王 朝，程玉芹

（1.連云港市地方海事局，江蘇連云港222003；2．淮海工學(xué)院機(jī)械與海洋工程學(xué)院，江蘇連云港222003）

0 引言

在船舶管路系統(tǒng)中擁有眾多的管路元器件，文獻(xiàn)[1-3]中指出我國(guó)在船舶管路系統(tǒng)沖擊減振領(lǐng)域的技術(shù)積累非常有限，船舶制造業(yè)所應(yīng)用的管路系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)技術(shù)，還未把減振因素考慮進(jìn)去，沒有標(biāo)準(zhǔn)管路支吊架及減振元器件可供選擇，管路系統(tǒng)減振設(shè)計(jì)、減振元器件研制尚處空白、沒有可供參考的管路系統(tǒng)減振試驗(yàn)驗(yàn)收等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。管路系統(tǒng)的支吊架的位置、形式和數(shù)量等大都由造船的現(xiàn)場(chǎng)決定[4]，沒有理論研究的支撐，比較隨意。

1 減振性能分析

1.1 新型管卡的減振性能分析

本文根據(jù)船舶管路中常見的減振、支撐及連接方式等相關(guān)設(shè)計(jì)因素，設(shè)計(jì)出一種新型的減振管卡，并利用嵌套技術(shù)，建立減振彈簧管卡與普通管卡的有限元模型；以時(shí)域?yàn)檩d荷輸入，計(jì)算安裝有管卡的管路系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，比較新型管卡與普通管卡的減振性能。通過分析發(fā)現(xiàn)新設(shè)計(jì)的管卡與普通管卡相比，能夠有效防止管卡在沖擊作用下發(fā)生斷裂，有效降低管路系統(tǒng)的變形量，從而顯著增強(qiáng)管路的抗沖擊性能?？蔀樾卵信炌У墓苈房箾_擊設(shè)計(jì)提供參考，提高我國(guó)艦艇管路系統(tǒng)抗沖擊設(shè)計(jì)水平，應(yīng)用前景廣闊。

1.2 管卡的有限元建模

本文設(shè)計(jì)的一種新型減振彈簧管卡，其主要組成部分包括主體、彈簧箱和拉伸彈簧等。主體卡在船舶管路的上表面，主體的兩個(gè)支撐末端為螺栓，其上有固定用的連接板，連接板上部垂直設(shè)置有拉伸彈簧，用固定板與彈簧箱頂部固定拉伸彈簧，再將主體的兩個(gè)支撐末端插入到兩個(gè)彈簧箱內(nèi)部，通過末端螺栓與彈簧箱進(jìn)行連接，最后將彈簧箱固定在船體結(jié)構(gòu)上。減振彈簧管卡示意圖如圖1（a）、（b）所示。

圖1 新型管卡示意圖

普通管卡直接采用焊接的方式固定在船體結(jié)構(gòu)上，建立的ANSYS有限元模型如圖2所示，新型減振彈簧管卡有限元模型如圖3所示；現(xiàn)對(duì)裝有普通管卡和新型管卡的一段管路進(jìn)行對(duì)比分析，裝有普通管卡的管路模型如圖4所示，裝有減振彈簧管卡的模型如圖5所示。

圖2 普通管卡模型

圖3 減振彈簧管卡模型

圖4 安裝普通管卡模型

圖5 安裝減振彈簧管卡模型

1.3 載荷輸入仿真分析

在載荷的輸入中，沖擊譜是在頻域范圍表示沖擊載荷，目前主要的規(guī)范是以沖擊譜為基礎(chǔ)給出結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。如果結(jié)構(gòu)抗沖擊的時(shí)域模擬要用到?jīng)_擊輸入譜，那么必須將沖擊載荷從頻域上向時(shí)域上轉(zhuǎn)化。通常所說的從頻域到時(shí)域的轉(zhuǎn)化，就是將圖6所示的三折線譜轉(zhuǎn)化成時(shí)域范圍內(nèi)的沖擊加速度輸入曲線。故本文將載荷轉(zhuǎn)化為時(shí)域輸入，采用三種工況，分別將最大譜加速度為100 g（LC1）、200 g（LC2）、300 g（LC3），從垂直于管卡的方向輸入載荷，計(jì)算得到最大位移和應(yīng)力。

