Analysis on shock resistance design indexes of elastic isolation installations
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摘要:目的 舰船弹性隔离系统设备系统的抗冲击标准均是针对隔离系统整体，没有给出设备本体抗冲击设计指标分解方法，限制了装备系统抗冲击论证和研制。方法 为解决该矛盾，采用有限元分析方法，对弹性安装设备系统冲击环境的主要影响因素进行计算和分析，包括设备重量、重心位置、面积尺寸等，构建集中质量系统来模拟隔离安装的设备本体冲击环境计算模型，并对某双层隔离设备抗冲击指标进行分析计算，给出设备本体的冲击环境。结果 结果显示，设备重量的影响最显著，并且在基础阻抗更小的甲板区域上，重量的影响效果更明显；重心位置和基座面积尺寸对冲击环境的影响可忽略。结论 利用提出的分析模型，可实现对标准输入冲击谱的分解，得到弹性隔离安装设备抗冲击设计指标，从而指导后续设备本体抗冲击设计。Abstract:Objectives The shock resistance standards of the ship's elastic isolation and installations system are all aimed at the isolation system as a whole, and there is no decomposition method of the shock resistance design indexes for the installations, which limits the shock resistance demonstration and development of the installations.Methods In this paper, the main factors of the shock environment of the elastic isolation installations are calculated and analyzed by using Finite Element Analysis(FEA) method, including the weight, the position of gravity center, the area of shock isolator, etc. Then the calculation model for the shock environment of the elastic isolation installations is simulated by the established centralized mass model. Based on this centralized mass model, the shock resistance indexes of a double-layer isolation installation are analyzed and calculated, and the shock environment of this installation is given.Results The results show that, the weight factor has the most significant influence on the shock environment, especially on the deck area where the base impedance is smaller; the influence of the position of gravity center and the area of shock isolator on the shock environment is negligible.Conclusions The standard input environment spectrum can be decomposed to obtain the shock resistance indexes of the elastic isolation installations by the calculation model, and these indexes can provide reference for the subsequent shock resistance design of the installations.
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0. 引言
