CN106777490A - 一种基于基底大质量法的艉轴密封装置抗冲击计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于基底大质量法的艉轴密封装置抗冲击计算方法。该方法首先对艉轴密封装置进行整体分析，确定装置在船体的安装位置和设备类型，从而按照规定的舰船设备冲击标准确定冲击载荷谱。建立艉轴密封装置的有限元分析模型，基于基底大质量法确定装置的分析方法，然后根据舰船设备冲击标准确定的加载方式和加载位置进行加载，进行艉轴密封装置的抗冲击计算。本发明在计算过程中考虑了艉轴密封装置弹性元件的正常工作的压缩量，并且采用基底大质量法进行分析计算，冲击标准选取的是GJB1060.1，以此可以得到可靠的抗冲击计算结果。

Description

一种基于基底大质量法的艉轴密封装置抗冲击计算方法

技术领域

本发明涉及舰船设备在非接触爆炸冲击载荷作用下动力学分析，特别涉及基底大质量法作为理论分析方法，按照舰船抗冲击指标GJB1060.1确定三折线抗冲击载荷谱，分别采用舱内设备抗冲击计算方法和附体设备抗冲击计算方法对艉轴密封装置进行分析，从而完成基于基底大质量方法的艉轴密封装置的抗冲击计算。

背景技术

艉轴密封装置作为大型船舶的重要组成结构，考虑船舶艉轴密封装置在水下工作环境恶劣，影响使用寿命的因素复杂，并且由于其安装于水线下难于维护，艉轴密封装置一旦发生故障或损坏，轻则船舶必须停航、停产等待进坞修理，重则艉轴润滑油外泄造成水域环境的污染损失，所以大中型船舶艉轴及其密封装置是船舶推进系统设计以及其使用管理的关键部件之一，特别是军用舰船对服役条件要求更为严苛，其力学性能的精确评估直接影响船舶的安全性与功能性。

艉轴密封装置主要固定座、Ω弹簧组、夹紧环、静环座、静环、动环、驱动环调整螺钉等构成。驱动环和动环都是由两个半环状体对接而成，驱动环紧固于艉轴上，动环装配于艉轴上，动环与艉轴之间设有O形圈来阻止水流沿轴向泄漏，动环在艉轴上的位置可通过螺钉微调。静环也是由两个半环状体对接而成，因此维修更换时无需移动艉轴即可取下，静环定位在静环座内并与动环构成密封摩擦副，作用在密封摩擦副上的轴向压力主要由Ω弹簧组提供。装置内另设有冷却水通道，以保证有足够的冷却水带走摩擦产生的热量。正常工作状态下，动环由驱动环带动随轴同步旋转，而静环保持静止，两者之间形成的密封摩擦副表面处于相对旋转状态。此时除了密封摩擦副处允许适量水泄漏外，其余部位均处于固定密封状态。密封摩擦副因运转而产生的正常磨损由静环在Ω弹簧组的作用下自动补偿。如果密封摩擦副的磨损量超过Ω弹簧组的补偿能力，可通过调节螺钉调整Ω弹簧组的预压缩变形量来恢复和保持其自动补偿能力。

另一方面，军用舰船在其服役期间，不可避免的要遭遇水雷、炸弹等武器的袭击，这些攻击性武器携带大量炸药并能在水下爆炸。其中，接触爆炸会造成舰船结构的破损及设备的损坏，而非接触爆炸一般并不击穿艇体结构，却会导致舰艇上各类重要设备遭受严重而广泛的冲击破坏，使舰艇在不丧失不沉性的情况下失去生命力。为了保证舰船的安全和正常使用，提高舰船的生命力，舰船结构必须具有一定抗水下爆炸载荷的承载能力。因此，如何有效计算分析船舶水下冲击环境，以提高船体结构抗冲击性能及其战斗力和生命力，是现代船舶研究的重大课题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：本发明首先采用数值模拟方法对冲击模型进行计算，减少冲击试验的验证次数，降低设计成本。其次采用基底大质量法作为分析方法，将舰船以基底大质量点的方式体现，以便在建立抗冲击计算时不必建立整体舰船模型，减少工作量，缩短计算周期，并保证了计算精度。因此基于基底大质量法的艉轴密封装置抗冲击计算方法具有重要的科学使用意义和工程应用价值。

