王洪斌1，劉永剛，吳 舟，李冬穎

(1.中國一拖集團有限公司，河南洛陽 471003；2.河南科技大學 機電工程學院，河南洛陽 471003)

0 引言

雙層波紋管是通過將兩個單層波紋管套合在一起形成的，其位移補償能力更高，具有高強度和更好的柔韌度，是艦船管道系統(tǒng)中的一個重要部件。隨著艦船的隱身技術的要求越來越高，降低艦船管道系統(tǒng)的噪聲非常重要。管道噪聲是艦船機械噪聲的主要來源之一，波紋管作為管道系統(tǒng)中主要的減振降噪部件，對其隔振、隔聲性能有很高的要求。此外，艦船還可能遭遇深水爆炸和撞擊等情況，這時船體會受到一個瞬態(tài)沖擊波[4-7]，并傳遞給管道系統(tǒng)，管道系統(tǒng)受到?jīng)_擊后常常會因為變形過大而造成損壞，從而導致艦船的動力系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)管道喪失功能，使艦船失去動力和戰(zhàn)斗力。波紋管作為管道系統(tǒng)位移補償和吸能的重要構件，對其在沖擊載荷作用下的動態(tài)響應進行研究，為提高波紋管的抗沖擊性能設計，對提高艦船的壽命和戰(zhàn)斗力起著至關重要的作用。

陳海龍等[4]利用DDAM法和時域法相結合的方法，在頻域和時域上對船用典型動力設備進行了抗沖擊分析，通過分析結果表明，船用設備的自身特征和載荷施加的方向?qū)_擊響應的影響較大；耿盼盼等[5]用ANSYS軟件在時域上分別從垂向、橫向和縱向?qū)ε炗萌細廨啓C施加正負三角沖擊波，得到了其沖擊動態(tài)響應特性，并根據(jù)支架的沖擊能力對其進行了優(yōu)化;姜忠濤等[7]基于ABAQUS軟件中的耦合歐拉-拉格朗日算法，模擬水下爆炸氣泡射流載荷對船體外板的沖擊過程，對射流的壓力特性和速度分布，以及射流沖擊引起的結構剪應力分布進行仿真分析；Kim等[8]利用三維有限元的方法分析了波紋管的振動模式和固有頻率，結果表明低頻振動導致了波紋管的應力不均勻分布;朱建峰[9]利用ADINA軟件對高阻尼多層波紋管的軸向等效剛度進行了研究，并分析了波根外徑、波距、壁厚和夾層阻尼材料對其軸向剛度的影響;曾誠等[10]用大質(zhì)量法對建立的橡膠隔振器模型施加沖擊脈沖，然后采用錘落式?jīng)_擊試驗法對橡膠隔振器進行動態(tài)沖擊試驗，并用半正弦波作為沖擊輸入條件，得到了不同工況下的沖擊響應曲線,試驗值和數(shù)值分析基本吻合;劉永剛等[11-12]采用有限元和試驗結合的方法，對含夾層阻尼波紋管進行了力學性能研究;Wei等[13]針對金屬波紋管成型工藝的缺點，提出一種水射流成型技術，利用試驗獲得了波紋管厚度控制的工藝;Prasanna等[14]根據(jù)膨脹節(jié)制造協(xié)會標準，采用試驗和有限元法分析了設計參數(shù)與靜態(tài)力學性能的關系，結果表明壁厚對波紋管靜態(tài)力學性能影響比較大，并對設計參數(shù)進行優(yōu)化;賀世忠等[15]以膨脹管式吸能元件為研究對象，利用全自動電液伺服壓力機和大型落錘沖擊試驗機，研究了壁厚、錐頭外徑、沖擊速度這三個參數(shù)對吸能元件吸能特性的影響規(guī)律。

