基于Workbench响应谱分析的鱼雷振动传递优化

王 路, 尹韶平, 曹小娟, 郭 君, 郝东旭



基于Workbench响应谱分析的鱼雷振动传递优化

王 路1, 2, 尹韶平1, 曹小娟1, 郭 君1, 郝东旭3

(1. 中国船舶重工集团公司第705研究所, 陕西西安, 710077; 2. 水下信息与控制重点实验室, 陕西西安, 710077; 3. 中国人民解放军92840部队, 山东青岛, 266405)

在鱼雷方案设计阶段, 为降低结构振动传递响应, 优化设计参数, 采用有限元法, 建立了基于Work- bench的鱼雷结构参数化等效模型。以某型鱼雷为例进行全雷结构响应谱分析, 以减小振动传递响应为目标, 优化等效集中质量、壳体厚度、矩形截面加强筋尺寸等结构设计参数。仿真结果表明, 该参数化等效模型能有效仿真鱼雷结构振动传递特性, 结构经优化后自导头段振动传递响应有所降低。

鱼雷; 振动传递; 响应谱分析; 优化设计; 有限元分析

0 引言

鱼雷是一种复杂的水下武器系统, 其结构声学设计直接影响鱼雷战斗性能。鱼雷结构振动传递特性研究及鱼雷振动噪声预报是鱼雷产品结构设计中的重要环节[1]。

随着计算机运行速度的加快, 采用有限元法进行结构动力学分析成为主流。有限元法具有计算精度高、成本低、快捷方便、适用于任何复杂结构的优点, 因此考虑采用有限元法建立参数化模型进行振动噪声预报和低噪声设计优化[2]。

文章采用ANSYS有限元商业软件的work- bench界面建立鱼雷壳体结构参数化等效模型, 导入模态分析模块根据以往模态试验数据修正输入参数, 在响应谱分析模块中加载发动机振动响应谱, 通过模态合并法计算结构振动特性, 进行结构振动传递特性建模仿真。加载优化分析模块, 进行可调参数敏感性分析, 选取设计变量, 优化结构振动传递响应。

1 全雷结构简介

鱼雷结构主要由自导头段、战雷段、电子段、燃料段、动力段、尾段六大舱段组成, 发动机是主要振源, 鱼雷结构振动主要通过壳体传递, 当动力系统的振动能量传递到舱段壳体后, 壳体结构主要以弯曲波的形式把振动传递到给其他耦合壳体结构, 形成壳体表面振动场[3]。

研究考虑动力段振动向前传递, 自导头段对振动传递最为敏感, 结构振动传递噪声会影响自导元器件及声呐基阵工作效果。为方便参数化建模分析, 选择动力段壳体为振动输入端, 自导头段壳体为振动输出端, 建立全雷结构有限元参数化模型, 为后续响应谱分析和优化分析做准备。

2 基于workbench的有限元建模

2.1 舱段壳体

鱼雷舱段壳体多为旋转圆柱壳结构, 采用Shell单元建模比采用实体拉伸建模更易于参数化控制, 运算速度也更快捷。同时, 为方便后续参数优化分析计算, 将头段壳体及尾段壳体简化为等长圆柱壳。

2.2 楔环结构

楔环联接是鱼雷典型联接结构。由于鱼雷壳体楔环部位涉及到2段壳体、2个楔环、填片、盖板和盖板螺钉等多个零件, 相互的力传递特性也很复杂, 为了方便建模和保证计算过程的稳定性和收敛性, 将楔环和壳体轴结构、壳体孔结构连接段作为整体建立等效楔环段模型[4], 如图1所示。

图1 楔环等效模型对比示意图

Fig. 1 Comparison of wedged-ring equivalent models

在几何模块中依次拉伸面体建立自导头段、楔环1、操雷段、楔环2、电子段、楔环3、燃料段、楔环4、动力段、楔环5和尾段。

2.3 舱段壳体加强筋

鱼雷舱段壳体为保证壳体强度需要在内部建立环状加强筋, 加强筋采用线体单元建模。并赋予加强筋线体截面几何形状。在偏置选项中将沿中心偏置改为沿顶部偏置, 并将偏置距离参数与壳体厚度关联起来, 使加强筋与壳体几何模型得以连接。

2.4 舱段内部结构等效质量

鱼雷各舱段内部结构较为复杂, 如果内部按照实体建模, 势必增加运算量。文中所研究鱼雷结构振动传递主要沿壳体传播, 内部结构主要作为质量参与振动。故可选择将内部结构作为集中质量点单独赋予。

