基于ANSYS的一種懸臂結(jié)構(gòu)抗沖擊優(yōu)化設(shè)計(jì)*

王光越,張 煒

(1.中國船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所,湖北 宜昌 443003; 2.中國人民解放軍92578部隊(duì),北京 100161)

0 引 言

目前,隨著艦船領(lǐng)域的快速發(fā)展,船用設(shè)備的需求越來越多。船的設(shè)備中,懸臂結(jié)構(gòu)的作用十分重要。懸臂結(jié)構(gòu)通過焊接的方式固定在艦船的甲板上,在船體受到爆炸沖擊時(shí),懸臂結(jié)構(gòu)會直接承受船體傳過來的沖擊力。因此,為避免設(shè)備損壞,需要對懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗沖擊仿真分析。

目前用于艦船設(shè)備的抗沖擊分析方法包括動力學(xué)設(shè)計(jì)方法(DDAM)和時(shí)域分析法[1]。動力學(xué)設(shè)計(jì)方法是基于模態(tài)疊加的設(shè)計(jì)分析方法,它可以將設(shè)備簡化為多個彈簧質(zhì)量系統(tǒng),通過對各階模態(tài)解的合成得到設(shè)備的位移和應(yīng)力,但此方式不能得到設(shè)備的瞬態(tài)響應(yīng)。時(shí)域分析方法是通過一定的方法將沖擊譜轉(zhuǎn)換成加速度時(shí)間歷程曲線并將其加載在設(shè)備上,此方法雖然計(jì)算時(shí)間較長,但能對設(shè)備在時(shí)域上進(jìn)行瞬態(tài)分析,分析精度更高。基于此,筆者采用時(shí)域分析方法重點(diǎn)對設(shè)備上的懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗沖擊仿真分析[2-3],得到了懸臂結(jié)構(gòu)各個部位的沖擊應(yīng)力云圖;再通過對懸臂結(jié)構(gòu)上的薄弱部位進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì),使設(shè)備上的懸臂結(jié)構(gòu)滿足實(shí)際使用情況下的沖擊性能要求。這對提升設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性和增強(qiáng)設(shè)備的使用壽命具有實(shí)際效益,同時(shí)該分析結(jié)果對其它懸臂結(jié)構(gòu)的抗沖擊設(shè)計(jì)也具有一定的參考意義。

1 設(shè)計(jì)方案

懸臂結(jié)構(gòu)主要功能是實(shí)現(xiàn)設(shè)備搭載,它主要由懸臂桿、支撐圓環(huán)、支撐底板和設(shè)備固定支架組成。懸臂結(jié)構(gòu)上安裝有設(shè)備A、設(shè)備B和設(shè)備C,整個懸臂結(jié)構(gòu)通過螺釘固定在設(shè)備本體上,設(shè)備本體與基座相連固定在艦船的甲板上。懸臂結(jié)構(gòu)材質(zhì)采用不銹鋼,該材質(zhì)具有較好的防腐性能。通過UG建立懸臂結(jié)構(gòu)的三維模型如圖1所示。UG是機(jī)械工程常用的三維設(shè)計(jì)軟件,具備模塊豐富、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)[4]。

圖1 懸臂結(jié)構(gòu)三維模型

2 沖擊載荷分析設(shè)計(jì)

目前,沖擊載荷多以三折線譜或沖擊輸入譜的形式來描述。三折線譜可以看做是沖擊輸入譜的圖形表達(dá)形式。沖擊輸入譜主要包含等加速度譜、等速度譜和等位移譜三個參數(shù)。這三個參數(shù)描述了設(shè)備在不同頻段的沖擊載荷信息。沖擊輸入譜不可以直接作為載荷信息施加在設(shè)備上,需要通過一定的方式將輸入譜信息轉(zhuǎn)化為正負(fù)三角波或組合半正弦波的加速度信息。文章采用正負(fù)三角波對懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗沖擊性能分析。

對于設(shè)計(jì)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(shí),一般采用國軍標(biāo)GJB 1060.1 中的相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。文中設(shè)備抗沖擊等級為A級,根據(jù)GJB 1060.1中水面艦艇用的設(shè)計(jì)值給定沖擊方向上的沖擊設(shè)計(jì)加速度。根據(jù)上述要求,不同方向沖擊時(shí),其設(shè)計(jì)值如表1所列,其中加速度和速度計(jì)算如式(1)、(2)所列。

(1)

表1 甲板部位沖擊輸入表

(2)

根據(jù)德標(biāo)BV043/85定義的正負(fù)三角波如圖2所示。根據(jù)規(guī)定,第一個三角形的加速度峰值約為最大加速度A的3/5,第一個正三角形的面積約為最大速度V的3/4,第二個負(fù)三角形面積與第一個正三角形面積相等,此加速度歷程經(jīng)兩次積分后得到位移,使t2=0.4t3,t4-t3=0.6(t5-t3)。

圖2 三角波形輸入

各主要參數(shù)計(jì)算為:

a2=0.6A

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

t4=t3+0.6(t5-t3)

(9)

根據(jù)已知設(shè)備重量,通過公式估算的方式得到設(shè)備沖擊譜如表2所列。

表2 沖擊輸入譜

經(jīng)過擬合計(jì)算可得垂向加速度函數(shù)如式(10)～(13)所列,擬合后的加速度時(shí)間歷程曲線如圖3所示。

圖3 加速度時(shí)間歷程曲線

y=113.1×t(0≤t<2.6)

(10)

y=294-77.4×(t-2.6)(2.6≤t<6.4)

