船体与增压锅炉一体化抗冲击研究

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(哈尔滨工程大学 机电学院，哈尔滨150001)

无论是水面舰艇还是潜艇，其关键设备均应进行冲击试验。水下冲击试验固然可以获得准确可靠的结果，但它是一种极其昂贵的破坏性试验，人力投入大，且由于问题本身的强非线性特征和不确定性也使实验结果存在很大的局限性。而且设备冲击试验存在很多不足之处，如受冲击机和浮动冲击平台限制，一些很大而且很重的机械设备无法进行冲击试验[1-4]。为模拟水下爆炸，实际载荷的时域曲线按BV043/85取为一个正波和一个负波的组合[5-6]。由于整船和船上设备之间的冲击环境的多样性，冲击机不可能精确再现船上设备在某一特定地点的冲击环境，或是设备与船体结构之间的相互耦合作用。舰船设备所在位置因舰艇冲击所形成的局部冲击环境不容易取定，设备的破坏形式也不清楚。因此采用试验的方法进行水下爆炸的数值模拟[7]。

目前大多数设备的冲击载荷以冲击谱的形式给出，采用时域分析时需要将冲击谱转换为等效的时域加速度曲线，进而对各考核方向进行加载[8]。而在实际情况中，从炸药爆炸到冲击波、气泡脉动形成，然后传递到舰艇结构，进而传递到舰船设备，在时间上是连续发生的，并且互相耦合、互相作用[9]。为此，将设备安装于船体之内，进行船体设备一体化计算，以期准确描述设备的局部冲击环境，分析设备响应。

1 船体增压锅炉一体化有限元模型

按照真实情况，增压锅炉与船体基座之间采用刚性连接。增压锅炉经装配后的有限元模型见图1、2。

图1 船体与增压锅炉一体化有限元模型

图2 加流场后船体与增压锅炉一体化有限元模型

2 工况设置

在船舯下方60 m处放置1 000 kg TNT，见图3。

图3 船体设备一体化加载示意

这种非接触爆炸通常不会使船体产生严重的破损而导致舰艇的沉没，但是可能引起船体剧烈的振动和较大塑性变形，大面积破坏舰船机械设备和电子仪器，并且增压锅炉位于靠近船艉位置，水下爆炸产生的冲击在增压锅炉三个方向的作用都不可忽略，适用于研究设备分别在垂向、横向、纵向上与船体耦合冲击响应。加载曲线见图4。

图4 冲击波加载曲线

为比较设备-船体一体化抗冲击计算结果与采用BV0430/85中冲击试验结果，将图4工况转换为等效加速度时历曲线加载至设备，工况见表1。

表1 增压锅炉冲击试验工况设置

将增压锅炉-船体一体化冲击方法简称为一体化方法，而BV0430/85中的时域加载法简称为BV方法。

3 数值试验结果对比分析

根据所列工况对增压锅炉进行一体化计算和3个方向BV方法加载计算，锅炉-设备一体化某时刻的响应云图见图5。

图5 锅炉-设备一体化某时刻应力云图

在船舯下方的药包爆炸之后冲击波传递到船体，冲击作用在船体结构中传递到增压锅炉基座处，船体与增压锅炉的冲击响应是相互影响，相互耦合的过程。这与BV方法中有所不同，BV方法单独对设备进行单方向的冲击试验，设备冲击响应不计及设备与实际安装环境之间的相互作用。一体化计算方法与BV方法计算的同一时刻增压锅炉应力云图见图6。

图6 同一时刻增压锅炉内壳响应应力云图

对比图6中的应力云图，在船体设备一体化抗冲击计算中，增压锅炉的响应最恶劣，内壳上大面积出现了较大应力区域；由于垂向冲击输入最大，BV方法垂向冲击响应相对其它两个方向最恶劣，但比一体化计算结果要缓和一些。可见采用一体化方法所得设备的冲击环境最为恶劣。取增压锅炉设备上典型位置单元的Mises应力极值对比见图7。

图7 典型位置单元的Mises应力极值对比

BV方法在不同的冲击加载方向下与一体化加载方法相同考核点的相对误差不同，相对来说一体化与垂向加载的结果相差最小，最小为20%。采用一体化计算设备的冲击响应最剧烈，比相当工况下的BV方法计算的设备冲击响应要大很多。这就可能出现设备虽在进行冲击试验时合格，但安装在舰艇上时，设备的局部恶劣冲击环境会使其遭受破坏。

4 增压锅炉在三向协调加载下的冲击响应分析

采用BV方法分别对增压锅炉三个方向进行加载，发现每个方向的响应都显著小于一体化计算结果。由于BV方法计算工况与一体化计算工况相当，单独方向加载计算结果出现的设备响应过小;采用三个方向即横向、纵向、垂向同时协调加载的方法，将BV方法三个方向的加速度激励同时加载到增压锅炉基座上，再与一体化结果进行对比，从而更进一步分析两种计算方法的区别。

