基于瞬態(tài)動力學(xué)仿真分析的某艦載發(fā)控儀機柜抗沖擊設(shè)計研究?

匡 銳 周海濤 王 迪 常凱程

（1.海軍駐昆明七〇五所軍事代表室 昆明 650101）（2.第705研究所昆明分部 昆明 650101）

1 引言

現(xiàn)代海軍隨著對抗強度的不斷升級，艦艇的設(shè)計除了考慮進(jìn)攻能力，還需要保證艦艇有一定的抗打擊與反擊能力，因此需要艦載設(shè)備能在強沖擊下保證功能正常。某新型艦載發(fā)控儀與原型號相比設(shè)備重量增加且重心發(fā)生了變化，但機柜在初樣機階段仍沿用了原設(shè)計，通過試驗證明該結(jié)構(gòu)抗沖擊性能不足，需進(jìn)行加強設(shè)計。針對艦載裝置的抗沖擊設(shè)計在經(jīng)歷了國內(nèi)外各類實驗及理論計算后，目前最常用的抗沖擊評估方法有三類，分別為靜G法，動態(tài)設(shè)計分析法（DDAM）和時域分析法［1］。這三類方法各有優(yōu)缺點，靜G法簡單便捷，但仿真選取的加速度值沒有較準(zhǔn)確的獲得方法，設(shè)計人員大多通過工程經(jīng)驗賦值，這就導(dǎo)致仿真結(jié)果與真實情況可能偏差較大；DDAM法是應(yīng)用美國海軍通過大量水下爆炸試驗總結(jié)出的沖擊譜曲線進(jìn)行的譜分析方法［2］，該方法同樣計算成本低，但較靜G法有更高的仿真準(zhǔn)確度，在國內(nèi)艦載裝置的抗沖擊設(shè)計中應(yīng)用最為廣泛［3］；時域分析法的輸入較為復(fù)雜，需要占用更多的計算時間成本，但該方法考慮了非線性因素的影響，能較真實地反映系統(tǒng)的動力學(xué)特征，同樣在艦船領(lǐng)域有較多應(yīng)用［4］。

瞬態(tài)動力學(xué)分析也是一種常用于仿真物體碰撞、沖擊等瞬時受力的方法，在機械結(jié)構(gòu)的沖擊仿真分析領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［5］。發(fā)控儀機柜的抗沖擊優(yōu)化設(shè)計因為有初樣機抗沖擊試驗的實際加速度參數(shù)采集，故而能夠更加精準(zhǔn)地得出機柜受沖擊時的加速度譜，以此為指導(dǎo)進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析將能更真實地反映機柜抗沖擊時的受力情況，因此本文采用了該方法對機柜進(jìn)行仿真分析對比優(yōu)化。

2 問題分析與改進(jìn)設(shè)計

2.1 抗沖擊受力分析

發(fā)控儀在艦內(nèi)的安裝方式如圖1所示，由圖可知，發(fā)控儀機柜與艦艇并未直接連接，機柜底部通過四個角上的隔振器與艦艇甲板連接，機柜上部的背面同樣有兩個隔振器與艙壁連接，故而艦艇受沖擊時垂直沖擊載荷將通過底部隔振器傳遞至機柜上，橫向搖擺將由背部隔振器進(jìn)行緩沖。本文通過第一次試驗采集的機柜受沖擊時加速度時域曲線可知，機柜受底部錘擊時，經(jīng)過隔振器緩沖后仍有約30%的沖擊載荷傳遞至機柜。因此，結(jié)構(gòu)強化的目標(biāo)是確保機柜結(jié)構(gòu)各部位在受該部分沖擊載荷作用時應(yīng)力不超過強度極限。

