基于DDAM方法的船舶推进系统冲击响应仿真

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(1.海军工程大学 船舶与动力工程学院，武汉 430033;2.海军91765部队，浙江 温州 325000)

由于船舶动力设备对保障船舶战斗力和生命力的重要意义，为保证和提高船舶动力设备的抗冲击性能，必须在其研制过程中的各阶段开展抗冲击性研究。采用动态设计分析方法(DDAM)对船舶动力设备进行抗冲击研究具有成本低，分析方便等优点，所以该方法被各国海军广泛用作船用设备设计和评估方法[1-2]。对某型船舶推进系统建立有限元模型，采用了NASTRAN软件基于DDAM方法进行了抗冲击仿真计算，得到船舶推进系统的冲击响应规律及抗冲击特性，为船舶设计早期抗冲击性分析提供参考依据。

1 理论分析

DDAM是基于冲击谱的响应分析方法，将设计冲击谱作为设备的冲击输入，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。将一台设备或系统简化为多个弹簧质量系统，在计算出模态振型和模态质量后，根据设计冲击谱得出各阶模态的模态位移和应力，然后通过对各阶模态解的合成就可以得出设备的位移和应力[3-4]。

对于N质量三向耦合振动系统，该系统的每个质量点都有6个自由度，因而该系统自由度为6N。冲击激励在一个方向，系统的微分方程为

(1)

式中:M——质量矩阵；

K——刚度矩阵，进行解耦运算，可得其零初始条件下模态a的位移解为

(2)

式中：pa——模态参与因子；

ωa——模态频率，可定义速度谱为

(3)

其最大的模态位移

(4)

因此，模态a的最大可能位移为

(5)

通过刚度矩阵能够得到模态a中的动态力：

(6)

计算得到每个振动模态在全部时间内的最大响应,通过NRL法进行合成

(7)

式中：xb——任一模态的最大模态响应。

2 推进系统建模计算

以某型船舶推进系统为模本,应用MSC.patran软件进行三维实体建模。该型船舶推进系统由主机、联轴器、齿轮箱、轴及螺旋桨等几部分组成。其中主机简化为25 t的质量块，弹性安装； 联轴器简化为刚度较小的圆盘；齿轮箱也简化为质量块，刚性安装；轴和螺旋桨简化为质量分布均匀的圆盘，其中螺旋桨带水重量为16 800 kg，见图1。

图1 推进系统三维模型

2.1 有限元模型

对该模型进行有限元分析，该模型采用四面体单元进行网格划分，可得123 362个节点，80 996个单元，主机的弹性安装及轴承的支撑部分采用三向的一维弹簧进行模拟，将其安装在船体上。

2.2 冲击设计输入谱

该型推进系统属于水面船舶，抗冲击等级，设备类型，分析类型，危险区域等选用设计冲击输入，见表1[5]。

表1 冲击设计输入谱

对于船体安装部位

(8)

式中：VF、AF——系数；

VA、VB、VC、AA、AB、AC、AD——常数；

Ma——模态质量。

2.3 仿真计算分析

对船舶设备进行DDAM分析的步骤[6]如下。

1)计算结构的固有频率和振型向量, 并对振型向量正则化。

2)计算每一阶模态的模态参与因子和有效模态质量。

3)定义具体应用的冲击谱。

4)计算冲击作用下每个模态的响应。

5)采用NRL合成方法得到结构的冲击响应, 包括结构的位移、速度、加速度、单元应力及单元力的响应。

按照冲击标准要求的模态选择标准，不同方向冲击时，所选模态的模态频率、参与系数、模态质量以及冲击设计加速度值见表2，冲击计算时存在部分密集模态现象，所占比重不大，不影响整体计算结果。

表2 冲击设计加速度

2.4 计算结果分析

通过计算整个推进系统冲击应力响应，见图2～4。

图2 纵向冲击应力响应

由图2～4可知，应力最大一般出现在主机和齿轮箱的支撑处，是由于次区域承受其上的质量惯性作用，在冲击作用下的惯性力导致其产生向上的相对运动，故其响应较大的部位出现在固定位置处，垂向冲击时在尾轴段，尾轴承处所受应力最大，最大应力为7.01×1011pa，超出了材料的许用应力范围，应当加强。主机齿轮箱等于轴的连接部位也是应力出现较大的部位。图4表明垂向冲击的响应为最烈，横向和纵向次之。

图3 垂向冲击应力响应

图4 横向冲击应力响应

3 结论

该船用推进系统冲击响应DDAM分析计算结果说明，垂向冲击对推进系统的冲击明显大于横向和纵向冲击的作用。推进系统的受力主要集中在各支撑连接部位，其原因是由于主机的支撑部位和轴承支撑部位受大部分重量，惯性力作用较大，使该部分应力响应较大。

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