船用拖曳絞車抗沖擊時域分析

袁 倩，李瓊玥，麻 昔

（中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，隨著海洋環(huán)境探索需求和軍事活動的增加，水下拖曳系統(tǒng)作為海洋探測的一部分，對其具有重大的意義。借助水下拖曳系統(tǒng)，可以進行海洋學(xué)要素的測量，以及海底考察與攝影。而隨著作業(yè)深度的增加，有必要借助拖曳絞車對水下探測設(shè)備進行自動收放[1-2]。

拖曳絞車一般安裝于船尾甲板上，可能處于水下爆炸造成的沖擊環(huán)境之中，一旦絞車由于沖擊作用而發(fā)生錯位或者破壞，將直接影響到水下拖曳系統(tǒng)的正常收放。因此，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GJB 1060要求，將拖曳絞車的抗沖擊等級定為 A級，有必要對拖曳絞車進行沖擊數(shù)值仿真計算，這對于提高絞車的抗沖擊能力具有很重要的現(xiàn)實意義[3]。本文采用有限元軟件ABAQUS對絞車進行抗沖擊仿真計算，分析其具體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布以及不同部件的加速度響應(yīng)，對拖曳絞車的設(shè)計可提供重要的參考[4-6]。

目前，主要的船用設(shè)備抗沖擊仿真計算方法分為時域分析方法和動力設(shè)計分析方法（DDAM）[7-9]。動力設(shè)計分析方法是以模態(tài)分析理論為基礎(chǔ)，其輸入載荷是沖擊譜，能分析設(shè)備的高階破壞模式，計算時間短，但正是基于模態(tài)分析理論，因此只能分析線彈性安裝的設(shè)備，且只能在線彈性范圍計算設(shè)備的破壞特性，不能得到設(shè)備的瞬態(tài)響應(yīng)；而時域分析方法雖然計算時間較長，但能對設(shè)備在時域上進行瞬態(tài)分析[10-14]。

由于拖曳絞車中各結(jié)構(gòu)間存在較多接觸關(guān)系，屬于非線性范疇，因此采用時域分析方法進行計算能得到更為準(zhǔn)確的計算結(jié)果[15]。

1 拖曳絞車計算模型

采用專業(yè)有限元前處理軟件 ANSA進行網(wǎng)格劃分和裝配連接。模型中的小特征（小孔、倒角和圓角）及不重要的零部件進行了簡化及移除。

結(jié)合絞車結(jié)構(gòu)特點，卷筒蒙皮厚度相對其整體尺寸較小，將其處理為 shell單元；卷筒兩端軸套與軸承座之間通過軸承相連，該區(qū)域結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，且存在較多接觸對，因此對該部分進行實體建模；而絞車支架厚度為 5 mm，將其處理為 shell單元；整體有限元模型如圖 1所示。

圖1 絞車有限元網(wǎng)格模型Fig.1 Finite element mesh model of winch

絞車裝置由多個零件組成，各零件之間存在接觸關(guān)系，根據(jù)各零件之間的關(guān)系，將之分2類進行處理。一類進行綁定約束（tie），如導(dǎo)向桿、絲杠與排纜器之間，軸承座、液壓閥組、控制柜與支架之間，這些結(jié)構(gòu)沒有相對運動，因此采用綁定約束（tie），且tie可以將2個網(wǎng)格劃分截然不同的區(qū)域連接。另一類是面面接觸（contact），由于軸和其接觸零件之間存在相互運動，將軸承與軸、軸與軸承座、軸承與軸承座之間定義接觸，相互之間設(shè)置摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)設(shè)為0.15。由于模型進行了簡化處理，其三維模型質(zhì)量與實際質(zhì)量還存在差異，因此需要對質(zhì)量進行調(diào)整，將三維模型質(zhì)量控制在0.05%以內(nèi)。

根據(jù)絞車結(jié)構(gòu)特點和安裝位置，在其支架底部加厚部位進行固定約束，約束該區(qū)域節(jié)點的6個自由度。

2 絞車的沖擊載荷

目前，絞車時域沖擊仿真分析的沖擊載荷有2種輸入形式：1）使用實際測得的時間歷程曲線；2）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范計算的時間歷程曲線。考慮到艦船受到的沖擊環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，實測曲線只是某一次沖擊數(shù)據(jù)，而不具有典型性，因此本文采用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中雙三角曲線的方法確定沖擊環(huán)境，對絞車進行沖擊加載和分析。雙三角曲線的前提是得到標(biāo)準(zhǔn)沖擊譜，即最大位移譜值為D0，速度譜值為V0，最大加速度譜值為 A0。然后，根據(jù)下列關(guān)系式進行轉(zhuǎn)換，得到1個正負2個脈沖、二者面積相等的曲線[16-17]。