舰船设备冲击环境是设备安装基础(基座或船体结构)在水下爆炸作用下的冲击响应, 主要表现为设备基础的冲击加速度、冲击速度和位移响应。作为设备的冲击输入, 冲击环境是设备抗冲击设计校核和试验评估的基础。设备抗冲击设计指标作为重要的战术技术指标, 在设备立项论证之初就需要明确, 以作为后续设计的输入。由于设备安装部位不同, 安装基座结构多样, 安装基座和设备之间也存在耦合关系, 导致设备冲击环境特性差异很大。因此, 各国海军基于冲击试验和数值仿真技术, 总结得到合适的设备抗冲击设计载荷。
我国针对舰艇抗冲击技术的研究相比欧美海军起步较晚, 数据积累较少。在设备抗冲击设计相关标准规范方面, 主要借鉴美国的NRL1386[1]和德国的BV0430/85[2], 编制了GJB1060.1-91规范[3](用于指导刚性安装设备的抗冲击设计)以及HJB715-2016规范[4](用于指导弹性隔离安装设备开展抗冲击设计)。刚性安装是指设备通过螺栓或其他方式直接刚固在基座之上的方式。弹性安装是指设备通过隔振抗冲击系统安装在基座之上的方式, 如采用单层隔振装置、双层隔振装置、多个设备共用浮筏隔振装置等。但上述标准都只给出了设备及隔离装置系统的冲击设计谱值, 未给出设备本体的抗冲击设计指标。
舰船设备冲击环境具有明显的谱跌效应, 国内外学者已经对此开展过相关分析和研究[5-7]。但针对设备本体的安装重量和重心, 以及弹性隔离装置的安装面积对设备本体冲击环境谱跌效应的影响, 还未开展相关分析和研究。此外, 经过隔离系统传递到设备本体机脚的冲击环境, 可能会在安装频率处出现峰值。因此, 本文拟以弹性隔离安装的设备系统为研究对象, 从设备对冲击环境的谱跌效应出发, 考虑多个设备共用弹性隔离系统安装的重心位置、隔离系统面积对冲击环境的影响, 提出隔离安装设备系统中设备本体抗冲击指标的分析方法, 并对某双层隔离安装设备冲击设计值进行分析, 以期为后续设备研制论证提供参考。
1. 冲击环境的谱跌现象
在船舶工程中, 大、中型舰载设备的阻抗与甲板、内底等安装基础的阻抗差异不大, 甚至基础的阻抗比结构的阻抗还要低许多, 设备的存在会显著改变安装基础的响应, 因此有、无安装设备得到的船体结构响应有所不同, 从而导致得到不同的冲击谱曲线, 即有设备安装时会产生冲击谱的谱跌现象[5]。贺少华等[6]结合多自由度系统的冲击响应谱分析计算, 解释了谱跌产生的原理, 给出了谱跌的具体建立方法。姜涛等[7]利用二自由度模型简化舰艇设备安装模型, 通过对二自由度模型冲击谱的分析得出谱跌规律, 并提出在一定条件下进行抗冲击计算时必须考虑谱跌的影响。
对于任何一个复杂的多自由度系统, 可看成由两个或若干个子系统组成, 通常将所关心的、要仔细分析的那个子系统称为主系统, 另一个或若干个对主系统有影响的子系统称为副系统或从系统[8]。把主、从系统抽象成如图 1所示的双质量弹簧系统。Ⅰ代表主系统, 在本文中为设备安装的位置, 如船体的甲板、双层底等, 底部基础受到冲击激励x0(t), 其中m1为主系统的质量, k1为主系统自身的刚度, x1为主系统的位移响应。Ⅱ代表从系统, 可以表示为设备及基座, 其中m2为设备质量, k2为设备安装的刚度(由m2和k2可确定设备的安装频率), x2为从系统的位移响应。冲击谱一般由设备安装处的响应计算得到, 因此, 研究主系统m1的响应, 便可对冲击谱的谱跌现象进行分析。
下面, 采用基础激励二自由度响应求解方法, 分析基础在图 2所示组合三角波加速度激励下m1的冲击响应谱。设m1=10 t, m2=5 t, k1=8.88×107 N/m, k2=7.89×107 N/m, 则m1和m2单独存在时的固有频率f01=15 Hz, f02=20 Hz, 得到耦合系统的第1阶和第2阶固有频率f1=11 Hz, f2=26 Hz。
根据m1的加速度响应, 得到m1处的冲击谱如图 3所示。冲击谱的峰值分别对应二自由度耦合系统的第1阶和第2阶固有频率f1和f2, 而谱跌对应的则是系统m2单独存在时的固有频率f02, 也即在设备的安装频率处会形成谱跌。
耦合系统的质量比a对系统第1阶和第2阶固有频率的影响较大, 为分析质量比对谱跌的影响, 保持其它参数不变, 使m2=30 t, 此时系统的第1阶和第2阶固有频率分别为f1=7 Hz, f2=42 Hz, 得到m1处的冲击谱如图 4所示。质量比增大后, 耦合系统的固有频率与子系统固有频率间的差异增大, 但谱跌仍在系统m1单独存在时的固有频率f02处。
2. 共用弹性基座设备冲击环境特性
根据舰船设备谱跌影响因素分析结果, 主要关注重量的影响, 基础频率的影响一般按照设备安装区域进行区分, 如GJB1060.1-91中刚性安装设备抗冲击设计值的确定方式[3]。但在实际对弹性隔离安装的设备本体单独提出抗冲击需求时, 存在2台设备共用1台基座的情形, 此时, 除了设备总重量变化外, 设备安装的重心变化、共用基座面积大小等对设备本体冲击环境的影响还不确定。针对这种情况, 本文选取典型的两设备共用弹性基座的某型推进机组系统为研究对象, 依据冲击环境谱跌原理分析, 针对设备重量变化、重心偏移以及共用基座面积等参数对设备本体冲击环境的影响进行分析。
