浮筏系统非线性冲击动响应计算软件包

浮筏系统非线性冲击动响应计算软件包
何斌;刘建湖
【摘要】目前,浮筏技术在水面舰船和潜艇上的应用已越来越广泛,其冲击安全性是浮筏应用的一项重要指标之一.该文利用MSC/NASTRAN程序的计算求解器和单元库,应用PCL语言编制前后处理程序,将减振元器件冲击特性数据库和计算软件包进行无缝连接,实现了减振元器件非线性冲击特性模拟和浮筏系统冲击动响应分析方法数据前后处理自动化、标准化,提高了计算效率,利于非抗冲击专业人员进行浮筏系统的抗冲击设计使用.并采用1:1实尺度浮筏系统在浮动冲击平台上进行了水下爆炸试验,考核了浮筏系统非线性冲击动响应计算软件包,固化了浮筏系统的计算方法,考核结果表明,该软件包具有较大的工程应用价值.
【期刊名称】《应用科技》
【年(卷),期】2010(037)009
【总页数】6页(P42-47)
【关键词】浮筏系统;冲击;软件包;试验考核
【作者】何斌;刘建湖
【作者单位】中国船舶科学研究中心,舰船声隐身及抗爆研究室,江苏,无锡,214082;中国船舶科学研究中心,舰船声隐身及抗爆研究室,江苏,无锡,214082
【正文语种】中文
【中图分类】TP319
目前，浮筏技术在水面舰船和潜艇上的应用已越来越广泛，其冲击安全性是浮筏应用的一项重要指标.浮筏系统的设计方法主要由3部分组成，即设计计算方法、设
计指导性文件以及评估准则和判据.在国外，舰船设备的抗冲击设计计算方法和设
计指导性文件在20世纪70年代就已形成较为完善的计算体系，而浮筏系统的抗
冲击设计计算体系形成得比较晚[1-3].以德国为代表的欧洲舰船浮筏系统抗冲击计
算方法在20世纪90年代由德国联邦海军建造局组织完成，是BV043/85标准配
套的ISOLATOR程序，设备和筏架都采用刚体进行模拟，减振元器件采用非线性
刚度，阻尼采用线性阻尼[1].美国在2001年由美国海军水下爆炸研究中心UERD
完成了浮筏系统抗冲击设计指导性文件以及与之配套的浮筏抗冲击初步设计计算分析程序和技术设计计算分析程序，分为2DOF计算方法（适用于双层）、 6DOF
计算方法（适用于单层）和SIMPLE（shock isolation mount predictions and loading estimates）计算程序，为验证设计计算效果，2000年在浮动冲击平台
上进行了浮筏的水下爆炸试验.
我国目前对于舰船设备的抗冲击设计计算采用的方法为DDAM方法.702所在90
年代后期开发了浮筏系统非线性冲击动响应计算方法，该方法将设备作为刚体考虑，筏架以结构有限元模拟，考虑其弹性效应.减振器考虑其在冲击大位移条件下的非
线性效应，采用非线性刚度和线性阻尼模拟.“十五”期间将该分析方法固化成浮
筏抗冲击计算分析专用软件包，界面友好，提高了建模和后处理的效率，并和减振元器件冲击特性数据库进行无缝连接，通过数据桥方便地调用和扩充其冲击特性数据.同时还对软件包进行了1:1浮筏系统的水下爆炸试验验证，计算结果与试验结
果相比有良好的精度.
分析国内外关于浮筏冲击动响应计算软件包，其主要的共同特点有：1）都在时域内进行浮筏冲击动响应计算；2）模拟减振器的非线性特性和限位特性；3）与载
荷库、减振器库相联.从中可以看出，所开发的浮筏冲击动响应计算软件包技术与
国外处于同一水平.
1 减振元器件冲击特性数据库
浮筏系统含有大量的减振元器件，减振元器件的选择直接影响浮筏的抗冲击性能.
为了在设计阶段方便的对减振元器件进行选择、优化，并使浮筏冲击动响应计算软件包方便的调用其冲击特性参数，建立减振元器件冲击特性数据库具有重要的意义. 冲击特性是减振元器件的基本参数之一，而冲击特性的测量精度直接影响浮筏抗冲击设计的精度.国内外基本都采用落锤冲击法对减振元器件进行冲击特性测量[2].702所分析了用落锤冲击机测量减振元器件冲击特性的影响因素，提出了测量减振元器件冲击特性的载荷条件、试验条件和数据处理方法，并对测量方法进行了全面系统的误差分析和精度评定.该试验测量方法，刚度测量误差小于10%，阻尼测量误差小于15%，完全适于工程应用[3].