發(fā)控儀柜體為ZAlSi7MgY鋁合金鑄造形成，材料屬性如表1所示。

圖1 發(fā)控儀機柜柜體安裝示意圖

表1 柜體材料屬性

2.2 抗沖擊分析方法

機柜受沖擊的問題屬于典型瞬態(tài)動力學(xué)，沖擊時系統(tǒng)滿足以下關(guān)系：

式中，［K］為剛度矩陣，［R］為阻尼矩陣，［M］為質(zhì)量矩陣，｛u｝為各節(jié)點位移，{u'}即速度，{u''}為加速度，｛P｝為各節(jié)點外作用力，｛I｝為各節(jié)點內(nèi)作用力。由此可知，若不考慮阻尼的衰減作用，某節(jié)點受沖擊時位移變形量與結(jié)構(gòu)剛度和加速度大小直接相關(guān)，瞬態(tài)動力學(xué)可通過試驗時所得機柜加速度變化曲線計算出速度激勵載荷進(jìn)行加載，最終得到應(yīng)力時變歷程。

機柜初樣機沖擊試驗時的加速度變化曲線如圖2所示，經(jīng)積分運算后得到機柜速度激勵載荷曲線如圖3所示，最大速度可達(dá)2.65m/s。

圖2 機柜加速度變化曲線圖

圖3 柜體速度載荷曲線

根據(jù)GJB1060.1-1991設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)發(fā)控儀機柜使用環(huán)境、設(shè)備類型及抗沖擊等級，有以下設(shè)計輸入關(guān)系：

式中，A0為基準(zhǔn)加速度，單位為m/s2；V0為基準(zhǔn)速度，單位為m/s，此基準(zhǔn)是參照各類試驗和考慮安全余量后得出的，常作為時域模擬法仿真計算的設(shè)計輸入。ma為設(shè)備參與沖擊響應(yīng)的模態(tài)質(zhì)量。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定參與分析的設(shè)備模態(tài)質(zhì)量不低于設(shè)備質(zhì)量的80%，包含模態(tài)質(zhì)量大于10%的模態(tài)，故而機柜模態(tài)總質(zhì)量取為ma=0.3×0.8=0.24（t）。

根據(jù)BV043/85聯(lián)邦德國國防軍艦建造規(guī)范在時域沖擊模擬分析時定義的三角波沖擊載荷歷程可求得機柜基準(zhǔn)速度，通過計算得A0=2.91（m/s），對比實測數(shù)據(jù)后證明本文作為仿真輸入?yún)?shù)的速度激勵載荷是合理可信的，通過該參數(shù)計算得到的機柜應(yīng)力更接近實際。

3 仿真模型建立

3.1 機柜建模與邊界條件

本文瞬態(tài)沖擊的分析模型將考慮機柜抽屜端面對柜體剛度的影響以及各層質(zhì)量對柜體慣性的影響，將柜體各層內(nèi)部設(shè)備質(zhì)量以質(zhì)點的形式加載到兩側(cè)滑道上，在隔振器支撐位置施加對應(yīng)固定約束，垂直方向施加速度激勵載荷。材料屬性按表1賦值，采用四面體+六面體的網(wǎng)格劃分形式，底部基座附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，模型如圖4。

圖4 機柜建模與參數(shù)設(shè)定

3.2 模態(tài)分析與改進(jìn)設(shè)計措施

模型建立完成后先進(jìn)行了1～14階的模態(tài)分析，通過研究模態(tài)振形，確定機柜底部與側(cè)板對隔振器支撐部位傳遞的垂直方向的沖擊載荷較敏感，在柜體底部受到垂直方向較寬頻帶的沖擊載荷時，柜體底部振動和動應(yīng)力會較大。而初樣機試驗時產(chǎn)生的裂紋也確實分布在兩側(cè)接近底面處（如圖5）。因此判定，對該區(qū)域進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)加強可有效提高機柜抗沖擊性能。

