丁建軍 張忠宇 田昭麗 宋 瑩

（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱 150001）

0 引 言

諸多戰(zhàn)例和實(shí)船水下爆炸試驗(yàn)情況表明，艦艇在遭受較強(qiáng)的水下爆炸攻擊之后，盡管有可能保持船體結(jié)構(gòu)完整，但會(huì)由于內(nèi)部設(shè)備受到損傷而喪失生命力和戰(zhàn)斗力［1］。沖擊作用下，船內(nèi)設(shè)備比船體結(jié)構(gòu)更為敏感，可能因?yàn)檩^大的加速度或者位移產(chǎn)生損壞［2］。設(shè)備損傷已成為艦船抗沖擊問題的薄弱環(huán)節(jié)，而管路的抗沖擊能力就是保障船體內(nèi)部設(shè)備功能的關(guān)鍵前提。管路系統(tǒng)的沖擊破壞是一個(gè)不容忽視的問題，有必要深入開展管路在水下爆炸沖擊載荷作用下的響應(yīng)研究。

相對于水下爆炸載荷、船舶整體強(qiáng)度、船體板架和設(shè)備抗沖擊等問題而言，針對管路的研究還不夠深入和廣泛。目前，國內(nèi)的研究主要基于理論推導(dǎo)

有限元方法以其經(jīng)濟(jì)性和可操作性注定其在船舶結(jié)構(gòu)、設(shè)備及管系抗沖擊研究方面具有不可比擬的優(yōu)越性。有限元方法讓工程師從繁重的編程任務(wù)中解脫出來，是進(jìn)行工程數(shù)值計(jì)算研究的利器。本文基于商用有限元軟件對大型船舶的輸氣管路進(jìn)行抗沖擊計(jì)算研究，分析管路沖擊動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。

1 計(jì)算模型

本文所研究的是船體內(nèi)部管路結(jié)構(gòu)，模型選自萬噸級散貨船的機(jī)艙排氣和壓縮空氣系統(tǒng)。管路系統(tǒng)的支座布置則是參照《船舶管系布置和安裝工藝要求》里面的要求［6］，法蘭、閥門等以質(zhì)量塊的形式加在管路上。本文只考慮結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的作用，不考慮熱效應(yīng)以及管內(nèi)壓力。

圖1為管系原理圖，左側(cè)紅色線條表示壓縮空氣管路，右側(cè)表示排氣管路。圖2為管系有限元模型示意圖。本文主要研究管路與設(shè)備之間的連接強(qiáng)度問題，將氣瓶、增壓鍋爐和主機(jī)等設(shè)備在模型中定義成為剛體，設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗沖擊問題暫

圖1 管系原理圖

不考慮。管路模型主要尺寸如表1所示。

對管路采用實(shí)體建模，先在ANSYS軟件中建立幾何模型。為了獲得較好的有限元網(wǎng)格，在HyperMesh軟件中對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了保證模型網(wǎng)格的質(zhì)量，彎頭、三通等幾何復(fù)雜的區(qū)域采用三角形網(wǎng)格，其余規(guī)則的區(qū)域則用四面體網(wǎng)格掃略而成，最終模型共有41 612個(gè)單元。

一般對設(shè)備的抗沖擊評估有靜態(tài)等效法、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析法（DDAM）和時(shí)域模擬法［7］。本文采用時(shí)域模擬法對管路進(jìn)行分析，管路載荷的施加選用多點(diǎn)沖擊譜分析方法，并以BV0430-85校核設(shè)備最嚴(yán)的工況對其加載。典型的沖擊譜曲線示意圖如圖3所示，由等位移、等速度和等加速度三段曲線組成。

圖3 典型設(shè)計(jì)沖擊譜

基于BV0430-85艦艇建造規(guī)范，按照（1）式將沖擊譜轉(zhuǎn)換為等效的時(shí)域加速度歷程曲線。

設(shè)計(jì)沖擊譜等效加速度時(shí)歷曲線，如圖4所示，由正負(fù)兩個(gè)脈沖組成。正脈沖加速度峰值大，持續(xù)時(shí)間短，負(fù)脈沖加速度峰值小，持續(xù)時(shí)間長。正脈沖面積為V2，兩個(gè)脈沖的面積相等，致使基礎(chǔ)最終速度為0。a2和t3為正脈沖的加速度峰值和脈寬；a4為負(fù)脈沖的峰值；t5-t3為負(fù)脈沖的脈寬。

圖4 設(shè)計(jì)沖擊譜等效加速度時(shí)歷曲線

2 結(jié)果分析

模型共有四種尺寸的管路，每種類型的管路都取典型區(qū)域的節(jié)點(diǎn)和單元設(shè)置考核點(diǎn)，定義歷史變量輸出，以便分別對管路的加速度、應(yīng)力、位移響應(yīng)進(jìn)行分析。圖5為模型壓縮空氣管和排氣管上代表性節(jié)點(diǎn)的加速度曲線。

