一種基于基底大質量法的艉軸密封裝置抗沖擊計算方法與流程

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本發明涉及艦船設備在非接觸爆炸沖擊載荷作用下動力學分析，特別涉及基底大質量法作為理論分析方法，按照艦船抗沖擊指標GJB1060.1確定三折線抗沖擊載荷譜，分別采用艙內設備抗沖擊計算方法和附體設備抗沖擊計算方法對艉軸密封裝置進行分析，從而完成基于基底大質量方法的艉軸密封裝置的抗沖擊計算。

背景技術：

艉軸密封裝置作為大型船舶的重要組成結構，考慮船舶艉軸密封裝置在水下工作環境惡劣，影響使用壽命的因素復雜，并且由于其安裝于水線下難于維護，艉軸密封裝置一旦發生故障或損壞，輕則船舶必須停航、停產等待進塢修理，重則艉軸潤滑油外泄造成水域環境的污染損失，所以大中型船舶艉軸及其密封裝置是船舶推進系統設計以及其使用管理的關鍵部件之一，特別是軍用艦船對服役條件要求更為嚴苛，其力學性能的精確評估直接影響船舶的安全性與功能性。

艉軸密封裝置主要固定座、Ω彈簧組、夾緊環、靜環座、靜環、動環、驅動環調整螺釘等構成。驅動環和動環都是由兩個半環狀體對接而成，驅動環緊固于艉軸上，動環裝配于艉軸上，動環與艉軸之間設有O形圈來阻止水流沿軸向泄漏，動環在艉軸上的位置可通過螺釘微調。靜環也是由兩個半環狀體對接而成，因此維修更換時無需移動艉軸即可取下，靜環定位在靜環座內并與動環構成密封摩擦副，作用在密封摩擦副上的軸向壓力主要由Ω彈簧組提供。裝置內另設有冷卻水通道，以保證有足夠的冷卻水帶走摩擦產生的熱量。正常工作狀態下，動環由驅動環帶動隨軸同步旋轉，而靜環保持靜止，兩者之間形成的密封摩擦副表面處于相對旋轉狀態。此時除了密封摩擦副處允許適量水泄漏外，其余部位均處于固定密封狀態。密封摩擦副因運轉而產生的正常磨損由靜環在Ω彈簧組的作用下自動補償。如果密封摩擦副的磨損量超過Ω彈簧組的補償能力，可通過調節螺釘調整Ω彈簧組的預壓縮變形量來恢復和保持其自動補償能力。

另一方面，軍用艦船在其服役期間，不可避免的要遭遇水雷、炸彈等武器的襲擊，這些攻擊性武器攜帶大量炸藥并能在水下爆炸。其中，接觸爆炸會造成艦船結構的破損及設備的損壞，而非接觸爆炸一般并不擊穿艇體結構，卻會導致艦艇上各類重要設備遭受嚴重而廣泛的沖擊破壞，使艦艇在不喪失不沉性的情況下失去生命力。為了保證艦船的安全和正常使用，提高艦船的生命力，艦船結構必須具有一定抗水下爆炸載荷的承載能力。因此，如何有效計算分析船舶水下沖擊環境，以提高船體結構抗沖擊性能及其戰斗力和生命力，是現代船舶研究的重大課題。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是：本發明首先采用數值模擬方法對沖擊模型進行計算，減少沖擊試驗的驗證次數，降低設計成本。其次采用基底大質量法作為分析方法，將艦船以基底大質量點的方式體現，以便在建立抗沖擊計算時不必建立整體艦船模型，減少工作量，縮短計算周期，并保證了計算精度。因此基于基底大質量法的艉軸密封裝置抗沖擊計算方法具有重要的科學使用意義和工程應用價值。

本發明采用的技術方案，一種基于基底大質量法的艉軸密封裝置抗沖擊計算方法，實現步驟如下：

第一步：艉軸密封裝置的零部件組成較多，包括固定座、彈簧組、夾緊環、靜環座、靜環、動環、驅動環、軸系。根據幾何特征對抗沖擊計算不是重點關注的零部件的特征進行簡化，如不關注的孔和倒角；對彈簧組用殼單元shell181進行模擬，其余零部件采用體單元進行模擬。其中六面體網格采用solid45單元模擬，四面體或金字塔網格采用solid95模擬。建立各零部件的接觸關系，建立艉軸密封裝置有限元分析模型；