2.1 计算模型及工况
机组模型如图 5所示, 弹性基座上布置了2个不同质量的设备模型, 该机组模型的第1阶频率为10 Hz。为分析上述谱跌因素的影响, 分别改变设备总质量、重心位置和基座面积。水下爆炸冲击计算工况一致, 针对不同影响因素共设置了13种计算模型(表 1)。
表 1 不同工况下的计算模型参数Table 1. Computational model parameters in different working conditions模型 设备重量/t 接触面积 设备重心偏移 1 0（无设备） — — 2 10 0 原始 3 11（原始） 原始 原始 4 11（原始） 原始 重心偏左 5 11（原始） 原始 重心居中 6 11（原始） 原始 重心偏右 7 11（原始） 面积增大 原始 8 30 0 原始 9 50 0 原始 10 50 原始 原始 11 80 原始 原始 12 100 0 原始 13 100 原始 原始 机组模型安装于某千吨级舰船模型(图 6)上, 通过声固耦合法模拟水下爆炸冲击载荷作用, 分别提取机组模型输入和各设备机脚的冲击响应, 转换为冲击谱进行分析。
2.2 设备系统重量的影响
对于推进机组模型安装在基础刚度较低的甲板、基础刚度较高的内底结构这2种情况, 设备重量对冲击环境的影响有所不同(图 7和图 8)。
由图 7可以看出, 与未安装设备时相比, 当机组设备安装在甲板结构上时, 冲击谱在10 Hz频率处发生了谱跌, 即在设备的安装频率处, 以及谱跌处的两侧产生了明显的峰值; 根据度量参数的曲线可知, 在谱速度差绝对值最大位置处恰好产生了谱跌。而由图 8可见, 当机组设备安装在内底结构上时, 安装设备的冲击谱与未安装设备时相比没有变化, 冲击谱曲线几乎重合, 说明设备安装在内底板内底上时并未产生明显的谱跌现象, 对冲击谱基本没有影响。
同样, 对于2种不同安装部位的机组模型, 冲击环境及重量变化的影响也有所不同(图 9和图 10)。
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图 9 设备重量对安装在甲板上的机组模型冲击谱的影响规律Figure 9. Effect of equipment mass on shock spectrum of machine set on deck![]()
图 10 设备重量对安装在内底上的机组模型冲击谱的影响规律Figure 10. Effect of equipment mass on shock spectrum of machine set on inner bottom图 9给出了设备系统安装在甲板上时, 设备重量改变对冲击谱的影响。由图可见, 在低频部分, 随着设备重量的增加, 冲击谱曲线的第1个峰值不断减小, 并且峰点向左偏移; 在中频段, 随着设备重量的增加, 冲击谱曲线波峰点向右偏移, 冲击谱曲线不断下降。由图 10可以看出, 对于安装在内底上的设备而言, 设备重量改变对冲击谱有一定的影响, 但变化规律不明显, 只对低频冲击谱有影响。
设备重量变化的影响对于冲击环境的反作用较大, 这也体现在各国海军标准中舰船设备冲击环境设计值的计算公式中。但本研究将设备模型安装在刚度差异明显的甲板和内底上, 由于甲板安装区域的阻抗和设备相比低很多, 而内底阻抗与设备阻抗接近, 即差异相对小, 且只有在基础阻抗比设备阻抗低很多的情况下才会更显著地影响冲击环境, 因此得出设备重量的影响力度在2种安装条件下明显不同, 这符合谱跌效应规律。
2.3 设备重心位置的影响
图 11给出了安装在甲板上的机组模型设备冲击谱曲线。由图可见, 随着重心坐标向右偏移, 冲击谱曲线第1个波峰值不断增大, 这可能是由于当重心坐标向右偏移时, 设备的重心不断靠近甲板中心, 从而使两者的耦合程度增大, 两者的偏差远小于±3 dB[4]。总的来说, 其对冲击谱影响不大, 说明设备重心的偏移对谱跌的影响可以忽略不计。图 12给出了安装在内底上的机组模型的设备冲击谱曲线。从中可以看出, 设备重心位置偏移后对冲击谱没有影响, 冲击谱曲线几乎重合。
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图 11 重心位置对安装在甲板上的机组模型冲击谱的影响Figure 11. Effect of centroid on shock spectrum of machine set on deck![]()
图 12 重心位置对安装在内底上的机组模型冲击谱的影响Figure 12. Effect of centroid on shock spectrum of machine set on inner bottom2.4 设备基座面积的影响