但對于設(shè)計初級階段的設(shè)備而言，其沖擊環(huán)境一般并不能完全明確，因此，在沒有具體的沖擊譜規(guī)定時，上式中的A0和V0一般采用國軍標(biāo)GJB 1060.1—91中相關(guān)公式進行計算。本文絞車設(shè)備抗沖擊等級為A級，根據(jù)GJB 1060.1—91中水面艦艇用的設(shè)計值給定沖擊方向上的沖擊設(shè)計加速度。根據(jù)上述要求，不同方向沖擊時，其設(shè)計值如下表 1所示，其中加速度計算公式按下式計算，最終得到加速度時間曲線如圖 2。

表1 甲板部位沖擊輸入表Table 1 Deck impact load table

圖2 沖擊載荷時間歷程曲線Fig.2 Time history curve of impact load

3 絞車沖擊仿真計算及結(jié)果分析

根據(jù)GJB 1060中對A級設(shè)備的失效規(guī)定，設(shè)備的 Von Mises應(yīng)力應(yīng)不超過設(shè)備材料的屈服應(yīng)力，否則認為該設(shè)備在沖擊載荷下失效。拖曳絞車為A級設(shè)備，設(shè)材料屈服強度為σs。

3.1 拖曳絞車沖擊計算

3.1.1 拖曳絞車在垂向沖擊作用下的仿真結(jié)果

垂向沖擊作用下，提取絞車某一典型時刻的應(yīng)力分布云圖如圖3所示。由圖可知，絞車整體受力較小，只有局部區(qū)域應(yīng)力較大。應(yīng)力最大區(qū)域主要集中在軸承座安裝位置正下方的支架上、卷筒兩端軸承座上加筋位置、卷筒軸套與卷筒端板連接位置等。

圖3 垂向沖擊下絞車Von Mises應(yīng)力云圖Fig.3 Von Mises stress nephogram of winch under vertical impact

由于控制柜，液壓閥組、防松馬達等裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，模擬難度較大，本文采用的是簡化模型，僅考慮了其外部形狀和重量，因此已不能通過分析這些裝置上的應(yīng)力分布來判斷其抗沖擊能力，故后續(xù)應(yīng)力分析中將不考慮其受力情況，而通過分析其加速度響應(yīng)來分析其抗沖擊能力。

拖曳絞車控制柜、液壓閥組及防松馬達加速度時間曲線如圖 4所示。從圖中可以看出，控制柜和液壓閥組的加速度響應(yīng)曲線有明顯的峰值，且二者的峰值相差不大，衰減趨勢也相同，只是衰減周期不同。這與2個子設(shè)備的安裝位置有關(guān)，二者都安裝在絞車支架同一區(qū)域，只是二者重量不同，故而周期不同。防松馬達重量較輕，且安裝于導(dǎo)纜杠上，導(dǎo)纜杠為細長結(jié)構(gòu)，剛度較弱，因此其衰減較慢。

圖4 垂向沖擊下絞車配置子設(shè)備加速度響應(yīng)曲線Fig.4 Acceleration response curve of winch submodel under vertical impact

3.1.2 拖曳絞車在橫向沖擊作用下的仿真結(jié)果

圖5-6為橫向沖擊作用下絞車應(yīng)力云圖和加速度時間歷程曲線。

圖5 橫向沖擊下絞車整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.5 Von Mises stress nephogram of winch under transverse impact

圖6 橫向沖擊下絞車配置子設(shè)備加速度響應(yīng)曲線Fig.6 Acceleration response curve of winch submodel under transverse impact

3.1.3 拖曳絞車在縱向沖擊作用下的仿真結(jié)果

圖7為絞車某一時刻整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，絞車控制柜、液壓閥組和防松馬達加速度響應(yīng)曲線如圖8所示。

圖7 縱向沖擊作用下絞車整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.7 Von Mises stress nephogram of winch under longitudinal impact

圖8 縱向沖擊下絞車配置子設(shè)備加速度響應(yīng)曲線Fig.8 Acceleration response curve of winch submodel under longitudinal impact