第二步：艉軸密封裝置為艦船上的安裝設備，根據船體在水中實際沖擊情況，選擇基底大質量法進行分析。將艉軸密封裝置設為一個或多個附著于艦船的大質量單元M，一般取裝置總質量的10⁴-10⁸倍。艉軸密封裝置抗沖擊分析時，大質量單元M通過一個點來實現，即在有限元分析模型中建立一個點，賦予該點的質量為艦船的質量，并依據艉軸密封裝置與艦船的約束關系，建立艉軸密封裝置與該點的約束，從而實現大質量單元，該點即為大質量點。釋放艉軸密封裝置運動方向的約束，并在大質量點施加動力P_b模擬沖擊載荷作用，其中：

式中，M_bb為結構基底集中大質量矩陣，為基礎激勵。

第三步：按照GJB1060.1抗沖擊標準，艦船的抗沖擊計算根據設備在艦船的安裝位置確定沖擊載荷譜，安裝位置分為兩種，一種是對于船體和外板安裝部位，另一種是對于甲板安裝部位，艉軸密封裝置安裝位置屬于船體和外板安裝部位，從而可確定沖擊載荷譜；艉軸密封裝置通過安裝座體和驅動環與艦船連接，安裝座體和驅動環分別屬于艉軸密封裝置上的零部件。當沖擊載荷譜作用在艦船上時，通過安裝座體和驅動環傳遞到艉軸密封裝置，從而確定沖擊載荷加載位置；

第四步：根據艦船設備抗沖擊技術中的規定，艦船設備抗沖擊計算包括多種抗沖擊計算方法，包括靜G法、艙內設備抗沖擊計算方法、動態設計分析方法、多自由度隔離系統抗沖擊計算方法、附體設備抗沖擊計算方法等。計算方法的選擇根據設備的屬性而定。經工程經驗分析可知，艉軸密封裝置抗沖擊計算選擇艙內設備抗沖擊計算方法和附體設備抗沖擊計算方法。根據第三步得到的沖擊載荷譜和對應沖擊載荷加載位置，施加到艉軸密封裝置的有限元分析模型上，采用艙內設備抗沖擊計算方法進行抗沖擊計算；

第五步：根據第四步提到的附體設備抗沖擊計算方法，水下爆炸沖擊載荷譜是根據艦船的工作環境而確定的，在此僅自定義水下爆炸沖擊載荷譜和對應沖擊載荷加載位置，施加到艉軸密封裝置的有限元分析模型上，采用附體設備抗沖擊計算方法進行抗沖擊計算；

第六步：分析第四步和第五步得到的抗沖擊計算結果，提取抗沖擊計算關注的零部件的計算結果，如：艉軸密封裝置中驅動環上和動環的連接螺栓、艉軸密封裝置中的夾緊環的等效應力時域曲線和桿部平均應力時域曲線，判斷艉軸密封裝置在沖擊載荷作用下是否滿足要求，完成基于基底大質量法的艉軸密封裝置的抗沖擊計算。

本發明與傳統技術相比的優點在于：

(1)本發明以數值模擬的方法對艉軸密封裝置進行抗沖擊計算，減少艉軸密封裝置設計生產的成本，并采用基底大質量法作為分析方法，將艦船以基底大質量點的方式體現，以便在建立抗沖擊計算時不必建立艦船模型，減少工作量，縮短計算周期，并保證了計算精度。

(2)本發明在計算過程中考慮了艉軸密封裝置彈性元件的正常工作的壓縮量，并且采用基底大質量法進行分析計算，沖擊標準選取的是GJB1060.1，以此可以得到可靠的抗沖擊計算結果。

附圖說明

圖1是本發明針對基于基底大質量法的艉軸密封裝置抗沖擊計算方法流程圖；

圖2是本發明提到的艉軸密封裝置示意圖；

圖3是本發明根據GJB1060.1得到的三折線沖擊載荷譜示意圖；

圖4是本發明中自定義的模擬水下爆炸載荷譜；

圖5是本發明提到的艙內設備抗沖擊計算艉軸密封裝置的有限元分析示意圖；

圖6是本發明提到的附體設備抗沖擊計算艉軸密封裝置的有限元分析示意圖；

圖7是本發明對艉軸密封裝置建立的有限元分析模型示意圖；

圖8是本發明針對艙內設備抗沖擊計算得到的動環緊固螺釘VonMises等效應力時間歷程曲線圖；

圖9是本發明針對艙內設備抗沖擊計算得到的動環緊固螺釘桿部平均應力時間歷程曲線圖；

圖10是本發明針對附體設備抗沖擊計算得到的動環緊固螺釘VonMises等效應力時間歷程曲線圖；

圖11是本發明針對附體設備抗沖擊計算得到的動環緊固螺釘桿部平均應力時間歷程曲線圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明提出了一種基于基底大質量法的艉軸密封莊子抗沖擊計算方法，包括以下步驟：

