典型船舶管道系統(tǒng)沖擊響應(yīng)分析【轉(zhuǎn)發(fā)】

2018-04-03 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

0 引言

船舶設(shè)備和系統(tǒng)管路抗沖擊設(shè)計是船舶生命力的重要保障。一直以來,國內(nèi)船舶抗沖擊研究的重點主要集中在船體、設(shè)備的抗沖擊上,而對管路抗沖擊的研究較少?，F(xiàn)有的船舶管路抗沖擊研究成果中,陳剛針對國內(nèi)外艦艇管路系統(tǒng)抗沖擊技術(shù)方面的技術(shù)進(jìn)展,從艦艇管路系統(tǒng)沖擊研究的方法、模型和模擬計算、艦艇管路系統(tǒng)(抗)沖擊試驗、艦艇管路系統(tǒng)沖擊環(huán)境預(yù)報和仿真、艦艇管路系統(tǒng)抗沖擊設(shè)計評估、艦艇管路系統(tǒng)沖擊標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范以及艦艇管路系統(tǒng)抗沖擊元器件研制等方面對國外工作進(jìn)行了總結(jié)評述。其中也提到有管道應(yīng)力分析軟件支持了美國海軍艦艇管路系統(tǒng)的計算分析及模擬。王秋穎應(yīng)用有限元分析軟件基于梁單元簡化方法的模擬,對蒸汽管路進(jìn)行沖擊譜加載計算,找出薄弱環(huán)節(jié),并增加管路抗沖擊元件,改善了結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。周維星利用傳遞矩陣法求解管路振動固有頻率,并結(jié)合模態(tài)疊加法實現(xiàn)了管路動態(tài)響應(yīng)的模擬。查友其等針對船用海水冷卻管路根據(jù)BV規(guī)范施加沖擊載荷,對其沖擊響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬,并提出管路系統(tǒng)在沖擊載荷作用下管路的抗沖擊性能。

船舶管路系統(tǒng)是復(fù)雜而空間走向又多變,且受限于船舶空間的限制,存在各種各樣的支撐形式和支吊架的約束。國內(nèi)現(xiàn)有的管路抗沖擊研究大部分是采用有限元軟件,基于梁單元模型進(jìn)行管路系統(tǒng)動力學(xué)分析,建立模型工作量大,計算耗費(fèi)資源,耗時長。

本文將利用常用的管道應(yīng)力分析軟件,基于梁單元模型建立某船舶系統(tǒng)管路模型,根據(jù)常用的三折線沖擊譜作為輸入載荷,進(jìn)行數(shù)值模擬,對管路抗沖擊性能進(jìn)行評估。同時對系統(tǒng)應(yīng)用阻尼支架后的抗沖擊性能進(jìn)行了對比分析。

1 沖擊載荷邊界條件

1.1 沖擊載荷>

在沖擊環(huán)境下,船舶系統(tǒng)設(shè)備在不同部位、不同支撐形式條件下會有不同的沖擊輸入。管路系統(tǒng)沖擊響應(yīng)分析主要有三種方法:單點沖擊譜分析法、多點沖擊譜分析法和時間歷程分析法。單點沖擊譜采用管路系統(tǒng)的所有支撐點沖擊譜的包絡(luò),或采用各點中最大的沖擊作為所有點的沖擊譜輸入,對空間三個正交方向的每一方向,構(gòu)建各自的等效沖擊譜,并分別進(jìn)行分析,忽視了多點沖擊輸入幅值的差異以及多點之間相位的不同,最為保守。采用沖擊譜多點輸入方法,不僅能考慮載荷在不同部位的差異性,同時還能考慮外力載荷的相位差對結(jié)構(gòu)的影響。

沖擊載荷國內(nèi)常用的是三折線設(shè)計譜,典型的三折線沖擊譜見圖1所示。在低頻段,沖擊載荷主要是位移激勵;在中頻段,沖擊載荷主要是速度激勵;在高頻段,沖擊載荷主要是加速度激勵。本文以該三折線譜作為單點沖擊譜,進(jìn)行管道系統(tǒng)的沖擊計算。

