基于ANSYS的某船舱口盖抗冲击分析研究

王海江，陈艳锋，覃勇，玉誉斌

（中船华南船舶机械有限公司，广西 梧州 543004）

0 引言

现代舰船在海战中必然会面临非接触爆炸引起的冲击破坏问题。在非接触爆炸冲击环境下，即使舰艇结构处于安全半径之内，舰载主要机电设备和武器电子设备也可能由于承受过大的冲击加速度或位移而遭到破坏，从而丧失战斗力。舱口盖作为舰船的重要设备，是物资转运通道，舱口盖闭合时，通过周边锁销锁紧。当舱口盖在非接触爆炸冲击载荷作用下，破坏失效时，将影响甲板完整性，最终影响舰船完成使命任务。按照GJB1060.1“舰船环境条件要求 机械环境”规定，船舱口盖抗冲击等级为A级，安装位置属于Ⅰ类区域，属于船体部位安装设备，即为甲类设备，应按GJB150.18中试验1“0舰船设备的冲击试验”的规定进行抗冲击试验，以检验其在冲击载荷下的可靠性。

鉴于某船舱口盖过大、过重，不具备冲击试验条件，而现代舰船设计时，都应该进行抗冲击试验的要求，对于不能进行抗冲击试验的设备，应进行有限元动态设计DDAM，以检验设备的抗冲击能力。为此，本文采用Ansys的DDAM动力设计分析法，对本船舱口盖进行抗冲击分析，得到谱分析应力云图，校核舱口盖设计强度，确保舱口盖在非接触爆炸冲击环境下还能安全使用，同时通过本文分析研究对舱口盖抗冲击设计提出优化设计建议。

1 抗冲击计算方法

目前在抗冲击领域可用于结构设备的抗冲击计算方法主要有：冲击设计系数法（静g法）、谱分析法（BV043/85中规定谱、DDAM）和时间历程法。

冲击设计系数法是将瞬态冲击等效为数倍重力的静力学分析问题，只考虑受冲击结构质量分布对冲击的影响，计算误差较大。

谱分析法是将设计冲击谱作为系统的冲击输入，并对系统数学模型进行模态分析，对模态分析结果进行合成，从而求得系统的冲击响应，用于结构抗冲击计算，计算误差较小。

时间历程法是规定系统承受某一冲击的时间信号，将其作为冲击输入，以计算系统的冲击响应，获得模型每一时刻每一节点的应力和应变，一般用于电子类产品环境冲击试验。

本研究采用的是谱分析法中的DDAM（Dynamic Design Analysis Method，动态设计分析法）是美国海军广泛使用的基于冲击谱的应用分析方法，是基于结构振动模态叠加的设计方法，分析时将模型简化成弹簧-质量单自由度或多自由度系统，在计算出模态振型和模态质量后，根据冲击谱的输入，得出模态位移和应力，用于判断结构抗冲击性能。

基于舱口盖是连续体结构，分析时将其简化成弹簧-质量单自由度系统，按照DDAM谱分析方法，将冲击谱的速度谱和加速度谱输入，可以得到各阶模态的响应，然后将各阶模态响应进行合成，得到总响应，计算出舱口盖在冲击谱作用下的应力，再与材料的屈服强度进行对比，用以判断舱口盖抗冲击性能。

2 抗冲击分析

2.1 舱口盖三维模型

模型如图1所示，舱口盖由面板和纵横筋板焊接而成，一侧布置两个销轴铰接点，用于舱口盖打开和闭合，其余三侧布置锁销孔，用于舱口盖锁紧固定。舱口盖外形尺寸见表1。

图1 舱口盖三维模型

表1 舱口盖尺寸

用舱口盖三维模型进行ANSYS的DDAM谱分析时，分别从X、Y、Z三个方向对结构施加冲击载荷（X为横向，Y为纵向，Z为垂向），得出结构应力分析云图，找出应力集中点，进行结构强度校核。

