拖曳式声纳收放架抗冲击能力时域分析

冯麟涵，黄　鑫，温肇东，计　晨（.海军装备研究院，北京006；.沈阳工业大学机械工程学院，沈阳0870）



拖曳式声纳收放架抗冲击能力时域分析

冯麟涵1，黄鑫2，温肇东1，计晨1
（1.海军装备研究院，北京100161；2.沈阳工业大学机械工程学院，沈阳110870）

摘要：收放架用于收、放及拖曳声纳，是保障声纳等重要设备进行正常探测能力的重要装置，其抗冲击性能目前研究得较少。为研究拖拽式声纳收放架的抗冲击能力，采用时域模拟法分别对不同工作状态下收放架进行冲击校核，分析结果表明：收放架能够满足不同工作状态下抗冲击要求，但是在收回声纳过程中，收放架受到垂向冲击时底座定位孔处局部应力峰值已接近材料的许用应力，需进行强化处理。同时研究推进系统及头架系统的齿轮箱、电机机构加速度响应规律，结果表明：悬挂式安装的设备在冲击过后会出现振荡现象，造成加速度响应峰值甚至会超过冲击过程中响应峰值。

关键词：振动与波；收放架；抗冲击能力；时域分析；冲击响应；振荡

收放架安装在舰船尾座甲板，用于承担声纳的收、放及水下探测时的拖曳任务，是保障声纳进行正常探测能力的装置。海战中，不可避免地遭受多种形式的冲击。因此，有必要对其在工作状态下的抗冲击性能进行研究。

目前，舰用设备抗冲击性能计算方法有静态等效法，动力设计分析方法(DDAM)和时域动态分析方法［2］，在考虑大量的非线性效应时，时域动态分析方法是当前国内外普遍采用的一种计算方法。国内学者运用时域动态分析方法也开展了大量设备冲击响应研究工作，但有关正确模拟设备结构和部件间接触关系仍为该领域研究的热点和难点问题［3–7］。

建立某舰用收放架的有限元模型，对模型进行冲击响应时域计算，可知收放架在工作过程中受冲击时的薄弱环节，并得到主要部件的冲击响应特性，旨在为进一步的冲击试验提供理论依据。

1　收放架计算模型

1.1收放架工作状态

收放架主要由底座、推进系统、旋转支架、伸缩系统和头架五部分组成，具有吊起、拖曳、收回三种工作状态。初始状态时，声纳位于收放架底座，推进系统将推进台通过定位销固定在1号定位孔；声纳吊起，推进系统驱动推进台移动到底座导轨3号定位孔，经定位销固定，伸缩系统液压缸、伸缩臂伸长到最大位置完成第一种工作状态。此时，收放架工作空间达到最大；声纳在水中探测时，为保证收放架的稳定性，液压缸、伸缩臂都处于收缩状态，推进系统驱动推进台移动至底座2号定位孔，经定位销固定，完成第二种工作状态；声纳收回时的状态为第三种工作状态。

1.2收放架有限元模型

利用HYPERMESH前处理软件建立收放架在工作状态下的有限元模型，采用高精度六面体单元进行网格划分共生成235 935单元、335 916节点。其中收放架底座、支架、头架为固定件，液压缸、旋转支架、伸缩臂为运动件，液压缸缸体、旋转支架及伸缩臂与支架之间创建转动约束，液压缸体与活塞杆、伸缩臂与伸缩臂体之间创建移动约束，支撑滚轮与底座导轨之间创建滚动约束。

图1为第一种工作状态下收放架有限元模型，图2为其余两种工作状态下收放架有限元模型。第二、三种工作状态下收放架有限元模型不同之处在于F的大小（分别定义为F2、F3）不同。其中F1为声纳的重量，F2、F3分别为声纳在水中探测时及收回时的拖曳力，且F2

图1　第一种工作状态下收放架有限元模型

图2　其余两种工作状态下收放架有限元模型

2　收放架的冲击载荷

由于收放架有限元模型中含有大量的接触非线性，不适合运用频域抗冲击分析方法进行分析计算，故采用时域抗冲击计算方法对收放架模型进行分析计算。首先确定冲击载荷输入，然后分别在垂向、横向和纵向3个方向对收放架进行冲击响应仿真计算。水下非接触爆炸时，冲击载荷通过有限连接途径传递到设备本体，最大冲击载荷为垂向[8]，因此相关标准规范规定的冲击载荷垂向载荷最严苛[9]，故以垂向冲击为例研究收放架在三种工作状态下的冲击响应特性。

2.1冲击载荷输入

实际水下爆炸所发生的冲击激励是不规则的、较为复杂的冲击力或冲击加速度，校核设备的抗冲击能力需要标准的冲击载荷。目前较为常用的是将实际冲击激励转化为设计冲击谱[8]，根据标准转化为时域加速度载荷，使其能接近于机电设备的实际安装使用环境。

未给出谱位移值情况下，一般采用正弦波加载，时域冲击信号如图3所示。表1给出垂向冲击时加速度时历曲线参数取值，其中A1为加速度峰值，t1为冲击时间，t2为自由振动时间。

表1　垂向冲击时加速度时域参数

图3　时域冲击信号

根据实际情况，收放架与甲板基座之间无弹性抗冲装置，故在抗冲击计算中认为其属于刚性边界条件，冲击加速度载荷将直接施加于收放架底座。考虑到收放架在工作状态下受到拖曳力作用，故对收放架在承受工作载荷状态下进行冲击能力校核。