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圖1 設(shè)計譜示意圖

1.2 設(shè)備建模>

以船舶某典型系統(tǒng)為例,管路系統(tǒng)建模包括管路、法蘭、閥門、波紋管膨脹節(jié)以及相關(guān)的支吊架。

在管路系統(tǒng)模型中需要考慮閥門、法蘭及設(shè)備等附件對系統(tǒng)管路振動特性的影響,閥門和法蘭僅考慮其集中質(zhì)量效應(yīng)對管路沖擊造成的影響,故閥門建模時視為集中質(zhì)量,模型為帶有質(zhì)量剛體。

管路中的設(shè)置的金屬波紋管膨脹節(jié)采用專門的膨脹節(jié)模塊建模,并模擬膨脹節(jié)真實的約束關(guān)系。

管路在艙室通過大量的彈簧吊架、彈簧阻尼吊架、通艙管件、固定支架等支撐固定在船體結(jié)構(gòu)上,建模中認(rèn)為管路支吊架等具備相應(yīng)的剛度和阻尼,不考慮其在沖擊中的破壞,其沖擊中的受力情況可作為支吊架設(shè)計的依據(jù)。

1.3 邊界條件假設(shè)

該典型系統(tǒng)前后連接設(shè)備,中部通過穿艙管件與船體結(jié)構(gòu)相連。對于與設(shè)備相連的管端,由設(shè)備提出在工作溫度的位移作為載荷輸入;管路通過穿艙管件與船體相連視為固定約束。設(shè)備連接部位設(shè)置金屬波紋管膨脹節(jié),建立詳細(xì)模型模擬其剛度及位移補(bǔ)償特性。

2 管路沖擊響應(yīng)分析

根據(jù)沖擊載荷,分別在管路系統(tǒng)上進(jìn)行橫向和垂向沖擊計算,其計算結(jié)果表明管路的固定支架接頭、彎頭處是應(yīng)力最大的區(qū)域,出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)力水平較高甚至達(dá)到了塑性變形的程度。橫向和垂向沖擊載荷下應(yīng)力水平見圖3所示。

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圖3 管路系統(tǒng)沖擊計算結(jié)果

從圖3中可以看出,管道系統(tǒng)中應(yīng)力最大的區(qū)域均是位于閥門等質(zhì)量集中點的附近。在沖擊載荷時,集中質(zhì)量點位移造成相連鄰近區(qū)域彎曲應(yīng)力過大導(dǎo)致。應(yīng)力最大點位于撓性接管附近的固定支架處。撓性接管是系統(tǒng)剛度最小的區(qū)域,其后部閥門在沖擊載荷下的造成連接部位的應(yīng)力水平是系統(tǒng)最大應(yīng)力處。

管道在沖擊工況下最大應(yīng)力已經(jīng)超過了許用應(yīng)力240MPa,為此,在質(zhì)量集中區(qū)域節(jié)點15-16之間、節(jié)點8-9之間支吊架替換為阻尼支吊架,并進(jìn)行驗算。以橫向沖擊為例,其計算結(jié)果見圖4所示。從圖中可以看出,設(shè)置阻尼支吊架后可以大幅降低管路系統(tǒng)應(yīng)力水平,提高系統(tǒng)抗沖擊性能。

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圖4 管路系統(tǒng)應(yīng)用阻尼支架前后沖擊計算對比

3 結(jié)論

本文基于常見的三折線沖擊設(shè)計譜進(jìn)行了某系統(tǒng)管道的沖擊計算,具體介紹了基于管道應(yīng)力分析軟件進(jìn)行沖擊計算的管路及附件建模模擬方法,同時對系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)、系統(tǒng)應(yīng)用阻尼支架后的沖擊性能進(jìn)行研究,結(jié)論如下:

(1)系統(tǒng)管路質(zhì)量集中附近的固定支架接口處、彎頭等部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象,是系統(tǒng)應(yīng)力最大的部位。

(2)阻尼支架的應(yīng)用對提高管道系統(tǒng)抗沖擊效果是明顯的。