图8给出了增压锅炉在三向协调加载工况下与一体化工况下，某两考核单元的Mises应力时历曲线，同时也给出了与上节中BV方法垂向加载工况结果对比。可以看出，采用三向协调加载的方法，对于不同的部位响应程度不同，但总的来说相对于BV方法单向加载更加剧烈，但是与设备-船体一体化加载方法相比，其响应仍是较弱。取增压锅炉设备上某些考核单元的Mises应力极值对比见图9。

图8 不同加载方法下增压锅炉某考核单元Mises应力响应

图9 增压锅炉设备上某些考核单元的Mises应力极值对比

可以看出，设备-船体一体化工况比BV三向协调加载工况下的响应要剧烈，针对不同的部位，可能响应剧烈程度相差大至54.96%，相差程度小的也有8%。而三向协调加载工况下的锅炉响应并不绝对大于垂向冲击工况，这说明三向同时加载对于锅炉某些部位可能反而会减缓冲击。

5 讨论

对非接触水下爆炸和非直接命中(对设备)而言，锅炉与其所在整个舱室甚至船体为一体，其冲击响应必然与舱室结构有关。对设备的抗冲击响应分析来说，舱室的冲击响应特性是基本环境，必须对这个环境进行准确描述后，分析增压锅炉的冲击响应才有前提。实际增压锅炉在底座处的冲击输入在各点是不同的，以垂向为例，在底座不同部位选取4个考核点，见图10。水下爆炸冲击下基座不同位置处加速度响应见图11。

图10 考核点示意

图11 船体增压锅炉一体化水下爆炸冲击下基座不同位置输入加速度时历曲线

由图11可以看出，在水下爆炸工况下，设备基座处所受到的加速度激励作用随着基座不同位置也是不同的，且有较大差异。说明在模拟爆炸冲击作用时不能简单地在设备基座各处输入采用同一冲击波形。

图12给出了对应于图10中4个位置加速度曲线的频谱分析曲线。

可见，对于设备的冲击输入，在不同位置处的频率成分也是不同的。这就说明了采用BV单向加载分析以及三向协调加载情况，简单地认为在设备基座各处输入采用同一冲击波形，与真实冲击环境不符。同时，设备与船体的耦合作用与边界条件也是不可忽略的。只有采用增压锅炉-船体一体化分析，才能对增压锅炉与船体之间相互耦合作用真实模拟，而其余两种方法都无法考虑设备与船体之间的耦合作用，三向协调加载虽考虑3个方向冲击作用的耦合，但仅是对增压锅炉单独进行冲击计算，与船体结构之间的耦合作用却是无法考虑。

图12 船体增压锅炉一体化水下爆炸下基座不同位置输入加速度激励的频谱分析

以上因素造成了BV加载法不能准确再现设备在舰上的冲击环境，或是设备响应与船体结构运动的交互作用。因此，很有可能出现对设备进行冲击试验时是合格的，而设备安装在舰艇上时，设备所在的局部恶劣冲击环境会使该设备遭到破坏。并且舰艇上设备所在位置由于舰艇冲击所形成的局部冲击环境不同，设备的破坏形式也不清楚。

6 结论

1)BV单向加载时垂向响应比横向和纵向响应大。

2)结构在一体化方法加载下冲击响应最严重，采用一体化加载评估更安全。

3)三向协调加载时，结构响应仍弱于一体化工况，并且在某些部位的响应甚至小于BV垂向加载工况。

4)采用BV单向加载分析以及三向协调加载情况，简单地在设备基座各处输入同一冲击波形，与真实冲击环境不符。

5) 设备与船体的耦合作用及边界条件是不可忽略的，只有采用增压锅炉-船体一体化分析，才能真实模拟增压锅炉与船体之间相互耦合作用。

[1] 王贡献,褚德英,张 磊,等.舰船设备冲击试验机研究进展[J].振动与冲击,2007,26(2)152-183.

[2] 侯维达,李国华,赵本立.强碰撞中型冲击机及其应用[J].船舶科学技术,1994(6):69-75.

[3] 李伯松.模拟爆炸振动的冲击试验机简介[J].爆炸与冲击,2002,22(1):79-82.

[4] 徐 敏.船舶动力机械的振动冲击与测量[M].北京:国防工业出版社,1981.

[5] BV0430/85联邦德国国防军舰艇建造规范[S].冲击安全性,中国舰船研究院科技发展部，译.1998.

[6] 国防科学技术委员会.GJB1060.1—91中华人民共和国国家军用标准[S].舰船环境条件要求机械环境.

[7] 江国和，沈荣瀛.舰船机械设备冲击隔离技术研究进展[J].船舶力学,2006(1)：135-144.

[8] 陈海龙,姚熊亮,张阿漫,等.船用典型动力设备抗冲击性能评估研究[J].振动与冲击,2007,28(2)45-50.

[9] 刘建湖.舰船非接触水下爆炸动力学的理论与应用[D].无锡:中国船舶科学研究中心,2002.