减振元器件冲击特性数据库中的数据测量均采用上述方法进行，测量精度能够得到保证.冲击特性数据库包括数据录入、查询、报表和调用其他应用程序的功能.图1
为减振器冲击特性数据库的界面.图2为减振元器件冲击特性数据库的结构，包括
元器件数据库、试验数据库和结果数据库.试验数据库包括测点和测量系统的配置、试验环境条件、过程原始数据等.结果数据库主要包括元器件的冲击特性参数，含
有非线性位移抗力数据和冲击强度数据等.经过运行，数据录入和查询比较方便，
浮筏冲击动响应计算程序能方便地调用其冲击特性参数，达到了预期目的.
图1 冲击特性数据库界面
图2 冲击特性数据库结构
2 浮筏系统冲击动响应计算方法比较
以某浮筏系统为对象，进行了频域和时域计算，来考察不同计算方法对浮筏系统冲击动响应的影响.频域计算以国军标GJB1060.1-91中规定的DDAM方法计算，减
振器的非线性特性采用循环迭代线性刚度等效的方法进行计算，冲击载荷也采用GJB1060.1-91规定的冲击谱载荷.时域计算以GJB150.18所确定的冲击环境，采用开发的浮筏系统程序进行计算，比较2种方法得出的计算结果的差异.图3为浮筏系统的有限元模型，图4为时域计算冲击应力计算结果.图5为垂向冲击时某设备的冲击加速度时域曲线，图6为某设备隔振器在垂向冲击作用下的变形抗力曲线.
图3 浮筏系统有限元模型
图4 垂向冲击筏架应力结果
图5 某设备垂向加速度响应
图6 某设备隔振器垂向冲击变形抗力曲线
表1是三向冲击作用下时域计算和频域计算得到的不同设备加速度响应的比较.时域结果与频域相比，有较大的出入，在横向和纵向冲击时，频域计算结果较时域计算结果偏大；在垂向冲击时，频域计算结果较时域计算结果偏小.
表1 三向冲击作用下设备加速度最大值横向冲击垂向冲击设备编号设备加速度最大值/m·s-2纵向冲击设备1 13.3 10 42.8 70 104 240频域时域频域时域频域时域设备2 79.2 120 445 320 196 360设备3 87.3 43 209 113 152 284设备4 65.0 33 168 320 118 362设备5 65.5 33 174 105 134 251设备6 65.2 35 175 111 95 278设备7 65.1 33 168 105 85 255设备8 65.9 38 171 107 132 300设备9 63.3 33 163 102 106 272
表2是不同工况下部分设备冲击方向上不同计算方法隔振器抗力峰值比较.从表2可以看到，由于纵向冲击和横向冲击隔振器没有出现明显的硬化现象，时域计算结果比频域计算结果小.由于垂向减振器出现严重的硬化，所以垂向冲击时大部分时域计算结果比频域计算结果大.
表2 冲击方向隔振器抗力结果隔振器纵向冲击/kN 横向冲击/kN 垂向冲击/kN频
域时域频域时域频域时域设备1隔振器 6.25 8.29 24.8 32.4 94 89.5设备2隔振器 7.3 4.97 31.8 53.5 21.6 21.1设备3隔振器 0.27 0.52 0.82 2.0 1.87 0.7筏架隔振器 58 102 213 249 382 228
导致计算结果差异既有计算方法上的差异，又有冲击载荷上的差异.频域DDAM方法本身不能考虑减振器的阻尼效应，也不能考虑减振器的非线性效应和模态响应之间的相位效应，从理论上讲不太适合作为浮筏系统这种既有阻尼、又有较强非线性刚度动力学系统的分析，其优点为节约计算资源.时域计算方法正好与频域方法相反，能够比较准确地模拟非线性刚度和阻尼特性，也考虑了相位差，但需要的计算资源很多.所以浮筏系统冲击动响应计算程序采用时域方法进行计算.
3 浮筏冲击动响应计算程序
3.1 浮筏系统冲击动响应计算软件包
建立浮筏冲击动响应计算软件包的主要目的包括：
1）建立减振器冲击特性数据库与计算平台之间的标准接口；
2）固化浮筏系统计算方法研究成果，以利于非抗冲击专业人员进行浮筏系统的抗冲击设计计算；
3）最大限度地实现建模和数据后处理的标准化、自动化，提高计算效率.
利用MSC/NASTRAN程序的计算求解器和单元库，应用PCL语言编制前后处理程序.经过大量的考题计算，长期的不断完善，达到了预期的目的.
目前，浮筏系统冲击动响应计算软件包与数据库之间实现了无缝连接.软件包可通过运行数据桥实现与减振元器件冲击特性数据库之间的数据导入和导出.图7为数据桥的一个界面，图8为数据桥减振器冲击特性的数据预览界面.
