基于模态叠加算法的轻型鱼雷雷载设备振动环境研究

张溢文, 尹韶平, 王志杰, 郭 君, 张志民, 高 山



基于模态叠加算法的轻型鱼雷雷载设备振动环境研究

张溢文1,2, 尹韶平1, 王志杰1, 郭 君1, 张志民1, 高 山1

(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)

为解决轻型鱼雷雷载设备振动环境复杂, 实测数据不足的问题, 针对鱼雷雷载电子设备振动环境开展研究。以有限元方法为基础建立了轻型鱼雷电子舱段的计算模型, 使用ANSYS Workbench进行模态分析并提取了固有频率和振型等模态数据。通过与模态试验数据对比, 验证了计算模型的正确性。随后使用模态叠加算法进行了各雷载设备振动环境预示。针对预示结果出现的隔板装配设备力学环境恶劣的问题, 提出了改进措施。与原方案对比可知, 改进方案的振动均方根数据降幅超过40%, 具有工程实用价值, 可在轻型鱼雷结构设计中推广。

鱼雷雷载设备; 模态叠加法; 模态分析; 模态试验; 振动环境预示

0 引言

轻型鱼雷作为鱼雷的重要分支, 主要用于打击敌方常规动力潜艇和核动力潜艇, 可装备大、中型水面舰艇、反潜直升机和固定翼反潜飞机, 也可作为反潜导弹的战斗载荷[1]。轻型鱼雷多平台使用的特点决定了其雷载设备在产品全生命周期中会经历复杂多样的力学环境。在前期实航试验中曾多次出现因恶劣力学环境导致雷载电子设备失效的严重故障。因此研究雷载电子设备的力学环境, 为其环境适应性设计提供数据支撑具有重要的工程实用价值。

针对振动环境预示问题, Kolaini与Tsoi[2-3]等利用耦合有限元/边界元方法对混响声场作用下的卫星天线结构动力学响应进行了研究。马锐磊[4-5]等通过对楔环连接的等效, 建立了鱼雷振动噪声计算模型, 对鱼雷典型部位的低频振动环境以及辐射声功率进行了计算研究。韩飞[6]等采用子结构导纳法建立了UUV动力舱段的耦合振动传递计算模型, 求解了舱段壳体目标点处的振动响应, 并以此展开了参数影响规律研究。前期开展的振动环境预示主要研究方向为振动对结构的影响及振动引起的辐射噪声预报, 但在电子设备振动环境问题上未开展深入研究。文中主要对轻型鱼雷雷载电子设备振动环境进行研究, 以有限元方法为基础, 通过模态试验验证模型, 使用模态叠加算法计算雷载设备安装点的振动环境, 并针对隔板装配设备出现的结构共振问题提出了改进措施。

1 有限元模型的建立

1.1 舱段布局及坐标系定义

电子舱段的布局如图1所示, 其主要由设备1、设备2、设备3、设备4、隔板和壳体6个零部件组成。其中设备1、设备2与设备3直接固定在壳体上; 设备4固定在隔板上, 隔板与壳体再通过螺钉连接固定。

为便于施加边界条件及说明计算结果, 定义直角坐标系如下: 坐标原点为舱段分界面圆心位置,轴从原点沿壳体径向指向楔环接口中央,轴从原点沿壳体轴向指向雷尾,轴可由右手定则确定。同时规定文中使用的长度及位置度量单位均为mm。

1.2 模型简化

有限单元法是一种获得工程问题近似解的数值分析方法, 其运算速度与网格数量, 边界条件设置存在很大关系。采用合理方式简化几何模型及边界条件, 将大幅提高运算速度并使计算结果与真实数据的误差控制在合理范围内[7]。表1为舱段有限元建模的简化处理方法。

表1 电子舱段有限元建模简化方法

1.3 接触定义

壳体与隔板的装配方式如图2所示, 隔板端面与壳体内环端面接触, 并通过8个螺钉固定。

由装配方式可知, 在螺钉连接处, 壳体与隔板刚性固连, 所以在此处施加绑定约束。隔板端面与壳体内环面接触但不固连, 因此在此处施加无摩擦接触约束。

1.4 材料赋值

壳体与隔板均使用铝合金材料, 但在赋值时调整了隔板材料的密度以包含电路板质量。材料属性如表2所示。

表2 材料属性

1.5 网格划分

使用Hypermesh软件对简化后的几何模型划分网格。壳体使用四面体单元, 全局尺寸8 mm; 隔板使用六面体单元, 全局尺寸4 mm, 按前文规定设置集中质量。划分网格结果如图3所示, 共生成网格117 142个, 节点210 043个, 经网格质量检查未发现不良单元。

