基于DDAM的某舰用升降装置抗冲击分析

浦 军，石邦凯

(中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015)

基于DDAM的某舰用升降装置抗冲击分析

浦 军，石邦凯

(中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015)

介绍美国海军用以考核舰船设备抗冲击性能的动态设计分析方法（DDAM），利用Ansys软件对某舰用升降装置进行建模，并基于DDAM方法对其进行计算和抗冲击性能分析，分析结果可为舰用升降装置抗冲击设计和评估提供参考。

升降装置；DDAM；抗冲击；动力学特性

0 引 言

舰船设备抗冲击性能是评价舰艇生命力的重要指标，因此为保证和提高舰船设备的抗冲击性能，在研制过程中必须对其进行抗冲击性能分析。动态设计分析方法（DDAM）是由美国海军实验室定义的一种特定类型的频谱，用于分析船用装备的抗冲击性能。该方法是基于冲击谱的响应分析法[1,2]，它根据舰艇类型、设备在舰艇上的安装位置、设备重量、冲击载荷作用方向等因素定义设备的冲击环境（设计谱值）。升降装置是水面舰船上用于转运弹药等物资必不可少的设备。本文通过采用Ansys软件对某舰用升降装置建模，采用DDAM方法对其进行抗冲击仿真计算，得出了升降装置在各方向上的抗冲击性能。计算结果可为舰用升降装置抗冲击设计和评估提供参考。

1 计算原理

1.1 动力学设计分析方法（DDAM）

动力学设计分析方法的分析理论与常规反应谱分析方法相同，都是采用模态叠加法的线性分析。该方法是限定设计谱值的反应谱法，首先根据设计冲击谱的输入得出各阶模态的位移和应力，然后通过对各阶模态解的合成得出设备的位移和应力[3,4]。其设计谱值依据经验公式定义，与舰艇类型、设备安装位置、冲击考核方向以及设备各阶模态的模态质量等因素密切相关。

早期由于计算条件的限制，计算模型的自由度较少，且单向冲击单向响应，不考虑三向耦合作用。但随着计算技术的发展，利用三维模态理论可以将DDAM拓展，不仅计算模型的自由度增加，而且可以实现单向冲击多向响应，且考虑系统的三向耦合作用，从而使计算精度大大提高，分析结果更为可信。

1.2 模态合成与应力评估

常用的模态合成方法有绝对值求和（ABS）、平方和之平方根（SRSS）以及美国海军研究实验室求和（NRL）。根据国军标规定，对有效动态模态应力采用NRL方法进行模态合成，即Ansys中DDAM模块的NRLSUM方法。

采用动力学分析得到的冲击应力与由分析系统运动特性如旋转力、蒸汽压力等产生的连续工作应力合成时，不考虑自身重力引起的应力、螺栓的预应力和非连续工作应力。本文将升降装置在5级海况摇摆惯性载荷下的应力、位移与DDAM计算所得的冲击应力、位移进行了合成，并将合成后的总应力值与许用应力值进行比较，从而对升降装置的抗冲击性能进行计算和评估。

1.3 模态选择

在DDAM计算中，不需要对所有模态进行叠加合成，其计算结果与模态选择数及输入的设计谱参数密切相关。模态选择要符合以下要求：

1）选择的总模态质量大于分析系统总质量的80%。

2）分析的模态中应包括模态质量大于分析系统总质量10%的所有模态。

3）优先考虑较低频率的模态。

2 升降装置设计冲击环境

水面舰船设备的安装区域分为I类、Ⅱ类和Ⅲ类，I类区域为甲板部位，Ⅱ类区域为船体部位，Ⅲ类区域为外板部位。基于舰船设备在不同安装区域的冲击谱计算公式为：

对于I类安装区域：

对于Ⅱ类和Ⅲ类安装区域：

式中：ma为设备的模态质量，t；Aa为标称加速度谱，m/s2；Va为标称速度谱，m/s。

升降装置具体的设计谱Aa和Va采用表1的系数计算。根据式（1）～式（4）确定的V0和A0，取V0ω0与A0中的小值为动力学分析系统在给定冲击方向上的冲击设计加速度，ω0为模态质量ma所对应振动模态的圆频率。

采用GJB1060.1-91规定的用于水面舰船不同安装区域冲击谱的计算公式进行响应的冲击谱计算，针对不同的工作方向，升降装置设计冲击谱值由经验公式确定，具体要求见表1[5]。表中A0和V0为升降装置的不同模态质量所对应各类安装区域的冲击加速度谱和速度谱，弹性设计和弹塑性设计根据升降装置是否允许出现塑性变形来确定。

表 1 升降装置在各类安装区域的设计谱

3 升降装置结构组成与工作原理

升降装置主要有基座，叉架，左、右侧滚轮组合，台面，止锁块和液压缸等机构组成，图1所示为升降装置三维模型。

液压缸在油压作用下，驱动升降机的叉架及台面作升降运动，实现在甲板与运送物资库之间进行转运。左、右叉架分别在底端和上端安装有滚轮，在相应的上下导轨中运动，上下导轨分别安装在台面和底座上，如图2和图3所示。

4 升降装置DDAM有限元分析

GJB1060.1-91对舰载设备的抗冲击等级分为A，B，C三级，其划分依据主要是舰载设备对舰船安全和连续作战能力的重要程度。抗冲击等级为A的设备是指对舰船连续作战和安全必不可少的设备；抗冲击等级为B的设备是指对舰船连续作战和安全不是必需的设备，但其在舰船上的位置和布置在舰船受冲击时或冲击后对人员或A级设备可能构成危险。抗冲击等级为C的设备是指除布置和位置不会对A级设备和人员构成危险外没有抗冲击要求的非A级设备。