圖6 典型的沖擊譜

（1）LC1.普通管卡與減振彈簧管卡的最大位移分別如圖7及圖8所示；普通管卡與減振彈簧管卡最大合成應(yīng)力分別如圖9及圖10所示。

圖7 LC1普通管卡位移

圖8 LC1彈簧抗沖擊管卡位移

圖9 LC1普通支吊架應(yīng)力

圖10 LC1彈簧抗沖擊管卡應(yīng)力

（2）LC2與LC3的研究思路與LC1相同，但沖擊譜加速度有所變化。現(xiàn)將裝有普通管卡及新型減振彈簧管卡的管路系統(tǒng)在三個(gè)工況下最大位移及最大合成應(yīng)力對(duì)比表，如表1所示。

表1 普通管卡與減振管卡最大位移與最大合成應(yīng)力

圖7～10及表1的結(jié)果表明：LC1條件下，減振彈簧管卡的位移及應(yīng)力均小于普通管卡；LC2與LC3普通管卡斷裂，減振彈簧管卡應(yīng)力與位移變大但未斷裂?？偠灾瑱M向沖擊載荷的作用下采用新型彈簧抗沖擊管卡的管路系統(tǒng)的最大位移響應(yīng)與最大合成應(yīng)力小于采用普通管卡的管路系統(tǒng)的最大為位移響應(yīng)。所設(shè)計(jì)的彈簧抗沖擊管卡在正常工作時(shí)可以像其他管卡一樣起到固定鋼管的作用，當(dāng)在受到劇烈沖擊載荷的惡劣環(huán)境下工作時(shí)，更能突顯它的優(yōu)勢(shì)。所以新型減振彈簧管卡的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：（1）增加管路管卡的抗沖擊性能；（2）在沖擊荷載作用下可降低管夾及所約束管路處的應(yīng)力；（3）有效防止管卡在沖擊作用下發(fā)生斷裂的風(fēng)險(xiǎn)；（4）在沖擊荷載作用下有效降低管路系統(tǒng)的變形量。

2 新型管卡的應(yīng)用效果分析

在正常工作狀態(tài)時(shí)，管路系統(tǒng)未受沖擊作用時(shí)，管卡主體對(duì)管路系統(tǒng)起到正常的約束及固定的作用；當(dāng)船體及管路系統(tǒng)受到強(qiáng)沖擊后，載荷通過船體傳遞給管卡主體，管卡主體一端連接處受到的沖擊載荷最大，管卡固定螺栓發(fā)生“保護(hù)”性破損，管卡通過彈簧與箱體仍然連接，箱體內(nèi)的彈簧起到減小整個(gè)管卡的位移和應(yīng)力，使得整個(gè)管卡免受整體破壞對(duì)管路系統(tǒng)仍可起到約束作用，從而減少整個(gè)管路系統(tǒng)的應(yīng)力和變形，保護(hù)管路系統(tǒng)免受破壞。

該管卡結(jié)構(gòu)合理簡(jiǎn)單，生產(chǎn)制造容易，成本低，增加管路管卡的抗沖擊性能。采用兩端帶圓鉤環(huán)圓柱螺旋拉伸彈簧作為彈性單元，兩端帶圓鉤環(huán)圓柱螺旋拉伸彈簧的制造技術(shù)已經(jīng)非常成熟，質(zhì)量也很穩(wěn)定。圓柱螺旋拉伸彈簧在未受到?jīng)_擊作用的工作狀態(tài)時(shí)不承受荷載，此時(shí)只有箱體和管卡主體承受荷載的作用，只有在船體受到劇烈的沖擊作用時(shí)，船體結(jié)構(gòu)傳遞巨大的荷載與管卡，使得管卡與箱體的連接螺栓發(fā)生“保護(hù)”性破損，這時(shí)彈簧才承受載荷，起到抗沖擊的作用。箱體內(nèi)設(shè)置圓柱螺旋拉伸彈簧大大減小了管路在巨大沖擊載荷作用下發(fā)生大位移的風(fēng)險(xiǎn)；在沖擊荷載作用下可降低管夾及所約束管路處的應(yīng)力；有效防止管卡在沖擊作用下發(fā)生斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。綜上所述，該管卡結(jié)構(gòu)在滿足抗沖擊的基本要求之外，兼具成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大面積推廣。

3 結(jié)論

本文分析了一種新型減振彈簧管卡，采用模型嵌套技術(shù)，利用有限元軟件ANSYS對(duì)相關(guān)管路系統(tǒng)進(jìn)行建模，并進(jìn)行計(jì)算，得出新型減振彈簧管卡減振性能優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：（1）減小振動(dòng)荷載作用下元器件與管路接觸處的應(yīng)力；（2）降低管路在振動(dòng)載荷作用下斷裂的風(fēng)險(xiǎn)；（3）減小船舶管路在振動(dòng)載荷作用下的變形量。