近幾年來，國內(nèi)外學者對波紋管剛度、阻尼、振動性能和成型工藝等進行了一系列的研究工作，而對波紋管的抗沖擊性能方面的研究很少見，國內(nèi)還沒有艦船管道系統(tǒng)的沖擊試驗的規(guī)范和標準[6]。文中以雙層金屬波紋管為研究對象，應用有限元軟件ANSYS，采用瞬態(tài)動力學分析法對波紋管進行沖擊性能分析，并對同型號波紋管進行抗沖擊試驗研究。

1 沖擊響應分析

1.1 有限元模型

雙層金屬波紋管的剖面結構見圖1。公稱直徑DN=1 500 mm，波高h=60 mm，圓弧半徑R=14.25 mm，波距W=65 mm，壁厚s=2 mm，波數(shù)為6。材料為304不銹鋼。

圖1 雙層波紋管的幾何剖面結構示意

在管道系統(tǒng)中，波紋管通過兩端的法蘭盤連接管道系統(tǒng)。根據(jù)波紋管的結構特征，建立波紋管有限元模型，采用3個假設：(1)波紋管兩層之間黏接性好，且各向同性；(2)壁厚分布均勻，發(fā)生變形時各層之間無相對滑移；(3)將法蘭盤簡化處理，用質(zhì)量單元Mass 21直接替代法蘭盤的質(zhì)量，并與波紋管建立剛性連接。利用Proe軟件建立波紋管的三維模型，將建好的波紋管三維模型通過無縫對接功能導入到Workbench中。波紋管屬于薄壁結構，在ANSYS軟件中，8節(jié)點Shell 93單元具有任意的空間各向異性，具備塑性、應力鋼化和大變形能力，因此選用Shell 93單元建立波紋管金屬壁的有限元模型。波紋管層間屬于面面接觸，接觸面和目標面都是柔性的，所以在設置接觸面時用Targe 170,Conta 174,Conta 175接觸單元來建立綁定接觸，在分析中會自動生成所需的接觸對。由于波紋管是不規(guī)則的結構，因此采取映射法合理地劃分殼體單元網(wǎng)格，節(jié)點數(shù)為53 000，單元數(shù)17 400，波紋管有限元模型見圖2。邊界條件設定波紋管一端為自由端，另一端為固定端約束。

圖2 有限元模型

首先進行模態(tài)分析，獲得波紋管前5階模態(tài)頻率和模態(tài)振型，第一階模態(tài)振型見圖3。

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圖3 一階的模態(tài)振型圖

利用模態(tài)頻率和單元動能，根據(jù)模態(tài)質(zhì)量公式，得到波紋管軸向模態(tài)質(zhì)量為209.844 kg，橫向模態(tài)質(zhì)量為43.89 kg。

1.2 沖擊信號的設定

管道系統(tǒng)中沖擊載荷非常復雜，無法準確得到?jīng)_擊力的波形。根據(jù)潛艇核動力裝置閥用多層金屬波紋管規(guī)范(GJB 5323—2004)和沖擊安全性-聯(lián)邦德國國防軍建造規(guī)范(BV043—85)可知，常用的沖擊波形有三角波/半正弦波、雙重三角波和雙重正弦波等[4-5]。利用典型的三折線沖擊譜的參數(shù)和波紋管的模態(tài)質(zhì)量，可以計算得到?jīng)_擊譜的譜位移D0=0.067 m，軸向沖擊力的譜速度V0=2.93 m/s，譜加速度A0=648.5 m/s2；橫向沖擊力的譜速度V0=1.21 m/s，譜加速度A0=271.1 m/s2。

