金昊， 閆明（沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽110870）

0 引 言

收放架是水面艦船水下拖曳系統(tǒng)的重要組成部分，其與絞車共同構(gòu)成了水下拖曳系統(tǒng)中必不可少的收放裝置，而水下拖曳系統(tǒng)是海洋學(xué)研究、海底資源開發(fā)、海洋打撈救助以及水下探測等領(lǐng)域的一種重要工具。在海洋學(xué)研究中，應(yīng)用拖曳式CTD剖面儀可以在航行狀態(tài)下對海水特性隨深度的變化進行測量［1-3］；在海洋打撈救助領(lǐng)域，借助各種儀器設(shè)備，水下拖曳系統(tǒng)可以將沉入水中的各種物體打撈出水［4-5］；各種拖曳式聲納系統(tǒng)、水聲對抗系統(tǒng)和掃雷系統(tǒng)都通過水下拖曳系統(tǒng)進行水下探測［6-7］，一旦拖曳系統(tǒng)在作戰(zhàn)中受到爆炸沖擊而損壞，多種水下探測系統(tǒng)將無法正常工作，直接危及艦船的戰(zhàn)斗力和生命力。

艦船在海戰(zhàn)中不可避免地受到魚雷、水雷、深水炸彈等水中兵器的攻擊威脅，這種非接觸爆炸雖然不會造成強烈的局部破壞，但其沖擊波影響范圍很廣。在爆炸沖擊環(huán)境下，船體本身即便保持水密性，但是巨大的沖擊波會對艦載設(shè)備造成嚴(yán)重的損傷，如果收放架損壞，整個拖曳系統(tǒng)將無法正常工作?？箾_擊能力是收放架的重要技術(shù)指標(biāo)之一，我國國軍標(biāo)中規(guī)定收放架在裝備艦船之前必須通過爆炸沖擊試驗考核。由于收放架的質(zhì)量大，爆炸沖擊考核只能在浮動平臺上進行，該試驗成本高、操作難度大且具有一定的危險性，不宜反復(fù)試驗，因此采用有限元方法計算收放架的沖擊響應(yīng)并校核其抗沖擊能力。

艦船設(shè)備抗沖擊設(shè)計方法主要有靜態(tài)等效法、動態(tài)設(shè)計分析法和時域模擬法。靜態(tài)等效法是將動載荷等效為一定數(shù)量的靜載荷，該方法簡單、易用但精度低［8］；動態(tài)設(shè)計分析法是建立在模態(tài)分析理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)動力學(xué)原理計算系統(tǒng)響應(yīng)，該方法不能考慮非線性因素［9］；時域模擬法采用實測的時歷曲線作為設(shè)備的輸入曲線，對設(shè)備在時域上進行瞬態(tài)分析，該方法同時考慮其它各種非線性因素，只是計算量很大，對計算機硬件要求較高。收放架通過螺栓剛性安裝于水面艦船的甲板上，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有大量的聯(lián)接關(guān)系，若單元尺寸較大，則計算精度低；反之則會增加大量機時，而計算精度卻不會有很明顯的提高。本文用時域模擬法計算其沖擊響應(yīng)，并采用子模型技術(shù)對局部結(jié)構(gòu)做進一步分析。

1 收放架有限元模型及沖擊環(huán)境

1.1 收放架結(jié)構(gòu)及有限元模型

收放架整體有限元模型如圖1所示，該模型包含207839個單元和303932個節(jié)點。其結(jié)構(gòu)主要包括底座導(dǎo)軌、推進系統(tǒng)、齒輪傳動系統(tǒng)和液壓伸縮系統(tǒng)。收放架通過推進系統(tǒng)的移動和液壓缸的伸縮來改變工作狀態(tài)，完成拖纜和拖體釋放、收回以及拖曳作業(yè)。

1.2 收放架的沖擊環(huán)境

實船水下爆炸試驗得到的艦艇設(shè)備在水下爆炸沖擊環(huán)境中的時域曲線極其復(fù)雜，無法直接應(yīng)用于設(shè)備的沖擊試驗或者數(shù)值仿真中，因此，將實測的時域曲線轉(zhuǎn)換為沖擊響應(yīng)譜，再轉(zhuǎn)換成可以直接應(yīng)用的時域曲線作為輸入載荷。根據(jù)我國國軍標(biāo)規(guī)定，以半正弦變化歷程作為輸入載荷，為了考察自由振動對沖擊響應(yīng)的影響，在沖擊載荷結(jié)束后繼續(xù)計算至0.05 s，收放架沖擊載荷時歷曲線如圖2所示。

圖1 收放架有限元模型

圖2 收放架沖擊載荷時歷曲線

2 收放架的子模型

子模型法是在整體模型計算的基礎(chǔ)上，對局部區(qū)域細化網(wǎng)格并重新計算的一種方法，該方法可以用較短的時間精確計算局部應(yīng)力分布情況，其關(guān)鍵在于子模型在總體坐標(biāo)系中的位置與整體模型相同區(qū)域須完全一致且應(yīng)準(zhǔn)確施加切割邊界條件。

圖3 收放架局部子模型

收放架內(nèi)部結(jié)構(gòu)和聯(lián)接關(guān)系復(fù)雜，若單元尺寸較小，整體模型的計算量大，耗費機時；若單元尺寸較大，計算精度低，應(yīng)力變化劇烈，因此采用子模型技術(shù)計算收放架的沖擊響應(yīng)，收放架局部子模型如圖3所示，該模型包含53289個單元和62869個加點，其在總體坐標(biāo)系中的位置與整體模型完全一致。

3 沖擊載荷下收放架的應(yīng)力分布

按照前文所述的沖擊環(huán)境計算收放架的沖擊響應(yīng)，為了考察圖1（b）中所示滾輪與導(dǎo)軌接觸面間在垂向的應(yīng)力分布并驗證子模型法的有效性，只計算收放架在垂向的應(yīng)力分布，計算結(jié)果如下：圖4所示為收放架整體模型在垂向沖擊下的應(yīng)力分布，從圖中可以看出在滾輪與導(dǎo)軌接觸區(qū)域應(yīng)力較大。

圖4 收放架整體應(yīng)力分布

圖5所示為整體模型與子模型在滾輪與導(dǎo)軌接觸區(qū)域內(nèi)同一點的應(yīng)力-時間曲線，從圖中可以看出兩條曲線較為接近，說明切割邊界選取恰當(dāng)，且網(wǎng)格細化提高了計算的精度，使應(yīng)力分布連續(xù)。

4 結(jié) 論

通過計算收放架整體模型在垂向沖擊下的應(yīng)力分布并用子模型法對滾輪與導(dǎo)軌接觸區(qū)域的應(yīng)力進行計算，可以得出以下結(jié)論：

圖5 滾輪與導(dǎo)軌接觸區(qū)域內(nèi)一點的應(yīng)力-時間曲線

1）收放架在受到垂向沖擊時，滾輪與導(dǎo)軌接觸處的應(yīng)力較大，最大值約為349 MPa；

2）子模型法與整體模型的應(yīng)力分布較為接近，說明子模型的切割邊界選取恰當(dāng)；

3）在相同網(wǎng)格尺寸下，與網(wǎng)格細化的整體模型相比，子模型法可以節(jié)省大約80%的機時，且對計算機的硬件要求相對較低。

4）子模型法可以廣泛應(yīng)用于其它設(shè)備的抗沖擊計算。

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