非接触爆炸下舰船推进轴系的冲击动响应研究

发布时间：2020-11-13 13:24

　　 随着科技强军政策的颁布和国家海洋战略的深化,我国海军对舰船抗打击能力的要求与日俱增。舰载设备的抗冲击能力是体现舰船生命力的重要指标,推进轴系作为舰船动力执行机构,其抗冲击性能显得尤为重要。海军标准规定:设备上舰前,需要开展相应的抗冲击试验。然而船用柴油机轴系的规模相当庞大,实物试验困难,水下爆炸产生的动载荷在实物试验中也难以实施,因此工程中常通过数值仿真对冲击动响应的预估。本文对舰船推进轴系抗冲击计算的数值方法展开研究,并通过仿真计算分析了推进轴系的动态响应特性。首先,本文介绍了轴系抗冲击常用的数值计算方法,对直接积分法进行了理论推导。基于梁模型建立了某大型轴系的等效动力学模型。根据规范BV043/85中水下爆炸载荷经验公式,分别以冲击波(散波)载荷模型和考虑气泡脉动后的载荷模型作为输入激励,应用Newmark方法计算了轴系冲击动响应,分析关键节点的冲击动响应特性,对比两种载荷模型下响应的区别与关联。然后,对非接触爆炸载荷理论、水下爆炸的流固耦合理论和远场爆炸数值计算的声固耦合法进行了理论推导,建立了推进轴系安装基础的有限元模型。根据工程中经常考核的水下爆炸试验设置仿真工况,基于声固耦合法计算轴系的基础响应。提取典型单元应力响应、典型节点加速度响应和轴承节点的加速度、应力响应,分析了载荷在安装基础结构内的传播规律,得到了轴系基座的冲击的响应。对比不同工况下的响应特性,总结出水下爆炸参数对响应的影响。接着,参考文献中的缩比轴系实验模型,建立某小型舰艇的轴系的三维有限元模型,并与安装基础进行耦合。轴系与基础间采用刚性连接和考虑轴承等效动刚度两种耦合形式,分别计算轴系-舰船耦合模型的设备响应和基础响应。通过仿真计算,得到耦合系统的应力云图,得到载荷传播规律;得出各个工况下轴承支座节点加速度和轴系连接节点动应力的时历曲线和响应峰值,对比两种耦合形式下响应特性的差异,得出只考虑基础时和舰船-设备刚性连接时推进轴系动响应的计算偏差。最后,基于动态子结构理论,通过虚拟约束界面模态法得出了求解舰船-设备耦合系统响应半解耦形式的方程。该方法利用设备在与舰船界面上的约束模态得到舰船子结构对设备子结构的影响,并将其等效到设备子结构的界面自由度上,通过模态综合还原整个系统的动力学方程。该方法只需分别求解各个子结构自由度阶数的方程,缩减了动力学方程组的规模。通过数值算例和舰船-轴系耦合系统的冲击动响应计算并与有限元法对比,验证了该方法的有效性,也说明了求解舰载设备和舰船局部结构的动响应时具备足够精度。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U674.7
【部分图文】：

哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 章 大型推进轴系的冲击动响应特性分推进轴系通常指安装在主机主轴的输出端与舰船螺旋桨中间的个部件之间连接的作用。一般情况下，舰船的推进轴系分为传系附件几部分[41]。图 2.1 所示为某大型舰船的推进轴系结构示轴、艉轴等轴段以及各轴段支承轴承，轴系附件包括轴段之间装置等，这些部件共同承担了轴系传递舰船动力的功能。

图 2.2 Newmark 数值积分时间步长 Newmark 方法为代表的直接积分法虽说较大的计算量，也相应地较为费时。同时题时也有较大的局限性。学分析本章第 2.2 小节中所述的轴系有限元模型对冲击载荷进行处理，开展轴系动态响实现了非接触爆炸中冲击波载荷和气泡脉的响应特性进行分析和总结，绘制关键节应的区别与联系。通过求解各个轴承支座况。合

其进行近似处理：冲击波部分曲线的上升阶段视为阶跃信号，线性，后半部分为指数衰减曲线。近似公式为： 2 1 3 20111 01 22 1/1 2 3, 0,,t t t tut t ttu uu tt t t tt tu e t t t 一个气泡脉动周期内的载荷峰值是冲击波载荷峰值的 10—20的载荷峰值则衰减为第一个周期峰值的 80—90%[31]。为便于分周期的波形简化为理想半正弦波，其冲击加速度的表达式为： sinptu t u 冲击载荷的加速度峰值， 为冲击载荷的持续时间。等效载荷
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本文编号：2882241