本文采用等面積的雙重正弦波作為沖擊信號，正弦波譜如圖4所示。實踐中，沖擊信號一般根據(jù)三折線沖擊譜(SAS)，利用以下公式進行轉(zhuǎn)化：

A2=0.5A0

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中A2——第1個波的加速度幅值，m/s2；

V1——第1個波的速度，m/s；

V2——第2個波的速度，m/s；

t1——第1個波的持續(xù)時間，s；

t2——第2個波的持續(xù)時間，s；

A4——第2個波的加速度幅值，m/s2。

圖4 雙重正弦波譜

1.3 有限元分析

分別在雙層金屬波紋管的軸向和橫向加載上述沖擊信號，對波紋管進行瞬態(tài)動力學分析。軸向沖擊信號垂直加載在自由端面的圓心處，圖5為軸向沖擊響應曲線?？梢钥闯觯畲蠹铀俣葹?43.5 m/s2，軸向最大沖擊位移為8.6 mm。加速度響應曲線和位移響應曲線都是隨時間的變化上下非對稱振蕩，輪廓線一致、均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，變化比較平緩，沒有明顯突變。說明波紋管沒有發(fā)生結構性損壞。

(a)加速度 (b)位移

圖5 軸向沖擊響應曲線

橫向沖擊信號加載在自由端面的圓周上，沿著端面上作用點的橫向，指向圓心。圖6示出橫向沖擊響應曲線?？梢钥闯觯畲蠹铀俣葹?34.8 m/s2，橫向最大沖擊位移為1.89 mm，響應曲線變化比較平緩，沒有明顯突變。說明波紋管沒有發(fā)生結構性損壞。

(a)加速度 (b)位移

圖6 橫向沖擊響應曲線

2 試驗研究

波紋管沖擊試驗采用落錘法，沖擊激勵信號有沖擊速度法和脈沖波形法兩種。為了更加有效地模擬波紋管的沖擊環(huán)境，選用脈沖波形法中的半正弦波作為沖擊激勵信號，它的主要參數(shù)是脈沖峰值和脈寬。試驗過程中，通過調(diào)整重錘的高度來改變沖擊信號的脈沖峰值和脈寬。沖擊試驗系統(tǒng)由波紋管、重錘、橫向沖擊架、波形發(fā)生器、信號處理系統(tǒng)等組成。沖擊試驗系統(tǒng)原理見圖7。

試驗對象是同型帶法蘭盤的雙層金屬波紋管。信號處理系統(tǒng)包括：BK加速度傳感器、BK電荷放大器、信號處理儀、電腦等。主要試驗設備情況見表1。

圖7 沖擊試驗原理

表1沖擊試驗設備

設備名稱型號生產(chǎn)廠家加速度傳感器BK4371丹麥BK電荷放大器BK2635丹麥BK數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)PCM3000河南科技大學電腦IBMIntel波形發(fā)生器(半正弦波)6 ms脈寬萊伯通試驗設備有限公司沖擊架自制

2.1 橫向沖擊試驗

橫向沖擊試驗系統(tǒng)見圖8。波紋管的下端用地腳螺栓連接在地基上，在重錘沖擊的瞬間，除了大量的動能被波紋管吸收，地基吸收了剩余的能量，這樣使得波紋管受力均勻，保證波紋管不會在沖擊力作用下跑偏。橫向沖擊架主要支撐波紋管裝置，在試驗過程中保持波紋管的軸向穩(wěn)定性。并且沖擊架具有引導重錘沿著橫向垂直沖擊在波紋管側(cè)面的波形發(fā)生器上、限制波紋管發(fā)生軸向偏移(只能沿著橫向運動)、檢測波紋管橫向位移等功能 。

圖8 橫向沖擊試驗系統(tǒng)

當重錘沖擊在波形發(fā)生器上時，波形發(fā)生器給波紋管施加正弦沖擊信號。橫向沖擊信號脈寬為2 ms，最大沖擊速度為1.2 m/s。波紋管橫向沖擊響應加速度曲線見圖9。響應開始后，加速度經(jīng)歷了大約2.6 ms，完成了第1個半正弦波形，到達最大峰值140.6 m/s2。通過橫向沖擊試驗，檢查到波紋管沿橫向最大位移為2 mm后，可以恢復到原始位置，經(jīng)過檢測未發(fā)現(xiàn)波紋管有結構性損壞。沖擊響應曲線上下波動不穩(wěn)定，是因為重錘在完成第一次沖擊后，跟隨波紋管振動過程中，有時貼在波紋管上、有時分離，現(xiàn)場試驗時，發(fā)出“砰砰”的連續(xù)沖擊聲。