本发明采用的技术方案，一种基于基底大质量法的艉轴密封装置抗冲击计算方法，实现步骤如下：

第一步：艉轴密封装置的零部件组成较多，包括固定座、弹簧组、夹紧环、静环座、静环、动环、驱动环、轴系。根据几何特征对抗冲击计算不是重点关注的零部件的特征进行简化，如不关注的孔和倒角；对弹簧组用壳单元shell181进行模拟，其余零部件采用体单元进行模拟。其中六面体网格采用solid45单元模拟，四面体或金字塔网格采用solid95模拟。建立各零部件的接触关系，建立艉轴密封装置有限元分析模型；

第二步：艉轴密封装置为舰船上的安装设备，根据船体在水中实际冲击情况，选择基底大质量法进行分析。将艉轴密封装置设为一个或多个附着于舰船的大质量单元M，一般取装置总质量的10⁴-10⁸倍。艉轴密封装置抗冲击分析时，大质量单元M通过一个点来实现，即在有限元分析模型中建立一个点，赋予该点的质量为舰船的质量，并依据艉轴密封装置与舰船的约束关系，建立艉轴密封装置与该点的约束，从而实现大质量单元，该点即为大质量点。释放艉轴密封装置运动方向的约束，并在大质量点施加动力P_b模拟冲击载荷作用，其中：

式中，M_bb为结构基底集中大质量矩阵，为基础激励。

第三步：按照GJB1060.1抗冲击标准，舰船的抗冲击计算根据设备在舰船的安装位置确定冲击载荷谱，安装位置分为两种，一种是对于船体和外板安装部位，另一种是对于甲板安装部位，艉轴密封装置安装位置属于船体和外板安装部位，从而可确定冲击载荷谱；艉轴密封装置通过安装座体和驱动环与舰船连接，安装座体和驱动环分别属于艉轴密封装置上的零部件。当冲击载荷谱作用在舰船上时，通过安装座体和驱动环传递到艉轴密封装置，从而确定冲击载荷加载位置；

第四步：根据舰船设备抗冲击技术中的规定，舰船设备抗冲击计算包括多种抗冲击计算方法，包括静G法、舱内设备抗冲击计算方法、动态设计分析方法、多自由度隔离系统抗冲击计算方法、附体设备抗冲击计算方法等。计算方法的选择根据设备的属性而定。经工程经验分析可知，艉轴密封装置抗冲击计算选择舱内设备抗冲击计算方法和附体设备抗冲击计算方法。根据第三步得到的冲击载荷谱和对应冲击载荷加载位置，施加到艉轴密封装置的有限元分析模型上，采用舱内设备抗冲击计算方法进行抗冲击计算；

第五步：根据第四步提到的附体设备抗冲击计算方法，水下爆炸冲击载荷谱是根据舰船的工作环境而确定的，在此仅自定义水下爆炸冲击载荷谱和对应冲击载荷加载位置，施加到艉轴密封装置的有限元分析模型上，采用附体设备抗冲击计算方法进行抗冲击计算；

第六步：分析第四步和第五步得到的抗冲击计算结果，提取抗冲击计算关注的零部件的计算结果，如：艉轴密封装置中驱动环上和动环的连接螺栓、艉轴密封装置中的夹紧环的等效应力时域曲线和杆部平均应力时域曲线，判断艉轴密封装置在冲击载荷作用下是否满足要求，完成基于基底大质量法的艉轴密封装置的抗冲击计算。

本发明与传统技术相比的优点在于：

(1)本发明以数值模拟的方法对艉轴密封装置进行抗冲击计算，减少艉轴密封装置设计生产的成本，并采用基底大质量法作为分析方法，将舰船以基底大质量点的方式体现，以便在建立抗冲击计算时不必建立舰船模型，减少工作量，缩短计算周期，并保证了计算精度。

