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海军装备在爆炸冲击下动态响应的数值研究
CHEN Hai-long，ZHOU Wei-xing，ZHU Feng，ZHOU Qi-xin
陈海龙， 周维星， 朱枫， 周其新
(College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China，Chenhailong@hrbeu．edu．cn)
摘要：在水下爆炸时，海军装备的抗冲击性能是影响战争舰艇战斗力和安全性的关键因素。对于大型海军装备来说，因为其数量众多且规模极大，进行冲击试验成本高昂。所以，数值研究承担起研究设备的抗冲击性能的工作。以涡轮增压器组为例，我们采用ABAQUS软件，基于BV043 /85中存在的时域冲击分析方法对其防爆性能进行研究。 根据分析结果，我们获得典型区域的震动响应，通过分析典型区域的米塞斯应力，得出了一些规律性曲线，并找出了薄弱区域。本研究可为涡轮增压器组的设计提供一些参考依据。
关键词：海军装备;抗冲击;水下爆炸;数值模拟;涡轮增压器组
CLC umber：U66 Document code：A Article ID：1005-9113(2010)04-0504-07
战舰必须在其活动时间内受到冲击环境的影响。接触爆炸将造成船体结构和设备的损坏，而非接触式爆炸不会击穿船体结构，但会对海军设备造成大区域的损伤。许多海上作战和水下爆炸抗冲击性能测试表明，大型设备抗冲击性能差是战舰的关键弱点，因此海军装备的抗冲击性能是影响船舶战斗力和安全性的关键因素。
但是对于体积和尺寸较大的大型设备而言，难以做大型设备的冲击试验，而原型爆炸的成本太高。于是，数值研究被选择作为研究大型设备抗冲击性的有效方法。目前海军装备的抗冲击分析主要有两种方法，一种是基于冲击谱的动态设计分析方法（DDAM），目前使用的是1995年的修订版。另一种是欧洲海军以BV043 / 85代表的欧洲海军最常用的时域冲击分析方法。以涡轮增压器为例，本文使用BV043 / 85的时域方法研究了其抗冲击性能。
1涡轮增压器组的数值模型
涡轮增压器组的模型由很多部分组成，包括气体压缩机，齿轮箱，气体压缩机中的转子和定子以及非常复杂的齿轮箱中的齿轮。涡轮增压器组的三维几何模型是利用软件ProE对其进行建立，然后运用软件HyperMesh进行进一步处理，建立有限元模型。最后将涡轮增压器组有限元模型导入到ABAQUS中进行冲击分析。
为了进行更高的效率计算并获得准确的分析结果，首先要做到几何模型的适当简化。在涡轮增压器组中有许多小的构件，如轴承孔，螺栓孔，凸台，圆角等等。在建立网格模型时，忽略这些小构件不会影响分析结果，分析反而会增加处理难度。
为了减小有限元模型的大小，涡轮增压器组的大部分部件采用8节点的六面体单元进行网格划分。一些复杂的部分只能用4节点的四面体单元进行网格划分。最后，有限元模型由514943个单元和716765节点组成。涡轮增压器组的三维几何模型如图1所示，有限元模型如图2-4所示。
图1整个涡轮增压器组的几何模型
图2气体压缩机转子和定子的有限元模型
图3齿轮箱齿轮的有限元模型
图4整个涡轮增压器组的有限元模型
2冲击载荷
本文采用BV043 / 85中提出的时域冲击分析方法研究了涡轮增压器组的抗冲击性能。在BV043 / 85中以冲击设计谱的形式给出了冲击载荷。典型频谱曲线如图5所示，由等位移，等速，等加速度组成。位移谱为D0，速度谱为V0，加速度谱为A0，等速频率范围为f1〜f2。 对于不同的位置和攻击方向，BV043 / 85给出了D0，V0和A0的相应值，其中