舱口盖材料为DH460，材料性能见表2。

表2 舱口盖材料参数

2.2 模态分析

舱口盖在进行抗冲击分析之前，首先需要进行模态分析，提取舱口盖固有频率，经分析得舱口盖前6阶模态频率，如表3所示。1～6阶模态振型如图2所示。从模态振型图来看，舱口盖主要变形发生在中部，其表现形式为结构上下振动、扭曲。

图2 舱口盖1～6阶模态振型

表3 舱口盖前6阶模态频率

2.3 设计冲击谱

2.3.1 系统模型简化

抗冲击分析时，将舱口盖视为刚性质块，基座为一无质量弹簧，将舱口盖简化成弹簧-质量单自由度系统。系统模型简化如图3所示。

图3 系统模型简化图

2.3.2 冲击谱

对于单自由度系统，冲击谱是指一有阻尼（或无阻尼）的单自由度振子（质量为m，刚度为k）受到一定冲击载荷作用下，质量的相对位移（或速度、加速度）的最大幅值随频率变化的关系。

图3所表示的单自由度系统，运动微分方程式为：

式中：m为系统质量；ωn为系统的固有频率，ωn=为阻尼系数冲击谱的参数可以是上述公式中的位移δ（t）、速度（t）和（t）加速度任意一种。

美国海军在运动微分方程的基础上，进行大量冲击试验，总结出了DDAM分析的设计输入经验公式。

以水面舰船为例，对于安装在船体上的装备，加速度设计谱方程如下：

对于安装在甲板上的装备，加速度设计谱方程如下：

上述两种工况的冲击速度设计谱方程如下：

其中：c4、c5、c7为系数，c1、c2、c3、c6为常数，W为模态质量。

近年来我国不断开展抗冲击设计研究工作，先后在1986年和1991年制定了爆炸抗冲击设计军标，不断明确抗冲击设计的通用要求和抗冲击分析用的经验公式系数。在我国国家军队标准GJB1060.1-91“舰船环境条件要求-机械环境”提供了动力学分析用的冲击输入值，规定了DDAM谱分析输入公式中的系数和常数。

经分析舱口盖安装在船体甲板，为船体的一部分，属于船体上的设备，抗冲击等级为A类，根据GJB1060.1-91“舰船环境条件要求-机械环境”抗冲击设计的一般规定，船体安装部位弹性设计用的设计值，如表4所示。

表4 水面舰船船体安装部位弹性设计参数

表中：A0为加速度谱，m/s2；V0为速度谱，m/s。

按照GJB1060.1-91“舰船环境条件要求-机械环境”，A0、V0的计算公式如下：

式中：ma为模态质量，t。

2.4 DDAM计算分析

利用上述舱口盖模态分析提取的1～6阶模态频率，按上述公式计算的速度谱和加速度谱如表5所示，导入Ansys有限元分析Response Spectrum模块，分别从X，Y，Z三个方向对舱口盖进行谱分析，得到舱口盖三个方向的谱分析应力云图，如图3所示。

表5 速度谱和加速度谱

图3 舱口盖谱分析应力云图

从舱口盖谱分析应力云图可以看出，施加在X、Y、Z三个方向的冲击载荷，都产生了相应的应力集中区域，查看有限元分析结果得出3个方向的最大应力如表6所示。经分析，舱口盖最大应力出现在Z向，截面突变处，应力为451.06 MPa，小于材料的最大屈服极限，说明舱口盖在遭受A类非接触爆炸冲击时，不会发生永久性屈服失效，满足A类抗冲击要求。

表6 舱口盖谱分析最大应力值

3 结语

采用Ansys的DDAM谱分析方法，对舱口盖进行了非接触爆炸类的抗冲击有限元分析，为舱口盖抗冲击设计校核提供一种分析思路。从最终舱口盖谱分析应力云图看，应力集中区域多出现在尖缺口或截面突变位置，虽然本舱口盖经有限元分析在施加A类冲击谱时，应力小于材料的最大屈服极限，但是在后续进行舱口盖结构设计时，还是应尽量避免出现尖缺口和截面突变，在尽可能降低设备重量的前提下，采用圆弧过渡；同时尽量减少与强度无关的结构质量。本次舱口盖抗冲击有限元分析结果，为后续舱口盖进行抗冲击优化设计提供了参考依据。