針對該薄弱區(qū)域進(jìn)行以下加強：

1）增大加強筋的寬度，提高各板面的固有頻率，尤其要加強柜體底面加強筋尺寸。

2）增大底部四個隔振器安裝面的厚度。

3）由于柜體頂部和底部面板垂直方向的剛度較小，因此板上增設(shè)加強筋。

4）兩側(cè)板底部應(yīng)力水平明顯高于其余區(qū)域，因此增設(shè)加強筋。

圖5 機柜模態(tài)甄型分析

4 仿真分析及結(jié)果對比

4.1 原結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動力學(xué)仿真結(jié)果

按圖3所示時間-速度曲線對機柜進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)計算獲得0.13s內(nèi)柜體受沖擊載荷作用下的動應(yīng)力變化如圖6所示，可知柜體在沖擊載荷作用下，最大應(yīng)力間歇性的出現(xiàn)極值。

圖6 最大應(yīng)力時變歷程

由圖可知第三個最大應(yīng)力波峰是柜體受力最大的時刻，此時的應(yīng)力分布及應(yīng)力最大位置如圖7所示。第一個波峰在2.5ms，最大應(yīng)力為377MPa，出現(xiàn)在底層抽屜板與柜體之間的連接處。排除應(yīng)力集中的影響，該區(qū)域受力水平已達(dá)到材料屈服極限，說明原設(shè)計確實抗沖擊性能裕度不足。

4.2 新設(shè)計結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動力學(xué)仿真結(jié)果

新設(shè)計機柜按3.2節(jié)所述進(jìn)行加強設(shè)計后，機柜總重量由原來的300kg增加到345kg，由于原機柜在仿真分析后發(fā)現(xiàn)應(yīng)力多集中于螺栓附近，故而在新機柜仿真模型建立時將抽屜面板與柜體通過安裝螺釘以非滑移和非分離的接觸形式進(jìn)行耦合。

圖7 原機柜仿真結(jié)果

按相同的時間-速度激勵譜進(jìn)行仿真計算后得到圖8所示結(jié)果。應(yīng)力云圖顯示，機柜在0.0027s時應(yīng)力達(dá)到峰值，最大應(yīng)力出現(xiàn)在底層抽屜與柜體連接螺釘處，最大應(yīng)力僅131MPa，相鄰區(qū)域應(yīng)力水平也在100MPa以下，按最大應(yīng)力值計算，與機柜材料的屈服極限σ0.2=245MPa比較后得出，新設(shè)計機柜安全系數(shù)α=1.87，說明加強設(shè)計后發(fā)控儀機柜抗沖擊性能完全滿足國軍標(biāo)相關(guān)要求。

5 結(jié)語

本文就某艦載發(fā)控儀抗沖擊強度不足的問題進(jìn)行了抗沖擊性能研究，通過瞬態(tài)動力學(xué)仿真分析確認(rèn)了原結(jié)構(gòu)強度裕度不足的部位進(jìn)行了針對性的加強，而后對強化后結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行仿真分析對比，確認(rèn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效性，最終新機柜成功通過了抗沖擊試驗，證明了本文的設(shè)計方法的有效性。通過本文的研究，得出以下結(jié)論：

1）通過實測加速度數(shù)據(jù)所得的時間-速度譜加載的機柜瞬態(tài)動力學(xué)分析可以較真實地反映機柜受沖擊時的瞬態(tài)受力情況。

2）柜體改進(jìn)前后，應(yīng)力較大部位均為柜體前端兩側(cè)底部位置，主要原因為柜體重心位置靠近前端，因此承受的慣性力更大，仿真結(jié)果與實際受力情況相符，證明仿真計算時將機柜內(nèi)部重量以質(zhì)點的方式進(jìn)行處理的方法可用于抗沖擊仿真分析。

圖8 改進(jìn)后的新機柜仿真結(jié)果

3）發(fā)控儀柜體整體應(yīng)力水平經(jīng)過結(jié)構(gòu)改進(jìn)后均有加大幅度降低，最終的抗沖擊試驗結(jié)果成功證明了應(yīng)用本文方法改進(jìn)的樣機滿足國軍標(biāo)GJB1060.1-91規(guī)定之抗沖擊設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)安全。