图5典型的冲击谱图
基于BV043 / 85，冲击频谱可以等效为双曲正弦或双半正弦曲线的时程曲线。对于大多数情况，三角脉冲更接近脉冲响应谱。在进行时间分析时，本文将前面得到的冲击谱转换为等效加速度-时间的双三角曲线。等效加速度 - 时间曲线如图6所示，由正，负两部分组成。正冲量的加速度峰值高，持续时间较短，负脉冲峰值较低，持续时间较长。两脉冲的面积相等，最终速度为零，正负脉冲的面积分别为V2.a3和t3分别为正脉冲和脉冲持续时间的加速度峰值。a4是负脉冲的峰值，t5-t3是负脉冲的脉冲持续时间。从BV043 / 85开始，上述系数和冲击谱数值之间的关系如下：
图6冲击谱的等效加速度 - 时间曲线
对于重量大于5吨的设备必须减少其冲击加速度和速度。减少的公式如下：
其中A是减少后的冲击谱加速度，V是减少后的冲击谱速度，M0 = 5t,Mi是检查设施的重量。单位是t。
冲击阻力隔离系统应加载上文介绍的冲击加速度。当冲击阻力隔离系统受到刺激时，它将存储输入高频冲击搅动能量，然后将它们转移到涡轮增压器组，释放小幅度波。 本文认为涡轮增压器与地下室的连接是刚性的，使结果更加安全和保守。同时分别考虑了垂直和横向冲击。
3冲击响应的数值计算
3.1垂直冲击响应计算
3.1.1 工况介绍
为了获得涡轮增压器组的冲击性能，选择5,10,20和25ms作为脉冲宽度（t3），而加速度峰值幅度（a2）从15g变化到90g，增量为 15 g。这样就形成了24个工况，如表1所示。
表1.垂直冲击的设计工况
3.1.2数值结果分析
- 典型部位的冲击响应
受限于长度，图7-10只给出了在10ms、15g工况下受检部件的米塞斯时间曲线和加速度时间曲线。米赛斯时间曲线的横轴单位是s，纵轴单位是帕。加速时间曲线的横轴单位为s，纵轴单位为m / s2。
图7工况10ms 15g下，齿轮与轴承工作状态接触部分的米赛斯时间曲线
图8工况10ms 15g下，转子与轴承接触部分的米赛斯时间曲线
从图8中可以看出，气体压缩机在垂直冲击10 ms 15 g条件下转子与轴承接触位置的米赛斯应力在6-7 ms达到屈服极限，出现塑性应变。
- 米赛斯应力响应分析
根据BV043 / 85，冲击载荷引起的设备应力不应超过抗冲击安全等级A的设备的静态屈服极限。为了分析米赛斯应力我们，将无量纲系数n定义为“失效系数”。
(a)工况10ms15g下，转子的垂向加速度时间曲线
(b)工况10ms15g下，转子的横向加速度时间曲线
(c)工况10ms15g下，转子的纵向加速度时间曲线
图9工况10ms15g下，齿轮对加速度的响应
(a)工况10ms15g下，齿轮的垂向加速度时间曲线
(b)工况10ms15g下，转子的横向加速度时间曲线
(c)工况10ms15g下，转子的纵向加速度时间曲线
图10工况10ms15g下，转子对加速度的响应
其中o是被检典型部件中，Mises应力的最大量值，o。 是材料的静态屈服极限，单位是MPa。当n不大于1时，结构被认为是安全的，否则结构是危险的。
根据Mises应力 - 时间曲线和垂直冲击下不同检查部件的“失效因数”n，推导出涡轮增压器组的Mises应力随着峰值加速度（a2）的增加而增加，并随 脉冲宽度（t3）增加。图11给出了垂直冲击下旋转器失效系数与冲击加速度峰值的关系曲线。
图1 1垂直冲击下旋转器失效系数n的变化趋势
