船舶设备的冲击响应计算

       随着水中兵器的发展，水下爆炸的当量、冲击持续作用时间及冲击波强度明显增强，水下爆炸载荷对船舰结构的直接破坏作用越来越大，直接威胁着作战能力与生命力，提高结构的抗冲击性能非常重要。在复杂载荷作用下，容易发生结构完整性方面的问题，即可能存在刚度冲击失效等问题。

       船舶动力设备的抗冲击能力是更是舰船安全运行的重要保障，而合理的评估方法可以方便的获取动力设备的抗冲击特性预测结果，从而提高舰船动力设备的抗冲击性能，保障舰船运行的稳定性及操作人员的安全性。

一、我国舰船冲击标准

       我国舰船冲击标准体系主要涵盖军用和船舶行业标准，针对舰船设备在复杂海洋环境下的抗冲击性能提出了详细的试验方法、设计要求和评估准则。

       现行的主要抗冲击标准为：

1）GJB150.18-1986《军用设备环境试验方法 冲击试验》适用于军用设备（含舰船设备）的冲击试验，包含经典冲击试验（半正弦波、梯形波）和颠震试验（模拟舰船随机振动与冲击复合环境）。要求设备在冲击后保持功能正常、结构无损坏，电气性能达标。

2）GJB1060.1-1991《舰艇环境条件要求 机械环境》，该标准详细描述了设备和基座的抗冲击设计计算方法，与美国舰船设备抗冲击设计计算使用的动态设计分析法一致。

二、船舶设备的具体抗冲击响应计算

2.1 动态设计分析法

       此方法是基于结构振动模态叠加的设计分析方法，通过建立设备—基座系统的动力学系统模型，求解系统的正则振型，进而计算每一个正则振型在冲击谱载荷下的最大冲击响应，然后将各正则振型的最大响应模态合成为综合应力，即可得到冲击响应。

2.1.1 模态分析

       对网格模型进行模态分析，得到每阶模态的频率以及参与此阶模态计算的质量。参与分析的模型质量要足够大，使的在计算中有足够的振型质量参与。

2.1.2 冲击响应谱的输入计算      

       在动力学分析前首先明确

a.属于何种模型类型

b.抗冲击等级

c.是弹性分析还是弹塑性分析

d.危险区域及危险区域的应力

       其次计算冲击设计值用于冲击输入，依据不同的设备类型和抗冲击要求，以及不同部位都对应不同的计算公式（下面均以水面舰船设备为例）。中国水面舰船对于船体和外板安装部位的设计值A0和V0计算如下：

       计算得出的Vaωa和Aa，即可取二者较小值作为固有频率对应的冲击加速度谱值。

2.1.3 计算冲击响应

       输入冲击响应谱，计算不同方向下冲击响应对结构的影响，查看结构最大应力位置和最大位移位置。对比材料屈服点，看结构是否发生材料屈服或损伤破坏。

       下图为采用动态设计分析法时的某模型的S,Mises应力云图。

2.1.4 小结

动态分析法的计算流程图总结如下，其中mi为模态质量，fi为固有频率，ωi为相应模态质量对应的振动模态的圆频率。

2.2 时域分析法

2.2.1 正负三角波的输入计算

       根据德国BV043/85标准，非接触爆炸冲击谱可以通过转换为双三角形或双半正弦时历曲线。由于三角形脉冲更接近于爆炸冲击谱，且便于在数值计算过程中作为输入边界，因此数值仿真时通常采用双三角形加速度时历曲线。如图下图所示，输入载荷由正、负2个脉冲组成，正脉冲的加速度峰值高且持续时间短，负脉冲的加速度峰值低且持续时间长。

       正负三角波的参数由冲击反应谱的最大位移谱值d0、最大速度谱值V0、最大加速度谱值确定a0。再根据下面公式，计算出绘制三角波冲击响应谱需要的参数：

2.2.2 计算冲击响应

       将冲击载荷转化为加速度时历曲线，然后作为边界条件加载于舰船设备模型，在时域内采用有限元方法求解设备冲击响应，计算得到的应力–应变的响应。

       下图为采用时域分析法时的某模型的S,Mises应力云图。

三、对比总结

       动态设计分析法考虑了高频对舰船动力设备的影响，但却忽略了邻近设备、隔振系统及船体对冲击输入载荷的影响

       正负三角波的冲击谱和加速度响应谱相比来说，其在低频位移段提高了反应谱值，在中频段和高频段降低了反应谱值。以时间历程曲线作为设备的输入载荷，对设备在时域上进行瞬态分析，但却仅限于爆炸冲击特定场景，且未考虑碰撞冲击过程引起的设备冲击响应。