图7 Patran与数据库之间的数据桥界面
图8 数据桥减振器冲击特性数据预览界面
同时，浮筏冲击动响应计算软件包实现了汉化操作界面，固化了浮筏系统冲击动响
应计算中原先由手工完成的前后处理工作，这些工作主要包括：1）减振器三向刚度和阻尼数据输入（直接从数据库中将试验数据导入）；2）单元局部坐标系的建立；3）设备基脚与设备质心的刚性连接；4）基础输入动载荷的施加；5）动响应求解方式以及求解稳定性判据；6）浮筏系统动响应曲线绘制.包括设备的响应加速度、速度和位移，减振器的抗力和变形，筏架的冲击动应变、变形等；7）查询功能.包括筏架最大值查找、设备与设备之间的容许变形空间查询等.
图9为该程序的界面，图10为该程序所建立的算例模型，图11为该程序算例的计算结果.
图9 程序界面
图10 算例模型
图11 算例计算结果
3.2 浮筏系统冲击动响应计算软件包试验验证
为了对浮筏系统冲击动响应计算软件包进一步进行验证，2004年在702所的浮动冲击平台上进行了1:1实尺度浮筏的水下爆炸试验.在进行水下爆炸试验前共进行了2项前期的准备试验，主要包括：
1）浮筏及模拟设备用减振器三向冲击特性试验检测，将检测结果录入减振元器件冲击特性数据库，供计算程序调入使用；
2）筏架激振试验，以检查计算模型筏架模拟的准确性.通过激振试验，筏架的一阶固有频率为175 Hz，和模型计算结果169 Hz偏差仅为3.4%.
图12为浮筏试验现场照片.试验的筏架长为2200 mm，宽为1740 mm，高为235 mm，由板料焊接而成，筏架总重为1288 kg，筏架底部安装8个减振器.按筏架质量占浮筏系统总质量的20%估算，采用4个质量块模拟安装设备，其质量及尺寸如下：
1）质量块 1（设备 1）：1640 kg，正圆柱形，高760 mm，底部采用4只
6JX600安装；
2）质量块 2（设备 2）：1716 kg，由 3 个长方体组成，均为450×450×300 mm，底部采用4只6JX600安装；
3）质量块 3（设备 3）：442 kg，长方体，540×540×200 mm，底部采用4只
6JX200安装；
4）质量块 4（设备 4）：547 kg，长方体，450×450×300 mm，底部采用4只
6JX200安装.
8只筏架下层隔振器每只重80 kg，整个浮筏系统的总质量为6.27 t.系统一阶固有频率在8 Hz左右.
试验工况见表3.试验测量了筏架的冲击应变，设备的冲击加速度以及减振器的变
形量.工况2时已经有部分6JX型减振器破坏.值得指出的是，我国的6JX减振器在冲击速度2 m/s时就开始出现破坏，而进口的筏架自带的减振器在经受了3 m/s
的冲击后仍然保持完好.
图12 浮筏系统安装图
表3 试验工况表方位舷侧舷侧工况 1 2药量/kg 1 5爆深D/m 5.0 5.0水平距离
/m 2.5 3.0龙骨冲击因子 0.14 0.28
针对该模型应用浮筏冲击动响应计算软件包进行了计算，图13为计算模型.
图13 浮筏系统计算模型
表4～6分别为设备响应加速度、减振器变形量和筏架应力计算结果与试验结果的比较，由于2种类型的设备质量基本一致，安装的减振器型号规格也一致，响应
也基本一致，因此选取设备1和设备3的响应结果作比较.从比较的结果来看，设
备的加速度和减振器的变形量在工况1吻合良好，误差小于7%，工况2虽然减振器有轻微破坏，但相对误差还小于20%；但筏架应力的误差相对较大，大于20%，最大误差为37%.究其原因，主要是计算中未考虑筏架约束阻尼层的强度效应和阻
尼效应引起.筏架上的应力响应以高频为主，所以计算筏架强度时，阻尼的效应不
能忽略.
表4 设备响应加速度计算和试验结果比较?
表5 减振器变形量计算结果与试验结果比较减振器工况1/mm相对误差/% 工况
2/mm相对误差/%试验计算试验计算筏架减振器 5.856.13 4.78 12.912.1 6.20设备1减振器 20.719.4 6.37 40.434.1 15.6设备3减振器 16.317.5 7.36
32.126.5 17.4
表6 筏架应力测点计算和试验结果比较工况测点1/MPa相对误差/%测点2/MPa 相对误差/%试验计算试验计算1 29.7 36.8 23.9 3.87 5.33 37.72 105 112 6.67 12.0 13.2 10.0
4 结束语
浮筏冲击动响应计算软件包固化了浮筏系统冲击动响应和评估计算方法的研究成果，以PCL语言开发了基于PATRAN程序的汉化计算平台，大量实现建模前处理和结果数据后处理的标准化、自动化，提高计算工作效率，利于非抗冲击专业设计人员进行浮筏系统的抗冲击计算；建立了减振器试验数据与计算平台之间标准接口，编制了专用的PATRAN与数据库之间的数据连接桥程序，实现计算程序与数据库之间的无缝连接.该程序包经1:1实尺度浮筏的水下爆炸试验验证表明，计算精度满
足工程化要求.
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