2 电子舱段模态分析

2.1 模态分析基本理论

多自由度系统动力学方程为[8]

式中:为质量矩阵;为阻尼矩阵;为刚度矩阵;为位移向量;为力向量。对于低阻尼材料, 可忽略系统阻尼; 同时令=0, 即得到系统自由振动方程

(2)

设微分式(2)的特解为

将式(3)代入式(2)得

(4)

(6)

系统的振动响应可表示为各阶模态贡献量之和, 即

式中:q为第阶模态坐标。

2.2 模态计算

将已建立的有限元模型导入ANSYS Workbench模态分析模块, 选用迭代求解器计算电子舱段模态。为与试验结果相互对照, 计算自由状态下的模态, 因此, 会出现6阶趋近于0的模态(3阶平动与3阶转动)。通过设置分析频率范围过滤, 计算得出前6阶固有频率如表3所示。

表3 计算固有频率

各阶固有频率对应的振型如图4所示。

3 电子舱段模态验证试验

3.1 模态试验

模态试验是一种通过试验来获取系统模态参数的方法。将试验提取的模态参数与有限元仿真计算得出的参数相对比, 可以验证有限元模型的正确性, 进而确保振动环境预示计算结果的准确性。

此次试验采用锤击法测量电子舱段的模态。试验时用弹性绳悬吊电子舱段以模拟自由状态(弹性悬吊系统的1阶固有频率约为30Hz≪舱段1阶固有频率)。使用LMS Test. Lab系统采集与处理模态参数, 试验现场见图5。

3.2 模态参数提取

LMS Test. Lab采用PolyMax法辨识模态参数, PolyMax法也称作多参考点最小二乘复频域法, 是一种对极点和模态参与因子进行整体估计的多自由度法[9]。该方法可以建立清晰的稳态图, 通过选取极点获得模态参数。在模态密集系统或频响函数受噪声污染的情况下该方法仍具有良好的识别精度。电子舱段模态试验得出0~1000 Hz频率范围内的稳态图如图6所示。

稳态图中各点(stable点)聚集的频响函数峰值对应的频率为固有频率, 相应的振型为模态振型。

3.3 试验结果与仿真结果对比

试验提取到的固有频率及模态振型与有限元分析计算得出的相应数据对比见表4和图7。

表4 固有频率对比

通过对比固有频率与振型可知, 用有限元方法计算出的1~6阶模态与试验测得的1~6阶模态存在一一对应关系。固有频率误差<7%, 振型一致性较好。因此电子舱段有限元模型准确, 可以用于雷载设备振动环境预示计算。

玉米机收跨越发展。玉米联合收获机从1978年的100台发展到今年的8万多台，玉米机收由29万亩发展到4075万亩，机收水平从不到1%快速提高到86%。

4 雷载设备振动环境预示

4.1 雷载设备振动环境

雷载设备的振动环境主要包括: 鱼雷运输、存储过程中的颠振激励; 助飞鱼雷空中飞行时的气动振颤及助推器的振动激励; 水下航行时湍流引起的振动及动力系统的振动激励等。

颠振激励在频域上表现为低频大幅度振动, 可通过在改进鱼雷包装箱, 填充发泡缓冲材料进行抑制, 故在鱼雷力学环境适应性设计中不着重考虑。空中飞行和水下航行时产生的振动激励在频域上表现为宽频随机振动, 随机振动引起的失效形式为疲劳失效。由于鱼雷(操雷)可多次重复使用的特点, 此类振动对雷载设备的影响时间最长, 在力学环境适应性设计中必须考虑。

4.2 雷载设备振动环境预示

振动环境预示所用数据为实航试验所测空中飞行与水下航行时电子舱段的振动功率谱密度, 使用ANSYS Workbench随机振动分析模块, 算法为模态叠加法。将振动数据加载至已建立的电子舱段有限元模型壳体上, 计算各个雷载设备安装基点的振动数据, 结果见表5、表6、图8和图9。

表5 各设备空中飞行阶段振动均方根数据

5 基于振动环境预示结果的电子舱段改进建议

通过第4章计算结果可知, 安装在隔板上设备4的力学环境要比安装在壳体上设备1~设备3恶劣, 在空中飞行及水下航行工况中, 都存在明显的共振峰。出现问题的原因为, 隔板在设计时未充分考虑力学环境因素, 刚度偏低, 其固有频率与环境振动频率接近, 导致结构出现共振[10]。解决此问题的方法为通过改进设计方案, 增加隔板刚度, 提高隔板固有频率, 避开原共振频率, 最终达到抑制振动的目的。

