基于DDAM的艦船蓄電池組抗沖擊仿真計算*

夏雪寶,明志茂,余云加,趙可淪

(廣電計量檢測集團股份有限公司,廣東 廣州 510000)

0 引 言

艦船裝備在設(shè)計過程中需進行抗沖擊設(shè)計或試驗驗證,以提高其抗沖擊性能進而保證裝備的戰(zhàn)場生命力。各海軍強國對艦船裝備的抗沖擊性能試驗方法進行了研究,形成了BV043/85(德國)、MIL-S-901D(美國)等試驗標(biāo)準(zhǔn),我國也制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范GJB1060.1-91[1-2],該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定A、B級設(shè)備應(yīng)進行沖擊試驗考核。對于過大或過重而不具備沖擊試驗條件的設(shè)備,可采用動力學(xué)分析的方法進行抗沖擊合格鑒定[3-4]。

動力學(xué)設(shè)計法(DDAM,Dynamic Design Analysis Method)是美國海軍于1961年提出的一種基于沖擊反應(yīng)譜的分析方法,其廣泛用于水面艦船和潛艇的抗沖擊設(shè)計?；谝陨螪DAM算法,有限元分析軟件ANSYS開發(fā)了相應(yīng)的譜分析計算模塊,可進行艦船設(shè)備的抗沖擊仿真分析計算[5]。

某大型艦船蓄電池組由于尺寸及重量過大,無法依據(jù)GJB150.18-1985進行爆炸沖擊試驗考核。筆者通過構(gòu)建蓄電池組有限元模型,采用ANSYS譜分析模塊,結(jié)合GJB1060.1-91的設(shè)計要求,對其進行了DDAM三個方向的沖擊仿真計算,校核其結(jié)構(gòu)強度是否符合要求,找到蓄電池組結(jié)構(gòu)薄弱點,為后續(xù)產(chǎn)品的優(yōu)化改進提供支撐。

1 蓄電池組介紹

1.1 樣品說明

某蓄電池組由蓄電池槽、蓋、極柱、匯流排、吊架、密封件及艙段結(jié)構(gòu)等組成,樣品尺寸約8 m×5 m×3m,質(zhì)量約50 t。有限元分析前需對模型進行建模及簡化。建立有限元模型時,在保證有限元模型中的主要結(jié)構(gòu)尺寸與產(chǎn)品尺寸精確一致,保證計算精度的前提下盡量采用盡可能簡單的模型,簡化后的蓄電池組三維實體模型如圖1所示。

圖1 蓄電池組模型(含艙段)

1.2 樣品材料力學(xué)參數(shù)

樣品使用的材料包括玻璃鋼、黃銅、鉛合金、木料、塑料及鋼結(jié)構(gòu)船體等,所有材料的力學(xué)參數(shù)如表1所列。

表1 材料參數(shù)表

2 有限元模型建立

將簡化后模型進行網(wǎng)格劃分,針對不同的結(jié)構(gòu)采用不同的網(wǎng)格劃分方法和尺寸。規(guī)則的結(jié)構(gòu)采用六面體,不規(guī)則的結(jié)構(gòu)采用四面體。為提高計算效率,在保證網(wǎng)格精度的前提下,對模型中較小尺寸結(jié)構(gòu)部位使用更小的網(wǎng)格尺寸進行劃分,其它較大尺寸結(jié)構(gòu)部位則使用較大的網(wǎng)格尺寸進行劃分。建立好的有限元模型如圖2所示,劃分后的有限元模型單元網(wǎng)格總數(shù)1 121 289個,節(jié)點總數(shù)2 690 581個。

圖2 蓄電池組整體及電池模塊有限元模型

劃分網(wǎng)格之后對各零部件相互的接觸進行設(shè)置,電池組各部件之間采用MPC綁定接觸,模擬兩個零件之間沒有相對位移。

3 模態(tài)分析

采用ANSYS對蓄電池組樣品進行模態(tài)分析,仿真計算其前10階自由模態(tài),計算得到的固有頻率如表2所列,并輸出各階模態(tài)頻率下的振型云圖,由于篇幅有限,僅列出前2階模態(tài)振型,結(jié)果如圖3、4所示。