计算过程中, 当将设备系统简化为1个质量点时, 其与甲板的接触面积趋于0, 冲击响应主要与甲板的第1阶模态频率有关。随着整个设备系统与其底部接触面积的增大, 甲板的高阶模态也可能被激起, 因此, 基座面积也作为影响因素进行分析。
通过对基座面积为0、原尺寸、2倍尺寸的浮筏系统进行计算, 由于面积增大导致测点改变, 无法选取完全对应的测点进行比较分析, 故选取甲板和内底上各测点设计谱的平均值来研究其对冲击环境的影响, 结果如表 2和表 3所示。由表 2和表 3可知, 随着接触面积的增大, 甲板和内底上各测点的冲击谱参数变化不明显, 且无规律可循, 说明面积的改变对冲击谱的影响可以忽略。
表 2 甲板各测点的设计谱值Table 2. Shock spectrum of measuring points on deck参数 原尺寸浮筏系统 2倍尺寸浮筏系统 谱位移/cm 13.48 17.86 谱速度/(m·s-1） 2.46 2.86 谱加速度/g 136.58 114.37 表 3 内底各测点的设计谱值Table 3. Shock spectrum of measuring points on inner bottom参数 基底面积为0 原尺寸浮筏系统 2倍尺寸浮筏系统 谱位移/cm 26.68 19.97 22.53 谱速度/(m·s-1） 6.16 4.97 5.11 谱加速度/g 256.01 277.90 247.35 3. 某型设备抗冲击设计指标论证分析
通过上述对共用基座安装设备冲击环境的影响分析, 在对隔离系统提出抗冲击指标的过程中, 可以将设备系统简化为集中质量模型进行指标分析。如果存在某型设备单独研制本体, 在不配套专用隔离装置时, 其本体抗冲击指标与隔离装置性能存在一定的关系, 如果选配的隔离装置冲击隔离率更高, 那么对本体的抗冲击要求就偏低, 但考虑到其他因素选配的隔离装置冲击隔离效率较差, 那么对设备本体的抗冲击能力要求就更高。因此, 在对设备本体提出抗冲击指标时, 应全面综合考虑。
GJB1060.1-91规范给出了适用于刚性安装设备的抗冲击设计指标, 而HJB715-2016规范则给出了弹性安装设备系统的抗冲击指标, 但并未分解到设备本体的指标, 且未给出实际使用过程中的指导方法。下面, 以某型设备为例, 给出本体抗冲击指标的分解过程。
某型设备在设计之初, 质量设计目标基本确定, 根据设计经验, 可选配两型隔离装置, 特性参数分别如表 4和表 5所示, 其中冲击刚度取1.5~2.5倍动刚度。在2种模型下, 建立设备本体与隔离装置的集中质量模型, 可计算得到设备本体机脚冲击环境。
表 4 隔离系统1的性能参数Table 4. Performance parameters of isolation system 1参数 数值 设备本体重量/kg 1.3×104 隔离装置重量/kg 9 408 上层动刚度/（N·m-1） 1.4×106 下层动刚度/（N·m-1） 2.2×106 上层数量 18 下层数量 10 表 5 隔离系统2的性能参数Table 5. Performance parameters of isolation system 2参数 隔振器 限位器 设备本体重量/kg 13 000 — 隔离装置重量/kg 5 000 — 上层动刚度/（N·m-1） 3.3×106 3.0×107 下层动刚度/（N·m-1） 5.33×106 5.5×106 上层数量 12 4 下层数量 10 4 上层限位距离/mm — 4±1 下层限位距离/mm — 6±1 根据2种隔离系统与某设备建立冲击动力学模型, 给定统一的冲击输入(图 13所示的设计谱曲线), 计算得到设备本体的冲击谱如图 13所示。经过2种隔离系统后传递到设备本体的冲击谱与冲击设计谱相比, 在低频和高频, 其能量有显著降低, 但隔离系统1受自身频率影响, 在7和20 Hz处出现了高于原设计谱的峰值; 相较之下, 隔离系统2在该中频段上的隔离效果更优, 峰值出现在30 Hz处, 且量值也更低。在综合考虑设备隔振、抗冲击等综合性能后, 选取合适的隔离系统, 对经过隔离系统后得到的本体冲击谱取包络值, 以作为设备本体的设计及考核指标。
4. 结论
为对弹性隔离装置安装的设备系统抗冲击指标进行分析和论证, 本文分析了设备重量、重心位置和安装面积等因素对冲击谱的影响, 并对某型设备抗冲击指标进行了论证分析, 得出如下结论:
1) 设备安装在船体甲板上时, 设备安装对冲击谱产生影响, 在设备安装频率处产生谱跌; 设备安装在船体内底上时, 设备安装对冲击谱不产生影响, 有、无设备安装这2种情况的冲击谱曲线几乎完全重合, 在安装频率处没有产生谱跌现象。产生这种现象的主要原因是甲板安装区域的阻抗明显小于内底区域, 体现在设备对环境反作用的效果上时, 甲板谱跌效应更明显。
