一种新型管卡的减振性能分析

王 朝，程玉芹

（1.连云港市地方海事局，江苏连云港222003；2．淮海工学院机械与海洋工程学院，江苏连云港222003）

0 引言

在船舶管路系统中拥有众多的管路元器件，文献[1-3]中指出我国在船舶管路系统冲击减振领域的技术积累非常有限，船舶制造业所应用的管路系统的三维设计技术，还未把减振因素考虑进去，没有标准管路支吊架及减振元器件可供选择，管路系统减振设计、减振元器件研制尚处空白、没有可供参考的管路系统减振试验验收等标准和规范。管路系统的支吊架的位置、形式和数量等大都由造船的现场决定[4]，没有理论研究的支撑，比较随意。

1 减振性能分析

1.1 新型管卡的减振性能分析

本文根据船舶管路中常见的减振、支撑及连接方式等相关设计因素，设计出一种新型的减振管卡，并利用嵌套技术，建立减振弹簧管卡与普通管卡的有限元模型；以时域为载荷输入，计算安装有管卡的管路系统的动态响应，比较新型管卡与普通管卡的减振性能。通过分析发现新设计的管卡与普通管卡相比，能够有效防止管卡在冲击作用下发生断裂，有效降低管路系统的变形量，从而显著增强管路的抗冲击性能。可为新研舰艇的管路抗冲击设计提供参考，提高我国舰艇管路系统抗冲击设计水平，应用前景广阔。

1.2 管卡的有限元建模

本文设计的一种新型减振弹簧管卡，其主要组成部分包括主体、弹簧箱和拉伸弹簧等。主体卡在船舶管路的上表面，主体的两个支撑末端为螺栓，其上有固定用的连接板，连接板上部垂直设置有拉伸弹簧，用固定板与弹簧箱顶部固定拉伸弹簧，再将主体的两个支撑末端插入到两个弹簧箱内部，通过末端螺栓与弹簧箱进行连接，最后将弹簧箱固定在船体结构上。减振弹簧管卡示意图如图1（a）、（b）所示。

图1 新型管卡示意图

普通管卡直接采用焊接的方式固定在船体结构上，建立的ANSYS有限元模型如图2所示，新型减振弹簧管卡有限元模型如图3所示；现对装有普通管卡和新型管卡的一段管路进行对比分析，装有普通管卡的管路模型如图4所示，装有减振弹簧管卡的模型如图5所示。

图2 普通管卡模型

图3 减振弹簧管卡模型

图4 安装普通管卡模型

图5 安装减振弹簧管卡模型

1.3 载荷输入仿真分析

在载荷的输入中，冲击谱是在频域范围表示冲击载荷，目前主要的规范是以冲击谱为基础给出结构的设计标准。如果结构抗冲击的时域模拟要用到冲击输入谱，那么必须将冲击载荷从频域上向时域上转化。通常所说的从频域到时域的转化，就是将图6所示的三折线谱转化成时域范围内的冲击加速度输入曲线。故本文将载荷转化为时域输入，采用三种工况，分别将最大谱加速度为100 g（LC1）、200 g（LC2）、300 g（LC3），从垂直于管卡的方向输入载荷，计算得到最大位移和应力。

图6 典型的冲击谱

（1）LC1.普通管卡与减振弹簧管卡的最大位移分别如图7及图8所示；普通管卡与减振弹簧管卡最大合成应力分别如图9及图10所示。

图7 LC1普通管卡位移

图8 LC1弹簧抗冲击管卡位移

图9 LC1普通支吊架应力

图10 LC1弹簧抗冲击管卡应力

（2）LC2与LC3的研究思路与LC1相同，但冲击谱加速度有所变化。现将装有普通管卡及新型减振弹簧管卡的管路系统在三个工况下最大位移及最大合成应力对比表，如表1所示。

表1 普通管卡与减振管卡最大位移与最大合成应力

图7～10及表1的结果表明：LC1条件下，减振弹簧管卡的位移及应力均小于普通管卡；LC2与LC3普通管卡断裂，减振弹簧管卡应力与位移变大但未断裂。总而言之，横向冲击载荷的作用下采用新型弹簧抗冲击管卡的管路系统的最大位移响应与最大合成应力小于采用普通管卡的管路系统的最大为位移响应。所设计的弹簧抗冲击管卡在正常工作时可以像其他管卡一样起到固定钢管的作用，当在受到剧烈冲击载荷的恶劣环境下工作时，更能突显它的优势。所以新型减振弹簧管卡的优点总结如下：（1）增加管路管卡的抗冲击性能；（2）在冲击荷载作用下可降低管夹及所约束管路处的应力；（3）有效防止管卡在冲击作用下发生断裂的风险；（4）在冲击荷载作用下有效降低管路系统的变形量。

2 新型管卡的应用效果分析

在正常工作状态时，管路系统未受冲击作用时，管卡主体对管路系统起到正常的约束及固定的作用；当船体及管路系统受到强冲击后，载荷通过船体传递给管卡主体，管卡主体一端连接处受到的冲击载荷最大，管卡固定螺栓发生“保护”性破损，管卡通过弹簧与箱体仍然连接，箱体内的弹簧起到减小整个管卡的位移和应力，使得整个管卡免受整体破坏对管路系统仍可起到约束作用，从而减少整个管路系统的应力和变形，保护管路系统免受破坏。

该管卡结构合理简单，生产制造容易，成本低，增加管路管卡的抗冲击性能。采用两端带圆钩环圆柱螺旋拉伸弹簧作为弹性单元，两端带圆钩环圆柱螺旋拉伸弹簧的制造技术已经非常成熟，质量也很稳定。圆柱螺旋拉伸弹簧在未受到冲击作用的工作状态时不承受荷载，此时只有箱体和管卡主体承受荷载的作用，只有在船体受到剧烈的冲击作用时，船体结构传递巨大的荷载与管卡，使得管卡与箱体的连接螺栓发生“保护”性破损，这时弹簧才承受载荷，起到抗冲击的作用。箱体内设置圆柱螺旋拉伸弹簧大大减小了管路在巨大冲击载荷作用下发生大位移的风险；在冲击荷载作用下可降低管夹及所约束管路处的应力；有效防止管卡在冲击作用下发生断裂的风险。综上所述，该管卡结构在满足抗冲击的基本要求之外，兼具成本低、结构简单的特点，可实现大面积推广。

3 结论

本文分析了一种新型减振弹簧管卡，采用模型嵌套技术，利用有限元软件ANSYS对相关管路系统进行建模，并进行计算，得出新型减振弹簧管卡减振性能优势体现在：（1）减小振动荷载作用下元器件与管路接触处的应力；（2）降低管路在振动载荷作用下断裂的风险；（3）减小船舶管路在振动载荷作用下的变形量。