3.2 數(shù)值仿真計算結(jié)果分析

3.2.1 應(yīng)力對比

根據(jù)絞車材料屈服極限σs，對比圖3、圖5、圖7，得到表2：3種沖擊方向下絞車各結(jié)構(gòu)最大Von Mises應(yīng)力統(tǒng)計情況。從表中數(shù)據(jù)可以看出，3個方向沖擊作用下，拖曳絞車所受應(yīng)力均小于其材料屈服極限，能夠滿足結(jié)構(gòu)的抗沖擊要求。3種沖擊作用下，最大應(yīng)力出現(xiàn)位置也不同。垂向沖擊作用下，絞車支架結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力最大，支架結(jié)構(gòu)有較多直角過渡位置，這些位置容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，尤其是軸承座安裝位置正下方，該處位置底部是絞車甲板安裝座，上方承受卷筒的重量，在垂向沖擊下，本身所處沖擊環(huán)境就比較嚴峻，因而該處位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量處理為圓滑過渡，避免局部應(yīng)力集中。橫向沖擊下，卷筒與軸承、軸承安裝座接觸處應(yīng)力最大，結(jié)合絞車結(jié)構(gòu)特征，橫向沖擊方向與絞車卷筒軸向為同一方向，軸承軸套與軸承座在沖擊方向往復(fù)振動，造成連接位置應(yīng)力較大?？v向沖擊下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在排纜絲杠與排纜器連接位置。

表2 三向沖擊下絞車各結(jié)構(gòu)最大Von Mises應(yīng)力統(tǒng)計表Table 2 Statistics of maximum Von Mises stress of each structure under three-dimensional impact load

3.2.2 加速度響應(yīng)對比

對比圖4、圖6、圖8，對于3個方向的加速度響應(yīng)曲線，垂向沖擊下，控制柜與液壓閥組有明顯峰值，且兩者峰值接近，峰值出現(xiàn)時間相近，均稍滯后于載荷峰值時間，且峰值大小要比載荷值大很多。防松馬達的加速度響應(yīng)曲線沒有明顯峰值，但整體響應(yīng)比控制柜與液壓閥組大，且周期最長，這說明加速度響應(yīng)周期和子設(shè)備安裝位置有關(guān)。

橫向和縱向沖擊作用下，3個子設(shè)備的加速度響應(yīng)曲線均沒有在載荷峰值時間附近出現(xiàn)明顯峰值，而是都出現(xiàn)了振蕩現(xiàn)象。3個設(shè)備振蕩規(guī)律不同，控制柜與液壓閥組經(jīng)過短時間的高頻大幅度振蕩后，會有逐漸衰減趨勢，但防松馬達的加速度響應(yīng)曲線則沒有明顯衰減趨勢，不易進入穩(wěn)定狀態(tài)。

對比同一子設(shè)備在3種沖擊作用下的加速度響應(yīng)曲線，可以發(fā)現(xiàn)，對于液壓閥組，垂向沖擊為主要響應(yīng)方向，橫向和縱向響應(yīng)相對垂向響應(yīng)值，可以忽略；而控制柜和液壓閥組，其橫向沖擊響應(yīng)峰值約為垂向峰值的一半，縱向響應(yīng)峰值較小。

表3 絞車配置設(shè)備加速度響應(yīng)峰值對比Table 3 Comparison of peak acceleration response of winch submodel

4 結(jié)束語

本文對拖曳絞車的抗沖擊仿真計算進行了分析和研究。根據(jù)絞車結(jié)構(gòu)特點和各構(gòu)件連接方式，建立合適的仿真模型，針對絞車安裝方式和位置，選擇相應(yīng)規(guī)范作為沖擊輸入載荷，計算拖曳絞車在垂向、縱向、橫向沖擊作用下的沖擊響應(yīng)。仿真結(jié)果表明：

1）在垂向沖擊載荷作用下，拖曳絞車軸承座安裝位置正下方的支架上所受應(yīng)力較大；橫向沖擊下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在卷筒與軸承、軸承安裝座接觸區(qū)域；縱向沖擊下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在排纜絲杠與排纜器連接位置。

2）3個方向沖擊下，拖曳絞車結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力均小于材料屈服極限，滿足規(guī)范抗沖擊要求，但局部結(jié)構(gòu)可以通過優(yōu)化設(shè)計進一步提高抗沖擊能力。

3）拖曳絞車子設(shè)備安裝位置不同，加速度響應(yīng)規(guī)律明顯不同，對于固定安裝于絞車支架上的控制柜和液壓閥組，其加速度響應(yīng)曲線有明顯的衰減趨勢，而對于懸掛于絞車導(dǎo)纜杠上的防松馬達，其加速度響應(yīng)周期長，峰值衰減不明顯；不同方向沖擊作用下，控制柜和液壓閥組只在垂向沖擊作用下有明顯峰值，防松馬達的3方向加速度響應(yīng)沒有明顯峰值；同一子設(shè)備不同沖擊方向作用下，其加速度響應(yīng)周期變化不大。