表2 固有頻率列表

圖3 第1階模態(tài)振型 圖4 第2階模態(tài)振型

第1階為整體模態(tài),頻率為25.404 Hz,模態(tài)振型表現(xiàn)為艙段樣品扭轉(zhuǎn)模態(tài);第2階頻率為36.05 Hz,模態(tài)振型表現(xiàn)為艙壁彎曲模態(tài);其它各階模態(tài)為整體艙段的高階彎曲、扭轉(zhuǎn)模態(tài)及橫艙壁、縱艙壁等結(jié)構(gòu)的多階彎扭復(fù)合振型或局部模態(tài)振型。

4 DDAM沖擊載荷

標(biāo)準(zhǔn)GJB1060.1-91中第5.7.2.2節(jié)規(guī)定了潛艇船體安裝部位彈塑性設(shè)計用的設(shè)計值,如表3所列。

表3 潛艇船體安裝部位彈塑性設(shè)計參數(shù)

表中的A0、V0按下列公式計算:

(1)

(2)

式中:ma為樣品的模態(tài)質(zhì)量,t;A0為基準(zhǔn)加速度,m/s2;V0為基準(zhǔn)速度,m/s。依據(jù)GJB1060.1-91中第5.7.4.3節(jié),樣品的模態(tài)質(zhì)量取10%的總質(zhì)量,可知ma=5 t。

由文獻[5]可知,采用ANSYS進行沖擊設(shè)計譜計算時,沖擊設(shè)計譜的表達式形式為:

(3)

(4)

式中:AF、VF為計算系數(shù),與表3對應(yīng);AA、AB、AC和VA、VB、VC為計算常數(shù),與式(1)、(2)對應(yīng);A為譜加速度,V為譜速度,與表3對應(yīng)。ANSYS默認(rèn)的DDAM算法為英制單位,因此采用國際單位制進行沖擊設(shè)計譜ANSYS計算時,需對輸入?yún)?shù)進行轉(zhuǎn)換[5]:

(5)

(6)

式中:c為英制單位重力加速度,為386 in/s2。根據(jù)式(3)～(6)及表3計算可得,采用ANSYS軟件中DDAM計算分析時輸入的計算常數(shù)和計算系數(shù)分別如表4、5所列。

表4 計算常數(shù)表

表5 計算系數(shù)表

5 沖擊仿真計算

5.1 約束邊界條件

在對電池組進行DDAM抗沖擊仿真計算時,模型處理是將電池組安裝艙段的艙壁、連接肋等結(jié)構(gòu)進行截斷處理。由于截斷處艙壁、支撐肋等結(jié)構(gòu)剛度高,在仿真計算時,對電池組所在艙段的艙壁、連接肋等截斷位置施加固定約束來模擬電池組艙段的約束邊界條件,如圖5所示。

圖5 約束邊界條件

5.2 沖擊仿真計算結(jié)果

分別對蓄電池組樣品進行三個方向(X、Y、Z向)譜分析,在ANSYS的DDAM模塊中輸入上節(jié)對應(yīng)計算參數(shù),通過DDAM譜分析分別得到蓄電池組樣品在X、Y、Z方向下的應(yīng)力分布云圖,各部件最大應(yīng)力匯總?cè)绫?所列,部分應(yīng)力云圖分別如圖6～11所示。

表6 沖擊仿真結(jié)果匯總

圖6 X方向沖擊下蓄電池槽、蓋應(yīng)力云圖 圖7 X方向沖擊下匯流排應(yīng)力云圖

圖8 Y方向沖擊下極柱應(yīng)力云圖 圖9 Y方向沖擊下吊架應(yīng)力云圖

圖10 Z方向沖擊下密封件應(yīng)力云圖 圖11 Z方向沖擊下艙體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

由以上計算結(jié)果可知:三個沖擊方向的樣品最大等效應(yīng)力分別為126.63MPa、194.31MPa、93.947MPa,均位于艙體部位并且小于對應(yīng)材料的強度極限。其它部件的仿真計算應(yīng)力也均小于對應(yīng)材料的強度極限,說明安全級蓄電池組樣品結(jié)構(gòu)強度符合GJB1060.1-91動力學(xué)仿真設(shè)計的要求。

6 結(jié) 語

文中針對某大型艦船蓄電池組因尺寸及重量過大而無法進行爆炸沖擊試驗考核的問題展開研究?；贒DAM分析方法,結(jié)合GJB1060.1-91的設(shè)計要求,采用ANSYS對蓄電池組進行了三個方向的沖擊仿真計算,校核了其結(jié)構(gòu)強度是否符合要求,該方法可為后續(xù)大型艦船設(shè)備的抗沖擊設(shè)計提供參考。