圖9 橫向沖擊響應加速度曲線

2.2 軸向沖擊試驗

軸向沖擊試驗系統(tǒng)見圖10。軸向沖擊架保持波紋管橫向穩(wěn)定性，引導重錘沿波紋管中軸線垂直作用在波形發(fā)生器上，并均勻作用在法蘭盤。調(diào)整重錘的高度，軸向沖擊信號脈寬4 ms，最大沖擊速度3 m/s。

圖10 軸向沖擊試驗系統(tǒng)

圖11 軸向沖擊響應加速度曲線

重錘自由落體撞擊在正弦波形發(fā)生器上，波紋管軸向沖擊響應加速度曲線見圖11。軸向沖擊響應加速度曲線和橫向沖擊響應加速度曲線的變化趨勢基本一致。加速度曲線表現(xiàn)出上下振蕩并不斷衰減的趨勢，沖擊開始的瞬間加速度幾乎為零，反應十分微弱，隨后加速度隨著時間的增加而不斷地增大。沖擊響應發(fā)生后，在t=3.9 ms時，加速度達到了最大峰值148.6 m/s2，然后又隨著時間的增加而減小。通過試驗還發(fā)現(xiàn)，波紋管沿軸向變形到達最大位移(軸向9 mm)后，可以恢復到原始位置，經(jīng)過檢測未發(fā)現(xiàn)波紋管有結構性損壞。

2.3 結果分析

有限元分析和沖擊試驗結果見表2?？梢钥闯?，結果誤差最大為5.5%。造成誤差的因素有很多，如有限元模型簡化、網(wǎng)格不夠精細等。試驗過程中的誤差主要包括：重錘第一次沖擊后，不能同波紋管有效分離，存在多次沖擊現(xiàn)象；沖擊臺架的制造精度問題，造成沖擊力不能準確沿著波紋管軸向和橫向作用等因素。

表2 仿真值和試驗值的比較

根據(jù)設計要求,該波紋管的軸向沖擊許可位移為11 mm，橫向沖擊許可位移為3.3 mm。經(jīng)過分析和試驗,證明了波紋管的沖擊性能滿足設計要求，分析和試驗的誤差能夠滿足實際工程應用的需要；表明采用有限元軟件對雙層金屬波紋管仿真結果是正確可靠的，采用瞬態(tài)動力學法在時域上對波紋管進行抗沖擊動態(tài)分析是可行的。

3 結論

以雙層金屬波紋管為研究對象，基于ANSYS軟件，采用瞬態(tài)動力學分析法，分析了波紋管軸向和橫向的沖擊響應，建立沖擊試驗平臺，研究了在軸向和橫向?qū)Σy管的抗沖擊響應，具體如下。

(1)建立有限元模型，進行模態(tài)分析，得到波紋管前5階模態(tài)頻率和陣型，計算得到軸向和橫向模態(tài)質(zhì)量。

(2)利用三折線沖擊譜，根據(jù)波紋管的模態(tài)質(zhì)量，建立軸向和橫向雙重正弦沖擊譜。

(3)利用有限元模型，進行瞬態(tài)動力學分析，分析波紋管軸向和橫向沖擊響應。

(4)根據(jù)同型號波紋管的特點，建立沖擊試驗平臺，研究了波紋管軸向和橫向的沖擊響應。軸向最大加速度的數(shù)值分析和試驗結果的誤差為3.4%，橫向最大加速度的數(shù)值分析和試驗結果誤差為4.1%；作為參考，軸向最大位移的數(shù)值分析和試驗結果的誤差為4.4%，橫向最大位移的數(shù)值分析和試驗結果的誤差為5.5%。數(shù)值分析和試驗結果基本一致，說明該沖擊分析方法準確有效，可以在同系列波紋管抗沖擊性能研究中推廣應用。