吊起時，應力較大區(qū)域出現在底座支撐滾輪及旋轉支架伸縮臂端部；而聲納拖拽、收回時，收放架最大應力出現在底座導軌定位孔接觸區(qū)域。由此可見，沖擊時最大應力發(fā)生區(qū)域與收放架的工作狀態(tài)有關。

(2)機構安裝方式不同時，加速度響應規(guī)律發(fā)生明顯的變化，對于懸掛式安裝的頭架齒輪箱在沖擊過后會出現振蕩現象，不易進入穩(wěn)定狀態(tài)，而固定在推進臺上的推進系統齒輪箱加速度響應呈逐漸衰減趨勢。

(3)推進系統齒輪箱、推進電機、頭架齒輪箱、頭架電機加速度響應均出現明顯的峰值，峰值隨著拖曳力增大明顯增大，加速度響應周期與機構的位置有關，工作狀態(tài)相同時，響應周期不發(fā)生改變。

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Time-domain Analysis of Shock Resistance Ability of Retractable Equipment of Towed Sonars

FENG Lin-han1, HUANG Xin2, WEN Zhao-dong1, JI Chen1
（1. Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China; 2. School of Mechanical Engineering, Shengyang University of Technology, Shenyang 110870, China）

Abstract:The retractable equipment used for winding and towing sonars is an important equipment to guarantee the normal working condition of the sonar and the other important equipment. In this paper, the shock resistance ability of the retractable equipment was simulated in time- domain under different working conditions. The results show that the retractableframecan meet theanti-shock requirement under different working condition, but in thesonar recovery process, the peak value of the stress near the located hole on the base is close to the allowable stress, thus, the hole needs to be reinforced. Then, the acceleration responses of the propulsion system and the headstock system were studied. The results show that the suspended equipment can yield a secondary oscillation phenomenon, which can cause the peak response accelerationtoexceedthat duringtheshock.

Key words:vibration and wave; retractableequipment; shock resistanceability; time-domain analysis; shock response; oscillation

作者簡介：馮麟涵（1982-），女，河北省石家莊市人，工程師，主要研究方向為艦載設備抗沖擊。E-mail:fenglinhan1225@163.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51209215)

收稿日期：2015-06-10

文章編號：1006-1355(2016)02-0080-04

中圖分類號：O422.6

文獻標識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.017