基于DDAM的舰船蓄电池组抗冲击仿真计算*

夏雪宝,明志茂,余云加,赵可沦

(广电计量检测集团股份有限公司,广东 广州 510000)

0 引 言

舰船装备在设计过程中需进行抗冲击设计或试验验证,以提高其抗冲击性能进而保证装备的战场生命力。各海军强国对舰船装备的抗冲击性能试验方法进行了研究,形成了BV043/85(德国)、MIL-S-901D(美国)等试验标准,我国也制定了相应的标准规范GJB1060.1-91[1-2],该标准规定A、B级设备应进行冲击试验考核。对于过大或过重而不具备冲击试验条件的设备,可采用动力学分析的方法进行抗冲击合格鉴定[3-4]。

动力学设计法(DDAM,Dynamic Design Analysis Method)是美国海军于1961年提出的一种基于冲击反应谱的分析方法,其广泛用于水面舰船和潜艇的抗冲击设计。基于以上DDAM算法,有限元分析软件ANSYS开发了相应的谱分析计算模块,可进行舰船设备的抗冲击仿真分析计算[5]。

某大型舰船蓄电池组由于尺寸及重量过大,无法依据GJB150.18-1985进行爆炸冲击试验考核。笔者通过构建蓄电池组有限元模型,采用ANSYS谱分析模块,结合GJB1060.1-91的设计要求,对其进行了DDAM三个方向的冲击仿真计算,校核其结构强度是否符合要求,找到蓄电池组结构薄弱点,为后续产品的优化改进提供支撑。

1 蓄电池组介绍

1.1 样品说明

某蓄电池组由蓄电池槽、盖、极柱、汇流排、吊架、密封件及舱段结构等组成,样品尺寸约8 m×5 m×3m,质量约50 t。有限元分析前需对模型进行建模及简化。建立有限元模型时,在保证有限元模型中的主要结构尺寸与产品尺寸精确一致,保证计算精度的前提下尽量采用尽可能简单的模型,简化后的蓄电池组三维实体模型如图1所示。

图1 蓄电池组模型(含舱段)

1.2 样品材料力学参数

样品使用的材料包括玻璃钢、黄铜、铅合金、木料、塑料及钢结构船体等,所有材料的力学参数如表1所列。

表1 材料参数表

2 有限元模型建立

将简化后模型进行网格划分,针对不同的结构采用不同的网格划分方法和尺寸。规则的结构采用六面体,不规则的结构采用四面体。为提高计算效率,在保证网格精度的前提下,对模型中较小尺寸结构部位使用更小的网格尺寸进行划分,其它较大尺寸结构部位则使用较大的网格尺寸进行划分。建立好的有限元模型如图2所示,划分后的有限元模型单元网格总数1 121 289个,节点总数2 690 581个。

图2 蓄电池组整体及电池模块有限元模型

划分网格之后对各零部件相互的接触进行设置,电池组各部件之间采用MPC绑定接触,模拟两个零件之间没有相对位移。

3 模态分析

采用ANSYS对蓄电池组样品进行模态分析,仿真计算其前10阶自由模态,计算得到的固有频率如表2所列,并输出各阶模态频率下的振型云图,由于篇幅有限,仅列出前2阶模态振型,结果如图3、4所示。

表2 固有频率列表

图3 第1阶模态振型 图4 第2阶模态振型

第1阶为整体模态,频率为25.404 Hz,模态振型表现为舱段样品扭转模态;第2阶频率为36.05 Hz,模态振型表现为舱壁弯曲模态;其它各阶模态为整体舱段的高阶弯曲、扭转模态及横舱壁、纵舱壁等结构的多阶弯扭复合振型或局部模态振型。

4 DDAM冲击载荷

标准GJB1060.1-91中第5.7.2.2节规定了潜艇船体安装部位弹塑性设计用的设计值,如表3所列。

表3 潜艇船体安装部位弹塑性设计参数

表中的A0、V0按下列公式计算:

(1)

(2)

式中:ma为样品的模态质量,t;A0为基准加速度,m/s2;V0为基准速度,m/s。依据GJB1060.1-91中第5.7.4.3节,样品的模态质量取10%的总质量,可知ma=5 t。

由文献[5]可知,采用ANSYS进行冲击设计谱计算时,冲击设计谱的表达式形式为:

(3)

(4)

式中:AF、VF为计算系数,与表3对应;AA、AB、AC和VA、VB、VC为计算常数,与式(1)、(2)对应;A为谱加速度,V为谱速度,与表3对应。ANSYS默认的DDAM算法为英制单位,因此采用国际单位制进行冲击设计谱ANSYS计算时,需对输入参数进行转换[5]:

(5)

(6)

式中:c为英制单位重力加速度,为386 in/s2。根据式(3)～(6)及表3计算可得,采用ANSYS软件中DDAM计算分析时输入的计算常数和计算系数分别如表4、5所列。

表4 计算常数表

表5 计算系数表

5 冲击仿真计算

5.1 约束边界条件

在对电池组进行DDAM抗冲击仿真计算时,模型处理是将电池组安装舱段的舱壁、连接肋等结构进行截断处理。由于截断处舱壁、支撑肋等结构刚度高,在仿真计算时,对电池组所在舱段的舱壁、连接肋等截断位置施加固定约束来模拟电池组舱段的约束边界条件,如图5所示。

图5 约束边界条件

5.2 冲击仿真计算结果

分别对蓄电池组样品进行三个方向(X、Y、Z向)谱分析,在ANSYS的DDAM模块中输入上节对应计算参数,通过DDAM谱分析分别得到蓄电池组样品在X、Y、Z方向下的应力分布云图,各部件最大应力汇总如表6所列,部分应力云图分别如图6～11所示。

表6 冲击仿真结果汇总

图6 X方向冲击下蓄电池槽、盖应力云图 图7 X方向冲击下汇流排应力云图

图8 Y方向冲击下极柱应力云图 图9 Y方向冲击下吊架应力云图

图10 Z方向冲击下密封件应力云图 图11 Z方向冲击下舱体结构应力云图

由以上计算结果可知:三个冲击方向的样品最大等效应力分别为126.63MPa、194.31MPa、93.947MPa,均位于舱体部位并且小于对应材料的强度极限。其它部件的仿真计算应力也均小于对应材料的强度极限,说明安全级蓄电池组样品结构强度符合GJB1060.1-91动力学仿真设计的要求。

6 结 语

文中针对某大型舰船蓄电池组因尺寸及重量过大而无法进行爆炸冲击试验考核的问题展开研究。基于DDAM分析方法,结合GJB1060.1-91的设计要求,采用ANSYS对蓄电池组进行了三个方向的冲击仿真计算,校核了其结构强度是否符合要求,该方法可为后续大型舰船设备的抗冲击设计提供参考。