管路系统抗冲击设计原则计算分析

嵇春艳，智广信，王 月，崔 杰

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

管路系统抗冲击设计原则计算分析

嵇春艳，智广信，王 月，崔 杰

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

对舰船上平面典型管路系统按减振元件、支撑方式、连接方式、穿舱方式等进行分类，建立有限元模型，计算抗冲击性能极限状态下的主要影响因素及边界值。建立包括材料选取原则、元器件布置原则、连接方法选用原则在内的管路抗冲击设计原则，以便于工程应用。

管路系统；抗冲击；设计原则

舰船在服役期间不可避免地面临各种冲击问题，直接关系到舰船在战争中的战斗力和生命力[1]。船上管路系统错综复杂，由于爆炸等突然的冲击而引起重要管路的破损，将会使舰船动力装置受损，严重的情况下，可使舰船丧失作战能力[2]。目前，水面舰艇管系设计对抗冲击性能考虑较少，各船厂设计部门的管系设计布置标准和原则依据都不相同，大多数都是根据各自部门的经验累积或者参考民船标准进行设计[3]，因此，需要对水面舰艇管系抗冲击设计方法进行研究，形成便于工程应用的管路抗冲击设计原则。

1 管路系统抗冲击性能数值计算分析

将典型管路系统按以下方式进行分类。①减振元件：在管路固定元件与管路接触处增加橡胶及使用弹簧减振器。②支撑方式：按支吊架的个数进行研究分析。③连接方式：最常见的管路之间连接器件为波纹管连接及法兰连接。④不同穿舱方式：活络复板式、复扳套管式及套管式。

管路系统包括管路和船体结构的相关支撑配件，采用某舰船一段典型管路系统，在该管路系统上分别建立不同减振元件、支撑方式、连接方式、管路船舱方式等多个有限元模型，对每类管路有限元模型分别进行数值计算分析。

1.1 不同减振元件

不同减振元件见图1、2。

图1 橡胶减振方式管路冲击云图

图2 弹簧减振方式管路冲击云图

由计算可得：橡胶减振方式管路在垂向冲击时域下的最大位移为0.008 663 m，其时刻为0.036 42 s;在横向冲击时域下的最大位移为0.005 504 m，时刻为0.036 42 s。

弹簧减振方式管路在垂向冲击时域下的最大位移为0.196 09 m，时刻为0.029 26 s;在横向冲击时域下的最大位移为0.007 291 m，时刻为0.025 68 s。

1.2 不同支吊架个数

船上的管路一般都是受冲击载荷发生横力弯曲，这时管路的横截面上既有弯矩又有剪力[4]。由于切应力的存在，横截面将不能再保持为平面而发生翘曲。横力弯曲时，弯矩随截面位置变化。本次选取管长为L，壁厚为t，管直径为D，一般情况下，最大的正应力为

(1)

整理得：

(2)

由应力衡准知：σmax≤[σ]=500 MPa。

化简式(2)得到管路各关键参数之间的相互关系为

(32D3t2-128D2t3+

(3)

式中：amax——设计最大值，amax=665.288 84 m/s2；

ρ——管路材料密度。

当已知管路壁厚t，管直径D时，可以得到管子长度L，即可得到支架的间距。

支架受冲击时的最大位移见图3、4。

图3 支架距离为5m管路受冲击时位移云图

图4 支架距离2.5 m管路受冲击时位移云图

计算得支架布设间距分别为5.0、2.5 m管路系统在两种冲击环境下最大位移及最大合成应力见表1。

表1 支架布设间距为5.0、2.5 m管路系统位移及应力比较

1.3 不同连接方式

不同连接方式见图5、6。

图5 波纹管连接方式受冲击时最大位移云图

图6 法兰连接方式管路受冲击时最大位移云图

由计算可得：波纹管连接方式管路在垂向冲击时域下的最大位移为0.012 847 m，时刻为0.025 68 s，其在横向冲击时域下的最大位移为0.013 944 m，时刻为0.036 42 s。