圖5 管路典型節(jié)點(diǎn)垂向加速度曲線

從圖5的曲線可以看出，管路的加速度曲線呈現(xiàn)出明顯的周期性，圖（a）、（c）、（d）都有清晰的波形，圖（b）則是一系列的高頻振動(dòng)。管路模型不同部位的節(jié)點(diǎn)加速度曲線差別很大：在管徑、壁厚比較大的管路，管路的加速度響應(yīng)比較劇烈，幅值大、頻率高；剛度較小的地方則呈現(xiàn)出頻率、幅值都較低的趨勢。

圖6為管路模型加速度響應(yīng)與管路外徑管系曲線?？梢钥闯觯」軓缴铣霈F(xiàn)很大的加速度響應(yīng)，隨著管徑的增大，加速度峰值迅速衰減。管路模型中加速度響應(yīng)較大者出現(xiàn)在細(xì)小的管路，評估管系的抗沖擊性能時(shí)應(yīng)著重考核相對細(xì)小的管路。現(xiàn)行的《支吊架布置規(guī)范》在細(xì)小管路的支吊架布置方面應(yīng)改進(jìn)。

圖6 管路加速度與外徑關(guān)系曲線

圖7為管系應(yīng)力云圖。從中可以看出，在彎頭和三通區(qū)域顏色較深，都是出現(xiàn)較大應(yīng)力集中的區(qū)域。整個(gè)模型的最大應(yīng)力出現(xiàn)在異徑三通處，達(dá)到196 MPa，超過了材料的靜態(tài)屈服極限，管路出現(xiàn)塑性破壞。對照圖1，可以看出在安裝管系附件的附近都會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，這是由于管路模型的整體響應(yīng)與文獻(xiàn)［1］描述一致。

圖7 管系應(yīng)力響應(yīng)云圖

圖8與 圖9分別為沖擊載荷作用下排氣管單元的Von Mises應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變PEEQ曲線。

圖8 單元Von Mises應(yīng)力曲線

圖9 單元等效塑性應(yīng)變曲線

材料發(fā)生屈服，模型局部產(chǎn)生了少量塑性應(yīng)變?？梢园l(fā)現(xiàn)單元是在載荷作用后很快產(chǎn)生塑性變形，然后保持一定的水平不再增加；管路塑性變形的產(chǎn)生是在載荷作用后的瞬間，幾個(gè)周期后，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)迅速衰減；而局部是由于管路的大幅運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生塑性變形。

如下頁圖10所示，細(xì)管在沖擊載荷的作用下出現(xiàn)較大的彎曲。盡管塑性變形小于管路自身結(jié)構(gòu)突變處產(chǎn)生的變形，但是也可能使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性破壞，所以在管路抗沖擊評估時(shí)應(yīng)著重考慮管路的截面突變區(qū)域及細(xì)長管段的強(qiáng)度。在細(xì)管上盡量少布置諸如閥門、法蘭等會(huì)給管路帶來集中質(zhì)量的元器件，防止管路在沖擊作用下的應(yīng)力集中。此外，現(xiàn)行規(guī)范約定的管路支吊架布置間距可能不能滿足管路的抗沖擊設(shè)計(jì)，導(dǎo)致細(xì)管在支座間由于較大的彎曲變形而產(chǎn)生塑性變形。

下頁圖11為模型位移曲線。從圖中可以看出，主機(jī)在沖擊載荷作用下不會(huì)產(chǎn)生明顯的共振，其他設(shè)備的振動(dòng)頻率在10 Hz左右，壓縮空氣管路約為20 Hz，排氣管 （外徑1 312 mm）由于自身管徑和壁厚比較大，振動(dòng)頻率比較低。整體上看，管路振動(dòng)頻率明顯高于設(shè)備的振動(dòng)頻率，管路與設(shè)備的連接處會(huì)產(chǎn)生相對位移。細(xì)長的管路要避免運(yùn)動(dòng)幅度過大，防止與其他結(jié)構(gòu)產(chǎn)生碰撞。

圖10 管路不同時(shí)刻的變形云圖

圖11 模型位移曲線

3 結(jié) 論

本文基于有限元軟件對船舶壓縮排氣管路在水下爆炸沖擊載荷作用下的響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬。應(yīng)用時(shí)域分析方法分析，載荷選自BV0430-85校核設(shè)備的最大沖擊環(huán)境。通過對模型動(dòng)響應(yīng)的研究得出以下結(jié)論：

（1）管路應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中在彎頭和三通區(qū)域，響應(yīng)峰值在沖擊作用后的幾個(gè)周期內(nèi)，然后迅速衰減；閥門、法蘭等附件的安裝處會(huì)由于集中質(zhì)量大而產(chǎn)生較大的慣性力，引起局部的管路應(yīng)力集中較大，容易造成連接處破壞。

（2）管路與設(shè)備連接處在受到?jīng)_擊作用后的振動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生相對位移，需要加裝補(bǔ)償相對位移的彈性元器件。

（3）相對細(xì)小的管路是整個(gè)管系的薄弱環(huán)節(jié)，建議在評估管系的抗沖擊性能時(shí)著重考察。

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