(1)艉軸密封裝置的零部件組成較多，包括固定座1、彈簧組2、夾緊環3、靜環座4、靜環5、動環6、驅動環7和軸系8，如圖2所示。根據幾何特征對抗沖擊非關注部件的特征進行簡化；對彈簧組結構用殼單元shell181進行模擬，其余零部件采用體單元進行模擬。其中六面體網格采用solid45單元模擬，四面體或金字塔網格采用solid95模擬。建立好各零部件的接觸關系，建立艉軸密封裝置有限元分析模型。

(2)艉軸密封裝置為艦船上的安裝設備，根據船體在水中實際受載情況，選擇基底大質量法進行分析,基底大質量法通過在艦船結構基底施加力荷載或位移模擬沖擊載荷作用，其最大特點是艦船結構的基底是運動的，與傳統方法有所不同，在于艦船結構基底位移與理論值并不一致，但取動反應卻與傳統理論方法的相對位移一致。當裝置承受一致激勵時，內力取決于相對位移，因此基底大質量法得到的相對位移結果和內力結果將與理論方法一樣。

將艉軸密封裝置設為一個或多個附著于艦船的大質量單元M，一般取裝置總質量的10⁴-10⁸倍。艉軸密封裝置抗沖擊分析時，大質量單元M通過一個點來實現，即在有限元分析模型中建立一個點，賦予該點的質量為艦船的質量，并依據艉軸密封裝置與艦船的約束關系，建立艉軸密封裝置與該點的約束，從而實現大質量單元，該點即為大質量點。釋放艉軸密封裝置運動方向的約束，并在大質量點施加動力P_b模擬沖擊載荷作用，其中：

式中，M_bb為大質量點的質量矩陣，為基礎激勵。

第三步：根據艦船設備抗沖擊技術中的規定，艦船設備抗沖擊計算包括多種抗沖擊計算方法，包括靜G法、艙內設備抗沖擊計算方法、動態設計分析方法、多自由度隔離系統抗沖擊計算方法、附體設備抗沖擊計算方法等。計算方法的選擇根據設備的屬性而定。經工程經驗分析可知，艉軸密封裝置抗沖擊計算選擇艙內設備抗沖擊計算方法和附體設備抗沖擊計算方法。按照GJB1060.1抗沖擊標準，艦船的抗沖擊計算根據設備在艦船的安裝位置確定沖擊載荷譜，安裝位置分為兩種，一種是對于船體和外板安裝部位，另一種是對于甲板安裝部位，艉軸密封裝置安裝位置屬于船體和外板安裝部位，從而可確定沖擊載荷譜；艉軸密封裝置通過安裝座體和驅動環與艦船連接，安裝座體和驅動環分別屬于艉軸密封裝置上的零部件。當沖擊載荷譜作用在艦船上時，通過安裝座體和驅動環傳遞到艉軸密封裝置，從而確定沖擊載荷加載位置，具體實施過程如下；

(1)確定艙內設備抗沖擊計算方法的沖擊載荷譜

①艉軸密封裝置安裝位置屬于船體和外板安裝部位，參考抗沖擊標準GJB1060.1確定標稱加速度譜A₀和標稱速度譜V₀：

其中m_a為艉軸密封裝置的模態質量，單位為t；A₀為標稱加速度譜，單位為m/s²；V₀為標稱速度譜，單位為m/s。

②艉軸密封裝置受到沖擊載荷包括垂向、橫向、縱向三個方向的沖擊載荷作用，一般水下非接觸爆炸對設備產生的沖擊損傷，垂向>橫向>縱向沖擊，根據設計經驗，確定艉軸密封裝置各個方向的標稱加速度譜和標稱速度譜：垂向A_0垂＝A₀，V_0垂＝0.4V₀，橫向A_0橫＝0.4A₀，V_0橫＝0.4V₀，縱向A_0縱＝0.2A₀，V_0縱＝0.2V₀。