法兰连接方式管路在垂向冲击时域下的最大位移为0,005 974 m，时刻为0.014 94 s，在横向冲击时域下的最大位移为0.008 69 m，时刻为0.029 26 s。

1.4 不同穿舱方式

不同穿舱方式见图7～9。

图7 活络复板式管路受冲击时最大位移云图

图8 复板套管式管路受冲击时最大位移云图

图9 套管式管路受冲击时最大位移云图

由计算可得：活络复板式通舱件管路在垂向冲击时域下的最大位移为0.006 92 m，时刻为0.054 28 s;在横向冲击时域下的最大位移为0.004 758 m，时刻为0.04 s。

复板套管式通舱件管路在垂向冲击时域下的最大位移为0.006 759 m，时刻为0.032 84 s；在横向冲击时域下的最大位移为0.004 328 m，时刻为0.004 363 s。

套管式通舱件管路在垂向冲击时域下的最大位移为0.003 421 m，时刻为0.014 94 s；在横向冲击时域下的最大位移为0.041 155 m，时刻为0.054 28 s。

2 管路抗冲击设计原则

2.1 材料选取原则

管路所用的材料主要为铜镍合金管(Bfe10-1-1)，各构件的材料性能参数为[5]弹性模量E=124 GPa，泊松比μ=0.32，密度ρ=8 800 kg/m3，许用应力σ=550 MPa。弹簧的材料为铬钒钢(50CrVA)，各构件的材料性能参数为弹性模量为1 206 GPa，泊松比0.29，密度7 820 kg/m3，刚度实常数为400 kN。橡胶的材料性能参数为弹性模量E=28 MPa，泊松比μ=0.49，HYPER58的Mooney-Rivlin超弹性属性的两个实常数分别为C1=0.293×106，C1=0.177×106。

使用减振元器件对复杂的管路系统抗冲击有所改善，橡胶减振方式优于弹簧减振方式，建议在选取减振元器件时，在满足减振要求的前提下，从提高管路系统抗冲击性能的角度出发，优先选用橡胶减振元器件。

2.2 元器件安装布置原则

管路元器件安装在不同部位受到的冲击载荷大小不同，外板部位受到的冲击载荷最大，因此管路的最大位移、最大合成应力及最大剪切应力也最大;冲击载荷来自船体部位时次之;冲击载荷来自甲板时最小，进行管路设计时应特别注意。当管路受到垂向冲击时，无论冲击载荷来自哪个部位的，最大的垂向位移的位置相同；同样当管路受到来自不同部位不同大小的冲击载荷横向冲击时，管路的横向最大位移位置相同。此外，通过缩短支吊架布设距离可以有效地提高管路系统的抗冲击性能。

管路系统的支架布设间距、布设方式对管路系统的抗冲击性能影响大，减小布设间距有利于减小管路系统位移，减小管路系统高应力区应力，从而提高管路系统的抗冲击性能。文中得到的支架具体布置距离参考式(3)，即管壁厚选为4 mm，管子公称直径D分别为10、15、20、25 mm，钢管对应的直管段支架间距L1分别为1 761、933、600、425 mm，铜管的直管段支架间距L2分别为1 682、891、571、405 mm。

在布设方式中，横向、垂向的支架分别仅对管路系统的支架约束方向的抗冲击性能影响显著，而对另外两个方向抗冲击性能影响较小，因此建议管路系统支架之间的布设方式不宜过大，尤其当管路系统垂向弯管高度较高时建议根据管路系统的实际空间结构增加横向支架的布置个数。