在分析垂直冲击下24个工况的数值模拟结果后，可以看出，弱点集中在构件的接触部位和接头部位，即转子与轴承的接触部位，齿轮的齿部与气体压缩机和底座的连接处。
3）叶片和壳体之间的间隙的安全性
薄片和外壳之间的间隙为0.6毫米。 为确保涡轮增压器组的安全性，叶片顶部与壳体之间的相对位移不应超过该值。因此，无量纲系数定义为B = U / 0.6。表2给出了一些叶片顶部被检元件在垂直冲击条件10毫秒15克下的系数。
从表中可以看出，在垂直冲击10 ms 15 g工况下，该系数小于1且叶片不会与壳体接触。
- 抗冲击性能的阈值
为了确定垂直冲击下涡轮增压器抗冲击能力的阈值，需要考虑两个约束条件：设备的Mises应力不应超过静态屈服应力，并且叶片与壳体之间的间隙应足够避免它们接触 。对于最危险的点（首先Mises应力达到屈服极限，相对位移达到0.6mm）的数值结果进行插值并且限制在表3中列出。由两个约束决定的最小值将被采纳。
表2.垂直冲击10ms15g下，叶片与壳体建的相对位移情况
表3齿轮箱在垂直作用下的抗冲击性能阈值
3.2横向冲击响应计算
3.2.1工作条件
对于横向条件，选择5,10,20和30 ms作为脉冲宽度（t3），而峰值加速度值（a2）选为4,6,24,36和48 g。这样就形成了20个工作条件（如表4所示）。
3.2.2数值模拟结果
- 典型零件的冲击响应
受限于长度，表格只给出在工作条件10ms 6g下被检部件的米塞斯时间和加速度时间曲线，如图12-15所示
表4横向冲击设计的工况
图12工况10ms 6g下，齿轮与轴承接触部分的米赛斯-时间曲线
图13工况10ms 6g下，转子与轴承接触部分的米赛斯-时间曲线
- 工况10ms 6g下，转子的垂向加速度-时间曲线
- 工况10ms 6g下，转子的横向加速度-时间曲线
- 工况10ms 6g下，转子的纵向加速度-时间曲线
图14工况10ms 6g下，转子的加速度响应
（a）工况10ms 6g下，齿轮的垂向加速度-时间曲线
（b）工况10ms 6g下，齿轮的横向加速度-时间曲线
（c）工况10ms 6g下，齿轮的纵向加速度-时间曲线
图15工况10ms 6g下，齿轮的加速度响应
2）米赛斯应力响应分析
分析横向冲击下20种工况的数值模拟结果，得出与横向冲击下的结果相同的结论：随着脉冲加速度峰值（a2）的增大，增压器组的Mises应力响应会增大，同时随冲击宽度（t3）的增加也会增加。图16给出了垂直冲击下旋转器失效系数与冲击加速度峰值的关系曲线。
图16横向冲量下转子失效系数n的变化趋势
同样，在分析20种工况下横向冲击下的数值模拟结果后，可以看出齿轮箱结构在横向冲击载荷作用下的弱点，弱点集中在与垂直冲击载荷相同的位置。 两种情况的差异在于相应地区的剧烈反应。
- 叶片和壳体之间的间隙的安全性
对于横向冲击的安全性，还应分析薄板和外壳之间的间隙。系数的定义与垂直冲击条件下的相同。表5给出了横向冲击10ms 6g条件下，薄板顶部一些被检查元件的系数。
从表中还可以得出结论，在横向冲击10 ms 6 g条件下，系数小于1时叶片不会与壳体接触。
为了确定横向冲击下涡轮增压器的抗冲击能力的阈值，本文采用了与垂直冲击下相同的方法。对最危险点的数值结果（其中Mises应力首先达到屈服极限，相对位移 达到0.6毫米）进行内插，并获得列于表6中的限值。 从两个约束中确定的最小值定为阈值。
表.5垂直冲击10ms6g
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