基于DDAM法的船用液体混合装置冲击响应仿真研究

汤传贵，赵建华，丁先威

（1.海军驻青岛造船厂军事代表室，山东 青岛 266000；2.海军工程大学动力工程学院，湖北 武汉 430033）

基于DDAM法的船用液体混合装置冲击响应仿真研究

汤传贵1，赵建华2，丁先威2

（1.海军驻青岛造船厂军事代表室，山东 青岛 266000；2.海军工程大学动力工程学院，湖北 武汉 430033）

船用液体混合装置刚性安装在船舶机舱中，应用频域DDAM分析方法可以获得设备各处的最大冲击响应，在进行装置三维模型简化的基础上，建立有限元模型，通过模态分析获得模型各阶模态频率、模态质量等参数，以及计算各阶模态下的冲击加速度输入值，基于ALGOR软件DDAM分析模块，获得该装置的冲击应力响应，装置可以满足GJB1060规定的抗冲击要求。

冲击响应；DDAM法；船用设备

当船舶机舱内的设备需要满足抗水下爆炸冲击时，按照安装方式分类可以分为刚性安装和弹性安装。动力设备为了满足减振降噪以及抗冲击的要求，一般采用弹性安装。为减小造船费用，诸如冷却器、过滤器，以及本文的船用液体混合装置等静态运行的设备不影响船舶机舱的振动噪声性能，一般采用刚性安装，但此时需要对其抗冲击性能进行专门的分析评估。

这类设备通常质量较大，不利于开展抗冲击性能的试验评估，一般采用仿真计算的方法进行分析评估。对于刚性安装的设备可以采用时域法和频域法两种分析方法。采用时域分析法往往要求合理的冲击输入加速度时域测试值，或等效的正负双波加速度冲击输入，获得设备的冲击应力时域响应，用于评估设备的安全性，并找出薄弱环节进行相应改进。频域分析法则基于模态分析获得设备冲击响应的最大值，在冲击评估时更能获得保守的结论，具有良好的实用价值。

1 装置冲击响应分析的有限元建模

混合装置包括主罐体、进液管路及阀门、出液管路及阀门等部件，其三维实体模型如图1所示。考虑实船安装约束情况，并去除其他与冲击能力无关的零部件，简化与冲击能力无关的结构细节后，形成可进行有限元建模的等效模型。然后，在ABAQUS中进行有限元四面体网格划分，将网格模型.inp文件导入ARGOL内，建立有限元分析模型，共68303节点，228059单元。

有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型

2 设备冲击响应分析的DDAM方法及冲击输入的确定

2.1 频域DDAM方法

频域DDAM方法（动态设计分析方法）是基于结构振动模态叠加的一种方法。设备简化为多自由度系统，在计算出模态振型和模态质量后，根据基础冲击谱的输入得出模态位移和应力。通过合成模态解得出设备的位移和应力响应。船舶设备冲击响应DDAM方法的计算步骤如下：

（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）计算冲击作用下每阶模态的响应。（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、单元力的响应。

以上分析方法的关键在于模态如何选取，在DDAM方法中并不需要对所有的模态进行合并，有如下标准：（1）所有选择模态的模态质量之和不小于80%的结构总质量。（2）若存在密集模态，这些模态的合并响应必须进行分析。（3）如果模态质量超过总质量的1%，那么这个模态也应被合并。

2.2 冲击输入

根据GJB1060.1-91的规定，动力学分析前应明确以下原则：（1）是属于水面船舶或潜艇。（2）抗冲击等级。（3）设备类型。（4）弹性分析或弹塑性分析。（5）危险区域及危险区域的应力和变形。

然后根据上述原则选用设计冲击谱输入，对于船体和外板安装部位水面船舶用的设计值A0、V0按下列公式计算：

式中：ma设备的模态质量，单位t；A0基准加速度m/s2；V0基准速度，m/s。

本混合装置安装于水面船舶，抗冲击等级为A级，设备安装位置为船体部位，由于设备允许一定的塑性变形，故按照弹塑性分析进行仿真计算。

3 冲击响应的计算及分析

3.1 约束条件下的模态分析

根据实际安装条件，设备的机脚、管路街头设定为约束状态，获得模态分析结果，模态频率如表1第2列所示。由表1中第3、4列垂向模态质量及占总质量的百分比可知，垂向第5、7阶对动力学性能影响最大。

3.2 冲击响应计算

由模态分析结果，依据GJB1060.1-91的计算方法，计算了模型的前30阶模态，参与计算模态质量占总质量80%以上，给出弹塑性条件下各向冲击输入载荷，列举前10阶，如表2所示。

装置在垂向冲击作用下最大应力值为507.12MPa，横向冲击作用下最大应力值为230.97MPa，纵向冲击作用下最大应力值为237.85 MPa。在垂向冲击作用下最大位移值为 2.6mm，横向冲击作用下最大应力值为1.0mm，纵向冲击作用下最大应力值为3.8 mm，外部管路是冲击响应应力最大部位。通过分析发现混合管路是冲击响应剧烈部位，储罐主体安全性较高，外部管路中间部位应力集中属高危险区域，这是由于阀门的惯性力引起管路的冲击应力，可在阀门上增加相应的支撑以减小该处管路的冲击应力。

表1 垂向（Y向）模态参数

表2 冲击输入

4 结语

利用频域DDAM计算法可以获得冲击作用下液体混合装置各处的最大应力，装置在允许塑性变形的情况下，垂向冲击时应力最大，部位为阀门与管路接口处，为507MPa，低于材料屈服极限。最大位移发生在纵向冲击作用下，为3.8mm。计算表明，若要改善该装置的抗冲击性能，可以在阀门上部管路加强支撑。

[1]SCHNE IDER N A. Prediction of surface ship response severe under water explosions using a virtual under water shock environment[ D]. Naval Postgraduate School 2003 .

[2]计晨，汪玉，赵建华，等．舰用柴油机抗冲击性能频域分析[J].振动与冲击，2009，29（11）：171～176．

[3]赵建华，孙宇鹏，刘镇，等．考虑螺纹连接的柴油机固定件建模方法与冲击响应仿真[J]．科技导报2012，30（28-29）：51～55．

U674.701

A

1671-0711（2017）01（下）-0114-02