DDAM与SRS对舰船甲板设备抗冲击考核对比研究

刘领先,姜 涛,唐卫平,周方毅

(1.91458部队装备部,海南 三亚 572000;2.海军潜艇学院装备处,山东 青岛 266071)

0 引 言

美国海军为了考核评估舰船设备的抗冲击能力,由冲击反应谱法(SRS)发展得到动态设计分析方法(DDAM)。结构惯性力与基础输入之间的相互作用会显著改变所得到的谱,出现在反应谱中的这一变化被称为谱跌。DDAM方法考虑了舰船设备的弹性基础对冲击谱的谱跌效应,并且将谱跌体现在设计谱值中[1-2]。国内开展了DDAM方法对浮筏设备进行抗冲击分析的应用[3]。本文以水面舰艇甲板安装设备典型结构支架-箱体结构为例,分别应用DDAM分析方法和SRS方法对其进行抗冲击考核分析。研究的结论可用于舰船设备抗冲击考核规范的制定。

1 模态质量的概念

模态质量是DDAM方法的核心概念之一。关于模态质量的概念,国内部分学者认为其是DDAM方法发展过程中发展而来的概念,对其物理含义理解上存在偏差。该概念是结构动力学领域计算结构基底剪力时得到的概念,称为基底剪力有效振型质量[4]。现将这一概念作简单推导。由模态叠加法,第n阶振型引起的反应为

为了得到模态质量的概念,计算基底剪力

应用SRS和DDAM方法,即利用式(1)计算各阶振型反应峰值,再选取合适的振型组合规则,如CQC规则,SRSS规则,NRLSUM规则等,估算结构总反应的峰值。二者的不同在于DDAM方法在依据冲击设计谱选取An(t)数值时,考虑了结构和基础之间的相互作用引起的谱跌,根据美国海军提供的经验公式确定谱值。

2 物理模型的建立

选取支架-箱体结构,如导弹发射装置,作为典型的水面舰艇甲板设备安装形式,进行抗冲击的分析。应用Ansys有限元程序,建立物理模型。考虑到支架与箱体自身的柔度以及箱体与支架连接的特点,支架与箱体之间的连接简化为刚性连接,应用MPC(多点约束)单元模拟。箱体为铝合金材料,材料许用应力210 MPa。箱体应用SHELL单元模拟,支架应用BEAM单元模拟。箱体和架体的总质量为5366.2 kg。

3 DDAM对设备抗冲击考核

DDAM冲击输入由经验公式确定输入谱值,具体要求见表1[5]。

对于甲板安装的设备:

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式中:AF,AA,AB,AC,VF,VA,VB,VC为经验公式参数;ma为设备的模态质量;Aa和Va分别为设计加速度谱值和速度谱值。按照美国海军NAVSEA 0908-LP-000-3010文件要求,参与计算的模态质量要达到设备总质量的90%以上[6]。表2为各向冲击时参与计算的模态质量分布情况。在Y方向上存在密集模态现象,但是所占比重不大,不影响整个计算结果。X方向和Z方向上没有密集模态。

依据DDAM方法设计谱值选取的原则,分别计算了支架-箱体结构的X方向(纵向)、Y方向(垂向)、Z方向(横向)的冲击响应。考虑到设备安装于支架之上,箱体的冲击环境能更好地体现设备的冲击环境,所以这里仅描述箱体的峰值反应,而略去支架峰值响应的表述。仅以Z方向冲击为例,给出箱体的位移和应力云图,其他方向冲击的结果在表3给出。

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由于大部分有限元软件应用DDAM方法时都需要使用美制 (inch-lbf·s2/inch-second)单位制,故mises应力云图中显示的应力单位为psi(磅力/平方英寸),位移响应图中的单位制为inch。结构的Z方向位移最大值为0.61767 inch,换算为国际单位制为1.569 cm,位于箱体最高点;结构的Mises应力最大值为21587 psi,换算为国际单位制为149 MPa,应力最大值位于箱体与支架连接处。

4 SRS方法对设备抗冲击考核

应用表1以及式(4)、式(5)的定义,取 ma=0,即DDAM规定的舰船自由场条件下的冲击输入作为SRS方法的输入谱值,计算设备的冲击响应。仅以Z方向冲击为例,给出箱体的位移和应力云图,其他方向冲击的结果在表3给出。

箱体的Z方向位移响应最大值为0.84318 inch,换算为国际单位制为2.142 cm,位于箱体最高点;结构的Mises应力最大值为30140 psi,换算为国际单位制为208 MPa,应力最大值位于箱体与支架的连接处。

5 2种方法比较

为了考察2种方法考核舰船设备抗冲击的差异,将各方向冲击箱体的反应峰值列于表3。

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SRS法计算的箱体冲击反应峰值要明显大于DDAM分析方法,其比值分布在1.1～1.4的范围内。DDAM方法考虑了谱跌因素,而SRS算法忽略了这一因素,导致其定义的冲击环境较设备实际承受的环境更加恶劣,设备实际并未承受如此大的冲击,因此产生误差。对比表2中的数据可以发现,振型反应越集中于少数几阶振型,即单阶模态质量数值越大的方向,SRS计算结果与DDAM计算结果差别越大。这是因为模态质量越大,谱跌的幅度越大,SRS方法的误差越大。其中X方向的冲击结果表明,应用SRS法计算的箱体最大Mises应力为243 MPa,已经超出箱体材料的许用应力值;DDAM方法计算的结果为187 MPa,还在材料的许用应力范围内。由于SRS方法未考虑谱跌效应,人为提高了冲击输入。在本算例中,如果按照SRS方法计算的结果考核设备的抗冲击性能,设备就要重新设计,以提高其抗冲击性能。实际上设备已经满足了抗冲击指标,在此基础上提高其抗冲击能力,不可避免要造成设备研制费用的增加,甚至导致设备研制任务的失败。所以,在应用SRS方法计算设备的抗冲击时,必须要考虑谱跌的影响。

6 结 语

本文首先指出模态质量与基底剪力有效振型质量为同一个概念,模态质量概念的物理意义与基底剪力有效振型质量的物理意义相同。应用SRS方法与DDAM方法考核甲板支架-箱体设备的抗冲击性能。结果表明,设备的模态质量越大,未考虑谱跌的SRS算法引起的误差越大。本文中SRS法计算的设备峰值反应是DDAM法的1.1～1.4倍。SRS算法由于没有考虑谱跌因素,使其提出的设备抗冲击指标高于设备实际承受的冲击。在应用SRS法考核舰船设备抗冲击性能时,必须要考虑谱跌因素。本文的结论可用于舰船设备抗冲击规范的制订。

[1]汪玉,华宏星.舰船现代冲击理论及应用[M].北京:科学出版社,2005.

[2]Effect upon spectra of the dynamic reaction of structures[R].AD209366,1998.

[3]赵应龙,何琳,吕志强.应用DDAM进行船舶浮筏隔振装置抗冲击计算[J].工程力学,2007,24(4):159-163.

[4]CHOPRA A K.结构动力学理论及其在地震工程中的应用[M].谢礼立,吕大刚,译.北京:高等教育出版社,2005.

[5]O'HARA G J.Interim design values for shock design of shipboard equipment[R].AD348861.

[6]NAVSEA 0908-LP-000-3010,shock design criteria for surface ships.Naval Sea System Command,1976.