表6 各设备水下航行阶段振动均方根数据

图10为改进后隔板设计方案与原方案的对比, 改进方案使用了加强筋结构来提高刚度。参照已经过试验验证的电子舱段建模方法, 建立改进方案的计算模型, 通过仿真计算, 可以得出改进方案的振动力学环境, 与原始方案对比见表7和图11。

表7 设备4振动均方根数据对比

通过对比改进前后的振动数据可知, 改进方案较原方案在空中飞行、水下航行阶段振动均方根数据有显著下降, 降幅超过40%, 在原共振频段振幅明显减小。因此在隔板设计中增加加强筋的方案可有效抑制振动。

6 结束语

文中使用有限元方法, 建立了轻型鱼雷电子舱段的计算模型。通过模态分析与模态试验结果对比, 验证了有限元模型的正确性。使用模态叠加算法计算了舱段内各设备的振动环境。并针对安装在隔板上设备力学环境恶劣的问题提出了改进方案。与原方案对比可知, 通过改变平板结构, 增加加强筋的隔板改进方案可有效抑制振动, 可在轻型鱼雷结构设计中推广。由于时间有限, 文中未对隔板改进方案进行详细研究, 后续研究工作可针对隔板结构优化展开, 通过建立参数化模型, 以质量最轻和振动最小为目标, 进一步优化设计方案。

[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] Kolaini A R, Kissil A, Childs B W. Vibro-acoustic Analysis of Lightweight Structures[C]//El Segundo, USA: The 2009 S/C＆L/V Dynamic Environment Workshop, 2009.

[4] 马锐磊, 尹韶平, 曹小娟, 等. 基于FEM的鱼雷低频振动环境预示方法研究[J]. 舰船电子工程, 2014, 34(5): 136-139.Ma Rui-lei, Yin Shao-ping, Cao Xiao-juan, et al. Torpedo′s Vibration Environment Prediction Method of Low Frequency Based on FEM[J]. Ship Electronic Engineering, 2014, 34(5): 136-139.

[5] 马锐磊, 尹韶平, 曹小娟, 等. 楔环连接结构对鱼雷壳体声辐射的影响分析[J]. 鱼雷技术, 2014, 22(3): 169-173.Ma Rui-lei, Yin Shao-ping, Cao Xiao-juan, et al. Effect of Wedged Ring Connection Structure on Noise Radiation of Torpedo Shell[J]. Torpedo Technology, 2014, 22(3): 169-173.

[6] 韩飞, 王敏庆. 基于子结构导纳法的UUV动力舱段参数化建模研究[J]. 西北工业大学学报, 2016, 34(1): 106-111.Han Fei, Wang Min-qing. Parametric Modeling of UUV Dynamic Cabin by Substructure Receptance Method[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 2016, 34(1): 106-111.

[7] 王勖成. 有限单元法[M]. 北京: 清华大学出版社, 2003.

[8] 刘延柱, 陈立群, 陈文良. 振动力学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2011.

[9] LMS Int. LMS Noise/Vibration Testing and Analysis System-Theory and Background[M]. Belgium: LMS Int, 2006.

[10] Qiao F, Huang D, Feng W. Vibration Analysis and Structural Optimization of Multifunctional Structures on Airborne Electronic Equipment[C]//Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation. [s.l.]: IEEE, 2009: 308-312.

(责任编辑: 许 妍)

Research on Vibration Environment of Lightweight Torpedo Borne Equipment Based on Modal Superposition Method

ZHANG Yi-wen,YIN Shao-ping,WANG Zhi-jie, GUO Jun1ZHANG Zhi-min, GAO Shan

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710077, China)

The vibration environment of lightweight torpedo borne electronic equipment is investigated to solve the problem of complex vibration environment and lack of vibration data, this study establishes a calculation model of the torpedo′s electronic cabinet based on finite element method, and calculates modal data, such as natural frequency and vibration modes, by using the software ANSYS Workbench. Comparing the calculated data with the modal testing data, the model is proved to be correct. The modal superposition method is employed to predict the vibration environments of the torpedo borne equipment based on this model. The prediction results show that the equipment assembled on baffle plate is subjected to a harsher vibration environment. So an improved design scheme is proposed to reduce the root mean square of vibration data by more than 40% comparing with the original design, which infers that the improved design scheme can be applied to the structure design of a lightweight torpedo.

torpedo borne equipment; modal superposition method; modal analysis; modal testing; vibration environment prediction

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.06.001

TJ630.3; O32

A

1673-1948(2016)06-0401-06

2016-08-31;

2016-10-09.

张溢文(1988-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为鱼雷总体技术.