(11)

y=-17.2×(t-6.4)(6.4≤t<14.5)

(12)

y=-139.16+25.77×(t-14.5)(14.5≤t≤19.9)

(13)

3 抗沖擊分析

3.1 分析方法

設(shè)備通過螺栓連接的方式固定在艦船甲板上,當(dāng)艦船受到?jīng)_擊時(shí),沖擊波通過船體傳至設(shè)備。ANSYS是美國PTC公司開發(fā)的一款集強(qiáng)度分析、熱分析、流體分析及電磁分析于一體的有限元分析軟件,在機(jī)械行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用[5]。而ANSYS中的加速度載荷信息是整體加載在設(shè)備上,不符合實(shí)際受力情況。文章利用ANSYS中瞬態(tài)分析模塊,根據(jù)牛頓第二定律,將加速度載荷信息轉(zhuǎn)換為力的載荷信息,再將其施加在基礎(chǔ)底面上,對懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗沖擊仿真分析,得到懸臂結(jié)構(gòu)的各部位的應(yīng)力情況。通過分析可知,垂向沖擊載荷最惡劣,也是發(fā)生次數(shù)較多的方向,文章將根據(jù)垂向沖擊的結(jié)果對懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 網(wǎng)格劃分

懸臂結(jié)構(gòu)上設(shè)備A質(zhì)量是15 kg,設(shè)備B質(zhì)量是1.5 kg、設(shè)備C質(zhì)量是2 kg。由于此次不對這些設(shè)備的沖擊性能進(jìn)行考核,因此將設(shè)備A、B、C以質(zhì)量點(diǎn)的形式加載在懸臂結(jié)構(gòu)的安裝位置上。根據(jù)實(shí)際的裝配關(guān)系,設(shè)置好各部件的接觸類型,并將材料設(shè)置不銹鋼,然后通過控制網(wǎng)格尺寸的方式對懸臂網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理。細(xì)化后的整體結(jié)構(gòu)一共劃分210 777個網(wǎng)格單元。劃分網(wǎng)格之后的設(shè)備的有限元模型如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格模型

3.3 結(jié)構(gòu)仿真

經(jīng)過軟件分析可知,整個設(shè)備質(zhì)量為1 200 kg。根據(jù)牛頓第二定律F=ma,在設(shè)備的垂直方向上施加相關(guān)的位移約束和力學(xué)函數(shù)。仿真分析后的結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 垂向沖擊應(yīng)力云圖圖6 垂向沖擊應(yīng)力云圖

從圖5、6中可以看出,懸臂結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力最大值為826.29 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了材料的屈服極限。應(yīng)力較大的部位包括懸臂桿的根部、支撐圓環(huán)的中心及支撐底板與設(shè)備支架連接的部位,這些部位的零件均需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)處理。

3.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

(1) 懸臂桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從仿真結(jié)果可以看出,懸臂桿的最大應(yīng)力集中在懸臂桿安裝的根部,并且沿著懸臂桿長度方向逐漸減小。優(yōu)化后的懸臂桿在原來兩側(cè)邊加強(qiáng)筋的基礎(chǔ)上增加一段長度240 mm、高度10 mm的加強(qiáng)筋;同時(shí),在懸臂桿的根部設(shè)置寬度10 mm的豎筋,以增強(qiáng)整個懸臂桿的強(qiáng)度。優(yōu)化前后的懸臂桿結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 懸臂桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型圖8 支撐底板優(yōu)化模型

(2) 支撐底板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

支撐底板的超過不銹鋼屈服應(yīng)力的區(qū)域集中在底板平面上,呈大面積分布狀態(tài),因此底板強(qiáng)度需要整體加強(qiáng)。優(yōu)化后的支撐底板將加強(qiáng)筋的數(shù)量由4個增加到11個,同時(shí)加強(qiáng)筋的厚度由3 mm增加到6 mm。優(yōu)化前后的支撐底板結(jié)構(gòu)如圖8所示。

(3) 支撐圓環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

支撐圓環(huán)的最大應(yīng)力集中在圓心附近平面上,該平面中心通過轉(zhuǎn)軸與懸臂桿連接。優(yōu)化后的支撐圓環(huán)將圓板的厚度由3 mm增加到5 mm,以提升支撐圓環(huán)的整體強(qiáng)度。優(yōu)化前后的支撐底板結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 支撐圓環(huán)優(yōu)化模型圖10 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)沖擊應(yīng)力云圖

3.5 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)仿真

將優(yōu)化的模型導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行力學(xué)分析,仿真結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出,經(jīng)過優(yōu)化后的懸臂結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力最大值為202.64 MPa,低于材料的屈服極限,結(jié)構(gòu)上的沖擊應(yīng)力明顯下降,滿足使用要求。

4 結(jié) 論

利用UG建立了懸臂結(jié)構(gòu)的三維模型,利用德標(biāo)BV043/85定義的正負(fù)三角波設(shè)計(jì)了懸臂結(jié)構(gòu)的沖擊加速度時(shí)間歷程曲線,利用有限元分析軟件ANSYS 對懸臂結(jié)構(gòu)抗沖擊強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析,根據(jù)仿真分析結(jié)果對懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)論如下。

(1) 懸臂結(jié)構(gòu)在垂向受到的沖擊等效應(yīng)力最大值為826.29 MPa,超過了材料的屈服極限,在沖擊力的作用下是易損結(jié)構(gòu)。

(2) 優(yōu)化后懸臂結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果最大等效應(yīng)力為202.6 MPa,結(jié)構(gòu)優(yōu)化有效,設(shè)備的抗沖擊使用性能得到提升。