各舱段除壳体外内部组件质量用等效集中质量点来表示并附加在各段重心上, 如图2所示。

3 模型参数

3.1 材料参数

将得到的几何模型导入workbench模态分析模块, 赋予材料属性初值参数。各舱段壳体及加强筋采用铝合金材料, 其弹性模量=71 GPa, 泊松比=0.33, 密度=2 770 kg/m3。

由于鱼雷舱段连接并非完全刚性, 其柔性连接刚度不宜测定, 需要参考经验值并依据试验结果进行调节。而各楔环连接段作为单独子结构, 调整其弹性模量即可调整各舱段间的连接刚度。

3.2 几何参数及网格划分

几何模块中, 舱段模型及楔环连接段模型都为面体, 应在分析界面中赋予面体厚度, 并沿面体划分网格, 网格要求均匀且适当细致, 过于细致会影响后续参数优化分析效率。因鱼雷结构尺寸较大, 圆柱壳体网格较为规则, 本模型选取网格单元尺寸为30 mm, 绘制四边形面网格见图3。

3.3 各楔环弹性模量

采用响应谱分析模块计算鱼雷壳体振动传递基于模态合并法, 故首先进行模态分析。调整各楔环弹性模量, 使前3阶方向自由模态固有频率对准试验值。调整方法可采取参数设计点手动调整或采用对准前3阶自由模态频率作为目标函数根据优化模块算法自动调整。文中采用手动调整, 调整后的各楔环弹性模量如表1所示[5]。

表1 各楔环弹性模量

前3阶自由模态频率试验值与模型楔环弹性模量调整前后值对比如表2所示, 括号内为模型仿真值与试验值的相对误差。

表2 前3阶自由模态频率

可以看出, 楔环弹性模量对全雷自由模态频率影响较大, 调整后的模型前3阶自由模态频率与试验值更为接近。调整后模型其前3阶自由方向模态振型如图4所示。

4 Workbench响应谱分析

响应谱分析是模态分析的延伸, 用于计算结构受到冲击载荷或随机载荷(如地震、波浪、发动机推力、振动等)时产生的动力响应情况。谱分析计算结构在每个固有频率处给定谱值下的最大响应, 将其作为模态的比例因子, 并将模态合并来给出结构的总响应。

本模型采用单点谱分析, 模态合并采用SRSS均方根法。考虑到模态质量大于0.9时模态合并法有效, 模态分析频段取0~800 Hz。去除呼吸模态, 前3阶自由模态频率与试验值相仿认为模态分析可靠。恒定阻尼比取0.02, 选择动力舱段壳体作为输入端加载发动机振动加速度响应谱, 方向沿轴正向。自导头段壳体为振动传递响应输出端, 提取正向加速度响应输出。输入响应谱频段在1~500 Hz, 分析频段在1~800 Hz(已将前3阶自由模态频率包含在内), 步长为1Hz。由于在workbench环境下加载响应谱需要施加动力段壳体位移约束, 故头段加速度响应为动力段加速度输入的相对值。

以上鱼雷结构设计参数均为初值, 可得到设计初值响应谱分析结果。

5 Workbench优化设计

Workbench设计探索(design exploration)是功能强大、方便易用的多目标优化及稳健性设计模块。该模块包括目标驱动优化(goal driven optimization), 用于寻找最佳设计点; 相关参数(parameters correlation), 用于得到输入参数敏感性; 响应曲面(response surface), 用于观察输入参数的影响, 通过图表的形式动态显示输入输出参数间的关系; 六西格玛设计(six sigma analysis),用于评估产品的可靠性, 其技术基于6个标准误差理论[6]。

Workbench优化设计的思想是按某种算法生成一系列的离散设计点带入模型运算并拟合成响应曲面, 在响应曲面上插值选出3组满足目标函数的优化设计点, 最终将优化设计点代入计算模型得到优化结果。

5.1 目标函数

本次优化为单目标优化, 以头段壳体加速度响应的最大值变得最小作为优化目标。即目标函数为

其中:max代表头段壳体加速度响应的最大值;代表输入设计参数矩阵;和分别代表输入设计参数取值的下限与上限;T代表设计参数系数矩阵的转置。

5.2 设计变量

在满足结构强度的前提下, 可调参数分为3组: 一是各段等效集中质量, 共6个参数, 变化范围为; 二是各段壳体厚度, 共6个参数, 变化范围可上调1 mm; 三是矩形截面加强筋尺寸, 燃料段加强筋形状尺寸保持不变, 可变尺寸参数有战雷段筋1、筋2, 电子段筋, 动力段筋1、筋2这5个矩形截面加强筋径向厚度与轴向厚度共10个参数, 变化范围为。