(2)本发明在计算过程中考虑了艉轴密封装置弹性元件的正常工作的压缩量，并且采用基底大质量法进行分析计算，冲击标准选取的是GJB1060.1，以此可以得到可靠的抗冲击计算结果。

附图说明

图1是本发明针对基于基底大质量法的艉轴密封装置抗冲击计算方法流程图；

图2是本发明提到的艉轴密封装置示意图；

图3是本发明根据GJB1060.1得到的三折线冲击载荷谱示意图；

图4是本发明中自定义的模拟水下爆炸载荷谱；

图5是本发明提到的舱内设备抗冲击计算艉轴密封装置的有限元分析示意图；

图6是本发明提到的附体设备抗冲击计算艉轴密封装置的有限元分析示意图；

图7是本发明对艉轴密封装置建立的有限元分析模型示意图；

图8是本发明针对舱内设备抗冲击计算得到的动环紧固螺钉VonMises等效应力时间历程曲线图；

图9是本发明针对舱内设备抗冲击计算得到的动环紧固螺钉杆部平均应力时间历程曲线图；

图10是本发明针对附体设备抗冲击计算得到的动环紧固螺钉VonMises等效应力时间历程曲线图；

图11是本发明针对附体设备抗冲击计算得到的动环紧固螺钉杆部平均应力时间历程曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出了一种基于基底大质量法的艉轴密封庄子抗冲击计算方法，包括以下步骤：

(1)艉轴密封装置的零部件组成较多，包括固定座1、弹簧组2、夹紧环3、静环座4、静环5、动环6、驱动环7和轴系8，如图2所示。根据几何特征对抗冲击非关注部件的特征进行简化；对弹簧组结构用壳单元shell181进行模拟，其余零部件采用体单元进行模拟。其中六面体网格采用solid45单元模拟，四面体或金字塔网格采用solid95模拟。建立好各零部件的接触关系，建立艉轴密封装置有限元分析模型。

(2)艉轴密封装置为舰船上的安装设备，根据船体在水中实际受载情况，选择基底大质量法进行分析,基底大质量法通过在舰船结构基底施加力荷载或位移模拟冲击载荷作用，其最大特点是舰船结构的基底是运动的，与传统方法有所不同，在于舰船结构基底位移与理论值并不一致，但取动反应却与传统理论方法的相对位移一致。当装置承受一致激励时，内力取决于相对位移，因此基底大质量法得到的相对位移结果和内力结果将与理论方法一样。

将艉轴密封装置设为一个或多个附着于舰船的大质量单元M，一般取装置总质量的10⁴-10⁸倍。艉轴密封装置抗冲击分析时，大质量单元M通过一个点来实现，即在有限元分析模型中建立一个点，赋予该点的质量为舰船的质量，并依据艉轴密封装置与舰船的约束关系，建立艉轴密封装置与该点的约束，从而实现大质量单元，该点即为大质量点。释放艉轴密封装置运动方向的约束，并在大质量点施加动力P_b模拟冲击载荷作用，其中：

式中，M_bb为大质量点的质量矩阵，为基础激励。

第三步：根据舰船设备抗冲击技术中的规定，舰船设备抗冲击计算包括多种抗冲击计算方法，包括静G法、舱内设备抗冲击计算方法、动态设计分析方法、多自由度隔离系统抗冲击计算方法、附体设备抗冲击计算方法等。计算方法的选择根据设备的属性而定。经工程经验分析可知，艉轴密封装置抗冲击计算选择舱内设备抗冲击计算方法和附体设备抗冲击计算方法。按照GJB1060.1抗冲击标准，舰船的抗冲击计算根据设备在舰船的安装位置确定冲击载荷谱，安装位置分为两种，一种是对于船体和外板安装部位，另一种是对于甲板安装部位，艉轴密封装置安装位置属于船体和外板安装部位，从而可确定冲击载荷谱；艉轴密封装置通过安装座体和驱动环与舰船连接，安装座体和驱动环分别属于艉轴密封装置上的零部件。当冲击载荷谱作用在舰船上时，通过安装座体和驱动环传递到艉轴密封装置，从而确定冲击载荷加载位置，具体实施过程如下；