3　仿真计算结果分析

3.1不同工作状态下收放架应力分布

对三种工作状态下收放架的垂向抗冲击性能进行校核，现提取某典型时刻收放架的应力分布云图如图4所示。由图可知，第一种工作状态下，收放架的应力较大区域发生在底座支撑滚轮及旋转支架伸缩臂处；第二、三种工作状态下，收放架应力较大区域发生在底座定位孔处。

第一种工作状态为声纳吊起并入水过程，为使工作空间最大化，收放架各伸缩臂均伸长到最大位置，支撑滚轮不仅要承受收放架自身一部分重量，还要承受来自声纳的倾覆力矩，造成支撑滚轮与底座导轨接触区域承受较大应力。第二、三种工作状态下，底座上固定推进系统的定位孔承载着来自声纳的拖拽力，造成定位销及定位孔的接触区域产生较大应力，且拖曳力越大，该区域产生的应力就越大。

图4　第一种工作状态收放架应力分布

参照相关标准可知，对于冲击安全为A级的设备，冲击载荷引起的应力不得超过静态屈服极限，即

式中σmax为校核单元Mises应力峰值( MPa)；[σ]为许用应力(MPa)。

为形象表述垂向冲击时收放架各主要部件的抗冲击能力，表2给出三种工况下收放架主要部件应力响应最大值与屈服应力之比。由表中比值可知，收放架各部件均能满足垂向抗冲击要求，但在第三种工况下，底座局部区域应力响应峰值已接近材料的屈服极限，为收放架的危险区域，应进行强化处理以提高其强度。同时，对比第2、3种工况发现，随着拖曳力增大，各部件应力峰值呈明显上升趋势，但应力峰值出现的区域基本相同。

表2　垂向冲击下的应力最大值/屈服应力

3.2收放架简化部件冲击响应分析

在不考虑部件内部冲击传递关系时，为提高计算效率，通常对齿轮箱、电机等复杂模型内部结构进行简化处理，此时，通过分析应力分布情况已不能反映抗冲击性能。故通过分析此类机构加速度响应评价抗冲击性能，并根据安装基础的响应拟定合理的冲击环境以便进一步的冲击实验校核。

图5—图8为三种工况下垂向冲击时推进系统齿轮箱、推进电机、头架齿轮箱、头架电机加速度响应。由图可知，收放架在受到垂向冲击时，推进系统齿轮箱、推进电机、头架齿轮箱、头架电机加速度响应均出现明显的峰值，且峰值随着拖曳力增大明显增大，加速度响应周期与机构的位置有关，工作状态相同时，响应周期不发生改变。

图5　第二种工作状态收放架应力分布

图6　第三种工作状态收放架应力分布

图7　三种工况下推进系统齿轮箱加速度响应

图8　三种工况下推进电机加速度响应

对比分析图5和图7发现，机构安装方式不同时，加速度响应规律发生明显的变化，对于悬挂式安装的头架齿轮箱在冲击过后会出现振荡现象，不易进入稳定状态，而固定在推进台上的推进系统齿轮箱加速度响应呈逐渐衰减趋势。

图9　三种工况下头架齿轮箱加速度响应

图10　三种工况下垂向冲击时头架电机加速度响应

4　结语

(1)声纳吊起时，应力较大区域出现在底座支撑滚轮及旋转支架伸缩臂端部；而声纳拖拽、收回时，收放架最大应力出现在底座导轨定位孔接触区域。由此可见，冲击时最大应力发生区域与收放架的工作状态有关。

(2)机构安装方式不同时，加速度响应规律发生明显的变化，对于悬挂式安装的头架齿轮箱在冲击过后会出现振荡现象，不易进入稳定状态，而固定在推进台上的推进系统齿轮箱加速度响应呈逐渐衰减趋势。

(3)推进系统齿轮箱、推进电机、头架齿轮箱、头架电机加速度响应均出现明显的峰值，峰值随着拖曳力增大明显增大，加速度响应周期与机构的位置有关，工作状态相同时，响应周期不发生改变。

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Time-domain Analysis of Shock Resistance Ability of Retractable Equipment of Towed Sonars

FENG Lin-han1, HUANG Xin2, WEN Zhao-dong1, JI Chen1
（1. Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China; 2. School of Mechanical Engineering, Shengyang University of Technology, Shenyang 110870, China）

Abstract:The retractable equipment used for winding and towing sonars is an important equipment to guarantee the normal working condition of the sonar and the other important equipment. In this paper, the shock resistance ability of the retractable equipment was simulated in time- domain under different working conditions. The results show that the retractableframecan meet theanti-shock requirement under different working condition, but in thesonar recovery process, the peak value of the stress near the located hole on the base is close to the allowable stress, thus, the hole needs to be reinforced. Then, the acceleration responses of the propulsion system and the headstock system were studied. The results show that the suspended equipment can yield a secondary oscillation phenomenon, which can cause the peak response accelerationtoexceedthat duringtheshock.

Key words:vibration and wave; retractableequipment; shock resistanceability; time-domain analysis; shock response; oscillation

作者简介：冯麟涵（1982-），女，河北省石家庄市人，工程师，主要研究方向为舰载设备抗冲击。E-mail:fenglinhan1225@163.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51209215)

收稿日期：2015-06-10

文章编号：1006-1355(2016)02-0080-04

中图分类号：O422.6

文献标识码：ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.017