由于可调参数较多, 需分别对各组参数作敏感性分析, 找到对振动传递贡献量敏感性较大的参数作为最终优化设计变量。

设定好目标函数及可调参数变化范围后, 分别对3组可调参数进行敏感性分析, 在相关参数模块中查看输入参数敏感性分析如图5所示。

从图5(a)各段等效集中质量组可以看出, 头段等效集中质量和燃料段等效集中质量敏感性较大, 可选为优化设计变量。从图5(b)各段壳体厚度组可以看出, 头段壳体厚度和燃料段壳体厚度敏感性较大, 可选为优化设计变量。从图5(c)各矩形截面加强筋尺寸组可以看出, 战雷段筋1的B1和电子段筋的A3敏感性较大(A代表加强筋径向厚度, B代表加强筋轴向厚度, 1代表第1根筋, 3代表第3根筋), 可选为优化设计变量。

5.3 优化设计结果

经过敏感性分析, 最终选定的设计变量为: 头段等效集中质量和燃料段等效集中质量, 头段壳体厚度和燃料段壳体厚度, 战雷段筋1的B1和电子段筋的A3, 共6个参数。其他参数按初值取, 使头段壳体加速度响应的最大值变得最小作为优化目标, 寻找到3组优化设计点, 代入计算。

通过有限元软件仿真优化结果(见表3)可以看出, 经过优化, 头段壳体加速度响应的最大值由初值192.05 mm/s2降到166.58 mm/s2, 降低了1.24 dB, 表明该鱼雷结构参数化模型可较好地应用于鱼雷结构产品设计的振动声学特性优化。

表3 参数化模型优化结果

6 结束语

文章建立的有限元参数化模型可有效用于鱼雷结构振动传递研究。其中楔环等效模型、加强筋的线体模型, 舱段壳体的面体模型、舱段内部等效集中质量的建模方法提高了建模及运算效率, 加强了参数间的关联性。可调设计参数敏感性分析使后续优化工作减小了计算量, 为鱼雷结构声学设计参数优化提供了有效解决途径。

[1] 尹韶平, 刘瑞生. 鱼雷总体技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2011.

[2] 曹银萍, 石秀华. 基于ANSYS的鱼雷有限元建模与模态分析[J]. 弹箭与指导学报, 2009, 29(3): 289-292.Cao Yin-ping, Shi Xiu-hua. Finite Element Modeling and Modal Analysis of Torpedo Based on ANSYS[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2009, 29 (3): 289-292.

[3] 张宇文. 鱼雷总体设计原理与方法[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1995.

[4] 刘飞飞, 石秀华, 杜喜昭, 等. 楔环联接方式的圆柱壳体振动传递特性分析[J]. 国外电子测量技术, 2011, 30 (12): 30-33.Liu Fei-fei, Shi Xiu-hua, Du Xi-zhao, et al. Analysis on the Vibration Transfer Characteristic of the Cylindrical Shell with Wedge Ring[J]. Foreign Electronic Measurement Technology, 2011, 30 (12): 30-33.

[5] 马锐磊, 尹韶平, 曹小娟, 等. 鱼雷楔环连接结构等效刚度建模与模态分析[J]. 舰船科学技术, 2014, 36(2): 143-147.Ma Rui-lei, Yin Shao-ping, Cao Xiao-juan, et al. Research on Finite Element Modeling and Modal Analysis of Torpedoʹs Wedged-ring Connection Structure[J]. Ship Sci- ence and Technology, 2014, 36(2): 143-147.

[6] 凌贵龙. ANSYS Workbench 13.0从入门到精通[M]. 北京: 清华大学出版社, 2012.

Vibration Transfer Optimization of Torpedo Based on Workbench Response Spectrum

WANG Lu1,2, YIN Shao-ping1, CAO Xiao-juan1, GUO Jun1, HAO Dong-xu3

(1. The 705th Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi¢an 710077, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi¢an 710077, China; 3. 92840thUnit, The People′s Liberation Army of China, Qingdao266405, China)

For reducing structural vibration transfer response and optimizing design parameters in the scheme design phase of a torpedo, finite element analysis is employed to establish a parameterized equivalent model of torpedo structure based on Workbench. Response spectrum analysis is conducted for the shell of a certain type torpedo. The design parameters, like equivalent concentration of mass, shell thickness, and size of reinforcing rib with rectangular cross section, are optimized to reduce the vibration transfer response. Simulation results show that this parameterized equivalent model can effectively simulate the characteristic of structural vibration transfer of a torpedo, and the vibration transfer response of the homing head cabin decreases after optimization.

torpedo; vibration transfer; response spectrum analysis; optimization design; finite element analysis(FEA)

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.01.003

TJ630

A

1673-1948(2016)01-013-05

2015-09-02;

2015-10-19.

王 路(1991-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为鱼雷总体技术.

(责任编辑: 陈 曦)