(1)确定舱内设备抗冲击计算方法的冲击载荷谱

①艉轴密封装置安装位置属于船体和外板安装部位，参考抗冲击标准GJB1060.1确定标称加速度谱A₀和标称速度谱V₀：

其中m_a为艉轴密封装置的模态质量，单位为t；A₀为标称加速度谱，单位为m/s²；V₀为标称速度谱，单位为m/s。

②艉轴密封装置受到冲击载荷包括垂向、横向、纵向三个方向的冲击载荷作用，一般水下非接触爆炸对设备产生的冲击损伤，垂向>横向>纵向冲击，根据设计经验，确定艉轴密封装置各个方向的标称加速度谱和标称速度谱：垂向A_0垂＝A₀，V_0垂＝0.4V₀，横向A_0横＝0.4A₀，V_0横＝0.4V₀，纵向A_0纵＝0.2A₀，V_0纵＝0.2V₀。

③冲击载荷谱转换为双三角时域加速度曲线输入到计算软件中，双三角时域加速度曲线的时间节点和峰值的确定如下：

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为双三角时域加速度曲线的时间节点，A₁为t₁时刻对应的峰值，A₂为t₃时刻对应的峰值。D为垂向、横向、纵向三个方向的等位移谱值，V为垂向、横向、纵向三个方向的等速度谱值。

从而，可以得到三个方向的双三角时域加速度曲线，如图3所示。

(2)确定舱内设备抗冲击计算方法的加载位置

艉轴密封装置通过安装座体和驱动环与舰船连接，安装座体和驱动环分别属于艉轴密封装置上的零部件。当冲击载荷谱作用在舰船上时，通过安装座体和驱动环传递到艉轴密封装置上。将模拟舰船的大质量单元M与安装座体和驱动环与舰船连接的端面建立耦合，从而模拟舰船与艉轴密封装置的安装关系。模拟舰船的大质量单元M就是冲击载荷谱的加载位置。

第四步：根据第三步得到的冲击载荷谱和对应冲击载荷加载位置，施加到艉轴密封装置的有限元分析模型上，采用舱内设备抗冲击计算方法进行抗冲击计算；

第五步：根据第三步提到的附体设备抗冲击计算方法，水下爆炸冲击载荷谱是根据舰船的工作环境而确定的，在此仅自定义水下爆炸冲击载荷谱和对应冲击载荷加载位置，施加到艉轴密封装置的有限元分析模型上，采用附体设备抗冲击计算方法进行抗冲击计算。水下爆炸冲击载荷谱和冲击载荷加载位置的确定具体过程如下：

(1)水下爆炸载荷谱的确定

水下爆炸载荷谱根据舰船的工作环境而确定，可能受到鱼雷爆炸或严酷水下环境冲击的作用。在此，自定义时域加速度曲线模拟水下爆炸载荷谱，如图4所示。

(2)附体设备抗冲击计算的加载位置

附体设备抗冲击计算方法是在舱内设备抗冲击计算方法的基础上加上水下爆炸载荷谱。水下爆炸载荷是直接作用在艉轴上。艉轴是与艉轴密封装置中驱动环连接的轴，一端与驱动环连接，另一端连接螺旋桨。在有限元分析中，通过建立梁单元来模拟艉轴，水下爆炸载荷谱作用在艉轴与螺旋桨连接的一端。

第六步：根据第五步得到的冲击载荷谱和对应冲击载荷加载位置，施加到艉轴密封装置的有限元分析模型上，进行附体设备抗冲击计算方法进行抗冲击计算；

第七步：分析第四、六步得到的抗冲击计算结果，提取关注部件如连接螺栓的等效应力时域曲线和杆部平均应力时域曲线，判断艉轴密封装置在冲击载荷作用下是否满足要求，完成基于基底大质量法的艉轴密封装置的抗冲击计算。