2) 无论是安装在甲板区域还是内底区域, 待分析设备的重心偏移、筏架面积增大等对冲击谱谱跌的影响均不明显, 在后续分析设备本体抗冲击指标时可忽略这些因素的影响。
综合分析上述影响因素后, 在后续隔离系统安装的设备本体抗冲击指标的论证分析过程中, 可将设备简化为单质量点模型, 根据隔离系统性能参数建立隔离装置模型, 得到设备本体冲击谱, 然后按照相关标准提出设计指标, 以用于指导设备抗冲击设计及评估。
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图 9 设备重量对安装在甲板上的机组模型冲击谱的影响规律
Figure 9. Effect of equipment mass on shock spectrum of machine set on deck
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图 10 设备重量对安装在内底上的机组模型冲击谱的影响规律
Figure 10. Effect of equipment mass on shock spectrum of machine set on inner bottom
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图 11 重心位置对安装在甲板上的机组模型冲击谱的影响
Figure 11. Effect of centroid on shock spectrum of machine set on deck
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图 12 重心位置对安装在内底上的机组模型冲击谱的影响
Figure 12. Effect of centroid on shock spectrum of machine set on inner bottom
表 1 不同工况下的计算模型参数
Table 1 Computational model parameters in different working conditions
模型 设备重量/t 接触面积 设备重心偏移 1 0（无设备） — — 2 10 0 原始 3 11（原始） 原始 原始 4 11（原始） 原始 重心偏左 5 11（原始） 原始 重心居中 6 11（原始） 原始 重心偏右 7 11（原始） 面积增大 原始 8 30 0 原始 9 50 0 原始 10 50 原始 原始 11 80 原始 原始 12 100 0 原始 13 100 原始 原始 
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表 2 甲板各测点的设计谱值
Table 2 Shock spectrum of measuring points on deck
参数 原尺寸浮筏系统 2倍尺寸浮筏系统 谱位移/cm 13.48 17.86 谱速度/(m·s-1） 2.46 2.86 谱加速度/g 136.58 114.37
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表 3 内底各测点的设计谱值
Table 3 Shock spectrum of measuring points on inner bottom
参数 基底面积为0 原尺寸浮筏系统 2倍尺寸浮筏系统 谱位移/cm 26.68 19.97 22.53 谱速度/(m·s-1） 6.16 4.97 5.11 谱加速度/g 256.01 277.90 247.35
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表 4 隔离系统1的性能参数
Table 4 Performance parameters of isolation system 1
参数 数值 设备本体重量/kg 1.3×104 隔离装置重量/kg 9 408 上层动刚度/（N·m-1） 1.4×106 下层动刚度/（N·m-1） 2.2×106 上层数量 18 下层数量 10
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表 5 隔离系统2的性能参数
Table 5 Performance parameters of isolation system 2
参数 隔振器 限位器 设备本体重量/kg 13 000 — 隔离装置重量/kg 5 000 — 上层动刚度/（N·m-1） 3.3×106 3.0×107 下层动刚度/（N·m-1） 5.33×106 5.5×106 上层数量 12 4 下层数量 10 4 上层限位距离/mm — 4±1 下层限位距离/mm — 6±1
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