③沖擊載荷譜轉換為雙三角時域加速度曲線輸入到計算軟件中，雙三角時域加速度曲線的時間節點和峰值的確定如下：

A₁＝0.6A

t₂＝1.5V/A₁

A₂＝-A₁t₂/(t₄-t₂)

t₁＝0.6V/A₁

t₃＝t₂+0.6(t₄-t₂)

式中：t₁、t₂、t₃、t₄為雙三角時域加速度曲線的時間節點，A₁為t₁時刻對應的峰值，A₂為t₃時刻對應的峰值。D為垂向、橫向、縱向三個方向的等位移譜值，V為垂向、橫向、縱向三個方向的等速度譜值。

從而，可以得到三個方向的雙三角時域加速度曲線，如圖3所示。

(2)確定艙內設備抗沖擊計算方法的加載位置

艉軸密封裝置通過安裝座體和驅動環與艦船連接，安裝座體和驅動環分別屬于艉軸密封裝置上的零部件。當沖擊載荷譜作用在艦船上時，通過安裝座體和驅動環傳遞到艉軸密封裝置上。將模擬艦船的大質量單元M與安裝座體和驅動環與艦船連接的端面建立耦合，從而模擬艦船與艉軸密封裝置的安裝關系。模擬艦船的大質量單元M就是沖擊載荷譜的加載位置。

第四步：根據第三步得到的沖擊載荷譜和對應沖擊載荷加載位置，施加到艉軸密封裝置的有限元分析模型上，采用艙內設備抗沖擊計算方法進行抗沖擊計算；

第五步：根據第三步提到的附體設備抗沖擊計算方法，水下爆炸沖擊載荷譜是根據艦船的工作環境而確定的，在此僅自定義水下爆炸沖擊載荷譜和對應沖擊載荷加載位置，施加到艉軸密封裝置的有限元分析模型上，采用附體設備抗沖擊計算方法進行抗沖擊計算。水下爆炸沖擊載荷譜和沖擊載荷加載位置的確定具體過程如下：

(1)水下爆炸載荷譜的確定

水下爆炸載荷譜根據艦船的工作環境而確定，可能受到魚雷爆炸或嚴酷水下環境沖擊的作用。在此，自定義時域加速度曲線模擬水下爆炸載荷譜，如圖4所示。

(2)附體設備抗沖擊計算的加載位置

附體設備抗沖擊計算方法是在艙內設備抗沖擊計算方法的基礎上加上水下爆炸載荷譜。水下爆炸載荷是直接作用在艉軸上。艉軸是與艉軸密封裝置中驅動環連接的軸，一端與驅動環連接，另一端連接螺旋槳。在有限元分析中，通過建立梁單元來模擬艉軸，水下爆炸載荷譜作用在艉軸與螺旋槳連接的一端。

第六步：根據第五步得到的沖擊載荷譜和對應沖擊載荷加載位置，施加到艉軸密封裝置的有限元分析模型上，進行附體設備抗沖擊計算方法進行抗沖擊計算；

第七步：分析第四、六步得到的抗沖擊計算結果，提取關注部件如連接螺栓的等效應力時域曲線和桿部平均應力時域曲線，判斷艉軸密封裝置在沖擊載荷作用下是否滿足要求，完成基于基底大質量法的艉軸密封裝置的抗沖擊計算。

實施例：

為了更充分地介紹該發明的計算步驟，本發明針對如圖2所示艉軸密封裝置建立有限元模型，應用提出的計算方法對該模型進行抗沖擊計算分析。

建立的有限元分析模型采用shell181對殼單元進行模擬，solid45和solid95對體單元進行模型。如圖7所示。按照GJB1060.1確定艉軸密封裝置為甲類安裝設備，安裝位置為船體部位。確定裝置需進行艙內設備抗沖擊計算(有限元模型如圖5所示)和附體設備抗沖擊計算(有限元分析模型如圖6所示)。

兩組有限元分析模型中，將艦船設備假設為一個大質量點，艉軸密封裝置的X軸負方向通過艙壁與船體接觸，X正方向則通過驅動環端面與船體接觸。因此將與船體接觸部分與大質量點耦合在一起，以此進行抗沖擊計算。