实施例：

为了更充分地介绍该发明的计算步骤，本发明针对如图2所示艉轴密封装置建立有限元模型，应用提出的计算方法对该模型进行抗冲击计算分析。

建立的有限元分析模型采用shell181对壳单元进行模拟，solid45和solid95对体单元进行模型。如图7所示。按照GJB1060.1确定艉轴密封装置为甲类安装设备，安装位置为船体部位。确定装置需进行舱内设备抗冲击计算(有限元模型如图5所示)和附体设备抗冲击计算(有限元分析模型如图6所示)。

两组有限元分析模型中，将舰船设备假设为一个大质量点，艉轴密封装置的X轴负方向通过舱壁与船体接触，X正方向则通过驱动环端面与船体接触。因此将与船体接触部分与大质量点耦合在一起，以此进行抗冲击计算。

抗冲击分析主要关注装置的连接件即连接螺栓进行强度校核，下面仅提取动环紧固螺钉的其中一个进行结构分析。

1)舱内设备抗冲击计算结果分析：

动环紧固螺钉VonMises等效应力时间历程曲线如图8所示。

动环紧固螺钉杆部平均VonMises等效应力时间历程曲线如图9所示。

2)附体设备抗冲击计算结果分析：

动环紧固螺钉VonMises等效应力时间历程曲线如图10所示。

动环紧固螺钉杆部平均VonMises等效应力时间历程曲线如图11所示。

根据动环紧固螺钉的材料属性，对比抗冲击计算提取的分析结果，从而判断螺钉是否失效。

以上仅是本发明的具体步骤，对本发明的保护范围不构成任何限制；

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于基底大质量法的艉轴密封装置抗冲击计算方法，其特征在于实现步骤如下：

第一步：建立艉轴密封装置有限元分析模型；

第二步：选择基底大质量法进行分析，将艉轴密封装置设为一个或多个附着于舰船的大质量单元M，大质量单元M通过一个点来实现，即在有限元分析模型中建立一个点，赋予该点的质量为舰船的质量，并依据艉轴密封装置与舰船的约束关系，建立艉轴密封装置与该点的约束，从而实现大质量单元，该点即为大质量点；释放艉轴密封装置运动方向的约束，并在大质量点施加动力P_b模拟冲击载荷作用，其中：

$P_b=M_{bb}{\stackrel{\·\·}{U}}_g$

式中，M_bb为大质量点的质量矩阵，为基础激励；

第三步：根据舱内设备抗冲击计算方法和附体设备抗冲击计算方法，得到的冲击载荷谱和对应冲击载荷加载位置；

第四步：根据第三步得到的冲击载荷谱和对应冲击载荷加载位置，施加到艉轴密封装置的有限元分析模型上，采用舱内设备抗冲击计算方法进行抗冲击计算；

第五步：根据第三步提到的附体设备抗冲击计算方法，水下爆炸冲击载荷谱是根据舰船的工作环境而确定的，在此仅自定义水下爆炸冲击载荷谱和对应冲击载荷加载位置，施加到艉轴密封装置的有限元分析模型上，采用附体设备抗冲击计算方法进行抗冲击计算；

第六步：根据第四步和第五步得到的抗冲击计算结果，提取关注部件连接螺栓的等效应力时域曲线和杆部平均应力时域曲线，判断艉轴密封装置在冲击载荷作用下是否满足要求，完成基于基底大质量法的艉轴密封装置的抗冲击计算。

2.根据权利要求1所述的一种基于基底大质量法的艉轴密封装置抗冲击计算方法，其特征在于：所述第一步建立的有限元分析模型中，对艉轴密封装置中的弹簧组结构用壳单元shell181进行模拟，其余零部件采用体单元进行模拟；体单元进行模拟时，六面体网格采用solid45单元模拟，四面体或金字塔网格采用solid95模拟。