2.3 连接方法原则

在相同的冲击环境下，管路系统两种连接方式的应力响应基本相同；总体上而言垂向、横向冲击荷载作用下法兰连接方式下管路系统的抗冲击性能优于波纹管连接方式，尤其是采用法兰连接方式时管路系统在冲击荷载作用下的最大位移响应可以得到有效改善。而柔性抗冲击连接装置也有如下优点：①增加管路与设备连接装置的抗冲击性能；②实现管路与设备的柔性连接，同时保证正常状态时连接装置变形极小，提高连接装置的疲劳寿命；③在冲击荷载作用下可降低管路与设备连接处的应力；④有效防止管路与设备连接处在冲击作用下发生断裂的风险；⑤在冲击荷载作用下有效降低与设备连接处管路的变形量。

在不同的船舱方式中活络复板式、复板套管式及套管式3种通舱件抗冲击性能，套管式要优于其他两种方式，活络复板式抗冲击性能最差。建议实际管路通舱时尽量使用套管式通舱件以提高管路系统的抗冲击性能。

3 结论

1)垂向、横向冲击荷载作用下采用橡胶减振方式时管路系统的最大位移响应远小于采用弹簧减振方式下管路系统的最大位移响应。在管路系统应力响应方面，横向冲击荷载作用下橡胶减振方式优于弹簧减振方式，在垂向冲击荷载作用下橡胶减振和弹簧减振方式基本相同。

2)通过管路两种连接方式抗冲击性能的比较分析表明，在相同的冲击环境下，针对管路系统的抗冲击性能而言，法兰连接方式优于波纹管连接方式，尤其是采用法兰连接方式时管路系统在冲击荷载作用下的最大位移响应可以得到有效改善，两种连接方式下，管路系统的应力响应基本相同。

3)垂向方向布置支吊架时，随着支吊架间距的增加，管路系统垂向抗冲击性能显著减弱；但垂向支吊架的间距变化对管路系统的横向抗冲击性能几乎没有影响。

4)通过对活络复板式、复板套管式及套管式3种通舱方式下管路系统的抗冲击性能分析比较，在垂向、横向冲击下，采用套管式穿舱方式管路系统的抗冲击性能明显优于活络复板式及复板套管式穿舱方式，套管式穿舱方式下管路系统最大应力约为活络复板式穿舱方式的1/2。复板套管式穿舱方式与活络复板式穿舱方式相比而言，复板套管式穿舱方式的抗冲击性能略优于活络复板式穿舱方式。

[1] 李兆俊,汪 玉,陈学德,等.管路系统冲击设计方法分析[J].振动与冲击,2008,27(9)：171-174.

[2] DEGRASSI G,NIE J,HOFMAYER C.Seismic analysis of large-scale piping systems for the JNEA-NUPEC Ultimate Strength Piping Test Program[R].Washington D.C:U.S.NRC,2008.

[3] PARKS E W.The permanent deformation of a cantilever struck Transversely at its tip[J].Proc.R.Soc,1955(228):462-476.

[4] 郭晋挺,司马灿,刘建湖,等.舰艇管路系统的抗冲击性能弹性评估方法[J].船舶力学,2004,8(4):108-115.

[5] LIANG C C,TAI Y S,Shock responses of a surface ship subjected to noncontact underwater explosions[J].Ocean Engineering.2006,33:748-772.

Study on Design Principles for the Impact Resistant Piping System

JI Chun-yan1, ZHI Guang-xin1, WANG Yue1, CUI Jie1

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China)

The plane typical piping system of ships and warships was classified according to having damping component or not, ways of support, connection and through the bulkhead. The main influence factors and boundary value under the limit of shock resistance are calculated by FEM respectively. For the sake of engineering application, a design principle of impact resistant pipeline is established according the numerical value analysis, consist of the principles of material selection, component placement and connection method.

piping system; impact resistant; design principle

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.029

2014-09-02

船舶工业国防科技预研基金(10J1.1.7)

嵇春艳(1976-)，女，博士，教授

U661.43

A

1671-7953(2015)01-0112-05

修回日期：2014-09-29

研究方向:船舶与海洋结构物的力学性能及动力性能、减振方法

E-mail: jichunyanjkd@ 163.com