该升降装置为水面舰船设备，位于舱室内，安装位置为船体部位，即II类安装区域，是转运舰上弹药物资必不可少的设备，抗冲击等级为A级，弹性抗冲击设计。本文基于以上参数对该升降装置进行三维实体建模，采用国军标规定对其进行DDAM方法的抗冲击验证。

升降装置整体结构为钢，其力学性能和特性参数见表2。

表 2 材料特性参数

4.1 计算模型的建立与假设

升降装置计算模型坐标系采用直角坐标系，z轴竖直向上，x轴为船体纵向，y轴为横向。为简化升降装置计算模型，作如下假设：

1）升降装置的所有焊缝联接可靠，通过焊缝联接的各部件为一整体；

2）升降装置上任何通过螺栓连接的2个部件，均视为一个整体，两者连接可靠；

3）液压油缸根据其刚度等效为弹簧；

4）升降装置大部分部件采用钢板或钢质型材焊接而成，符合壳单元简化理论，因此升降装置大部分部件采用壳单元建模；

5）升降装置的材料是线弹性材料，计算按照线性材料计算。根据计算结果，若是应力超过屈服应力则认为结构失效。

升降装置计算模型总质量为2 850 kg，其中升降装置机架质量为2 250 kg，模拟负载质量为600 kg。

根据以上假设条件，采用Ansys建立的升降装置计算模型如图4所示。

4.2 工作载荷与边界条件

升降装置工作载荷为5级海况，x向最大过载为0.070 9 g，y向最大过载0.366 g，z向最大过载为1.441 3 g。

升降装置受冲击状态时的边界条件为：

1）升降装置底座安装位置与甲板焊接在一起，因此升降装置底座与甲板连接部位完全约束；

2）侧导轨底部与甲板焊接在一起，因此升降装置侧导轨底部完全约束；

3）液压锁作用在升降装置顶部台面，限制其垂向位移，因此升降装置顶部台面与液压锁作用位置约束其垂向位移；

4）升降装置工作时的最大载重约600 kg，通过存放架及转运车固定在升降装置顶部台面。

计算模型添加了相应的质量单元。添加相应边界条件约束后的计算模型如图5所示。

5 计算结果与分析

5.1 升降装置冲击设计加速度

根据升降装置有限元分析计算得到的频率、模态质量、模态参与因子计算的冲击设计加速度值见表3。为提高分析精度，在3个冲击方向所选取的模态阶数应使模态质量的总和大于总质量的80%。

表 3 升降装置冲击设计加速度

由表3可知，升降装置的最大冲击输入来自于垂向，最大冲击设计加速度达675.23 m/s2，其次是横向，最大冲击设计加速度为272.68 m/s2，纵向的冲击输入最小，最大冲击设计加速度只有136.50 m/s2。

5.2 升降装置的位移和应力合成

通过将升降装置在5级海况摇摆惯性载荷下的应力和位移与DDAM计算所得的冲击应力和位移进行合成，得出表4所示升降装置的合成位移与应力。

5.3 结果分析

升降装置3个方向的合成位移与应力分布如图6～图11所示。

表 4 升降装置合成位移与应力

由图6～图11可知，5级海况下，升降装置受纵向冲击时，最大合成位移为3.1 mm，最大合成应力为283 MPa；升降装置受横向冲击时，最大合成位移为9.27 mm，最大合成应力为304 MPa；升降装置受垂向冲击时，最大合成位移为6.49 mm，最大合成应力为339 MPa。由此可见，升降装置在3个方向的最大合成应力均小于表4所示的材料屈服应力345 MPa。因此，升降装置在受到冲击载荷作用时，整体结构不会发生失效。

6 结 语

通过对某舰用升降装置进行基于DDAM的抗冲击计算与分析可知，升降装置在舰上II类安装区域的抗冲击性能可以保证其整体结构不会发生塑性变形，机械结构不会发生失效。

[1]汪玉, 华宏星. 舰船现代冲击理论及应用[M]. 北京: 国防工业出版社, 2006.

[2]蒋涛, 王伟力. DDAM方法的舰船甲板设备垂向冲击环境分析[C]// 第九届全国冲击动力学学术会议论文集, 2005.

[3]赵应龙, 何琳, 吕志强. 应用DDAM进行船舶浮筏隔振装置抗冲击计算[J]. 工程力学, 2007(4).

[4]姚熊亮, 冯林涵, 张阿曼. 利用DDAM方法分析舰用增压锅炉抗冲击特性[J]. 舰船科学技术, 2009(3).

[5]GJB1060. 1-91舰船环境条件要求机械环境[S]. 北京, 国防科学技术委员会, 1991.

Shock resistance analysis on certain ship lift based on DDAM

PU Jun, SHI Bang-kai
(The 713 Research Institute of CSIC, Zhengzhou 450015)

The dynamic design analysis method (DDAM) for testing the shock resistance capability of ship equipments used by the US Navy is introduced and the models for certain ship lift is built by using Ansys. The calculation and shock resistance analysis are also made based on DDAM, the analysis results can provide reference for the design and evaluation of shock resistance of ship lifts.

lift；DDAM；shock resistance；dynamic performance

TH132

A

1672 – 7649(2017)08 – 0128 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.027

2017 – 05 – 17

浦军(1962 – )，男，高级工程师，主要从事机械设计工作。