3.根据权利要求1所述的一种基于基底大质量法的艉轴密封装置抗冲击计算方法，其特征在于：所述第二步中，大质量单元M_bb为艉轴密封装置总质量的10⁴-10⁸倍。

4.根据权利要求1所述的一种基于基底大质量法的艉轴密封装置抗冲击计算方法，其特征在于：所述第二步中，基底大质量法是通过在舰船结构基底，即大质量点施加力荷载或位移模拟冲击载荷作用。

5.根据权利要求1所述的一种基于基底大质量法的艉轴密封装置抗冲击计算方法，其特征在于：所述第三步，根据艉轴密封装置在船体的安装位置，确定冲击载荷谱和冲击载荷加载位置具体过程如下；

(1)确定舱内设备抗冲击计算方法的冲击载荷谱

①艉轴密封装置安装位置属于船体和外板安装部位，确定标称加速度谱A₀和标称速度谱V₀：

$A_0=196.2\×\frac{(17.01+m_a)(5.44+m_a)}{{(2.72+m_a)}^2},V_0=1.52\×\frac{5.44+m_a}{2.72+m_a}$

其中m_a为艉轴密封装置的模态质量，单位为t；A₀为标称加速度谱，单位为m/s²；V₀为标称速度谱，单位为m/s；

②艉轴密封装置受到冲击载荷包括垂向、横向、纵向三个方向的冲击载荷作用，一般水下非接触爆炸对设备产生的冲击损伤，垂向>横向>纵向冲击，根据国外的设计经验，确定艉轴密封装置各个方向的标称加速度谱和标称速度谱：垂向A_0垂＝A₀，V_0垂＝0.4V₀，横向A_0横＝0.4A₀，V_0横＝0.4V₀，纵向A_0纵＝0.2A₀，V_0纵＝0.2V₀；

③冲击载荷谱转换为双三角时域加速度曲线输入到计算软件中，双三角时域加速度曲线的时间节点和峰值的确定如下，起始时间节点为零时刻：

A₁＝0.6A

t₂＝1.5V/A₁

$t_4=\frac{6.3D-1.6A_1{t_2}^2}{1.6A_1{t}_2}+t_2$

A₂＝-A₁t₂/(t₄-t₂)

t₁＝0.6V/A₁

t₃＝t₂+0.6(t₄-t₂)

式中：t₁、t₂、t₃、t₄为双三角时域加速度曲线的时间节点，A₁、为t₁时刻对应的峰值，A₂为t₃时刻对应的峰值，D为垂向、横向、纵向三个方向的等位移谱值，V为垂向、横向、纵向三个方向的等速度谱值；

从而得到三个方向的双三角时域加速度曲线；

(2)确定舱内设备抗冲击计算方法的加载位置

艉轴密封装置通过安装座体和驱动环与舰船连接，安装座体和驱动环分别属于艉轴密封装置上的零部件，当冲击载荷谱作用在舰船上时，通过安装座体和驱动环传递到艉轴密封装置上；将模拟舰船的大质量单元M与安装座体和驱动环与舰船连接的端面建立耦合，从而模拟舰船与艉轴密封装置的安装关系；模拟舰船的大质量单元M就是冲击载荷谱的加载位置。

6.根据权利要求1所述的一种基于基底大质量法的艉轴密封装置抗冲击计算方法，其特征在于：第五步所述的附体设备抗冲击计算方法是指，既满足舱内设备的抗冲击指标，又要满足水下爆炸载荷作用下的强度要求：

(1)水下爆炸载荷谱的确定

水下爆炸载荷谱根据舰船的工作环境而确定，可能受到鱼雷爆炸或严酷水下环境冲击的作用，在此自定义时域加速度曲线模拟水下爆炸载荷谱；

(2)附体设备抗冲击计算的加载位置

附体设备抗冲击计算方法是在舱内设备抗冲击计算方法的基础上加上水下爆炸载荷谱；水下爆炸载荷是直接作用在艉轴上；艉轴是与艉轴密封装置中驱动环连接的轴，一端与驱动环连接，另一端连接螺旋桨；在有限元分析中，通过建立梁单元来模拟艉轴，水下爆炸载荷谱作用在艉轴与螺旋桨连接的一端。