CN111753448B - 一种船舶设备高精度冲击计算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种船舶设备高精度冲击计算方法及系统，包括：步骤M1：通过隔振抗冲元件冲击刚度试验测试，获得元件冲击特性F‑S曲线；步骤M2：在有限元软件中根据获得元件冲击特性F‑S曲线，建立准确的船舶设备冲击计算模型；步骤M3：利用冲击载荷对船舶设备冲击计算模型进行载荷施加；步骤M4：对船舶设备冲击计算模型载荷施加后，对船舶设备进行响应评估；本发明更准确的隔振元件性能参数，隔振器参数不再是线性的或者是常数，而是通过冲击试验获取的考虑了橡胶元件在高应变率下的特性参数。
Description
技术领域
本发明涉及船舶设备抗冲设计研究领域，具体地，涉及一种船舶设备高精度冲击计算方法及系统，更为具体地，涉及弹性隔振安装的船舶设备高精度冲击计算方法。
背景技术
新发布的设备抗冲击要求中，规定的冲击载荷相比过去沿用的GJB1060.1《舰船环境条件要求-机械环境》，冲击能量增大85％以上，冲击载荷持续时长增加一倍，对设备的抗冲击能力和冲击防护设计都提出了更严格的要求，需要提升抗冲击计算方法的精度，以适应更高标准的工作要求。当前船舶设备冲击响应计算精度不高，其主要原因为：
当前船舶设备冲击响应计算精度不高，其主要原因为：
1)隔振抗冲装置中的元件冲击刚度与实际相差较大。当前隔振抗冲装置中的抗冲元件多为橡胶产品，与金属材料不同，橡胶材料具有超弹性和粘弹性特性，在受到冲击时，橡胶元件的冲击刚度产生了强非线性，需要由力-位移(F-S)曲线表示。但是由于元件的冲击刚度需要由冲击试验台架获取，该台架的建设、数据采集、后处理方法等难度较高，因此当前计算时，元件的冲击刚度多采用定值，(一般取动刚度的1.5～2.5倍)；同时，当前大多商业软件在刚度输入时，其界面多为定值，难以输入F-S曲线。冲击刚度的真实值难以获取、刚度输入方法的受限，产生了较大的冲击响应计算误差。
2)抗冲元件与基座、中间质量的连接方式与实际相差较大。连接或者接触是计算的难点，需要在计算过程中通过罚函数进行反复迭代，以判断接触状态。工程设计中，抗冲元件与基座、中间质量是面对面的连接方式，当前商业软件一般将元件等效为弹簧，弹簧与基座和中间质量的连接采用点对点的方式，该方式可简化计算工作，提高计算效率。但是点对点的连接方式使得冲击能量的传递与实际的面传递相差较大，并使基座和中间质量产生应力集中，给结构设计人员带来失真信息。
3)限位器等非线性因素考虑不够全面。因为冲击载荷较之前的GJB1060标准规定的提高约一倍，在受到冲击时，船舶设备和元件会产生大变形。为防止大变形对设备产生破坏，隔振抗冲装置中一般设置限位器、限位螺栓等限制元件。限位元件内部设置限位间隙，在限位间隙内，限位元件不工作，但是在装置和设备发生冲击位移超过限位间隙后，限位元件开始工作，产生大刚度，其刚度约为普通隔振元件的10-100倍，由此产生了强非线性并导致设备的二次冲击，该冲击能量较大，可严重损伤设备。当前商业软件中大多无法对该强非线性进行模拟，导致计算结果产生较大误差。
4)冲击载荷输入方法与实际相差较大。当前船舶设备冲击响应计算时，其载荷输入主要有两种方法：大质量法和加速度场法。船舶设备及隔振抗冲装置受到冲击时，既产生刚性大位移，其自身又产生弹性变形，大多商业软件计算时多数会因为刚性大位移而结果无法收敛，为解决上述问题，引入大质量法，即人为引入一个质量单元，其重量为设备重量的15倍以上，如此船舶设备及装置的位移会大为变小，计算可以正常开展。但是在引入大质量后，人为增加了计算过程中离散方程的质量矩阵，同时，隔振抗冲装置中的元件因受到大质量的影响，其冲击变形产生较大误差，导致计算精度不高。加速度场法则将冲击载荷等效为“重力场”，使整个设备和装置都受到冲击载荷，此种方法的计算结果易收敛，但是由于边界条件的改变，使得计算误差较大。
5)船舶设备抗冲击性能的评估参数难以确定。现有船舶设备抗冲击性能的表征一般采用“静G法”，比如船舶设备可承受10g的冲击加速度，其中的“10g”即为“静G法”的加速度定值。但是冲击计算得出的加速度多为时域曲线，当前没有统一的方法将时域曲线的加速度值等效为“静G法”的定值。部分文献中将时域曲线中加速度最大值等效为“静G法”的定值，但是由于“静G法”的定值表征为低阶模态对应的加速度值，因为该等效方法误差较大。
专利文献CN106777490B(申请号：201611029877.9)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。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种船舶设备高精度冲击计算方法及系统。
本发明提供的一种船舶设备高精度冲击计算方法，包括：
步骤M1：通过隔振抗冲元件冲击刚度试验测试，获得元件冲击特性F-S曲线；
步骤M2：在有限元软件中根据获得元件冲击特性F-S曲线，建立准确的船舶设备冲击计算模型；
步骤M3：利用冲击载荷对船舶设备冲击计算模型进行载荷施加；
步骤M4：对船舶设备冲击计算模型载荷施加后，对船舶设备进行响应评估；
所述船舶设备冲击计算模型包括隔振器、限位器、中间质量，隔振器和限位器采用弹簧单元模拟；
所述元件冲击特性F-S曲线是指隔振抗冲元件冲击特征力传感器测量冲击过程中的动态力和激光位移传感器测量冲击过程中的被测元件的垂向实时变形情况曲线。
优选地，所述步骤M1包括：
步骤M1.1：采用力传感器测量冲击过程中的动态力，采用激光位移传感器测量冲击过程中的被测元件的垂向实时变形情况，采用LMS数据采集仪对冲击测试数据进行采集分析；
步骤M1.2：对隔振抗冲元件进行预实验，使隔振抗冲元件调整至预设状态；
步骤M1.3：隔振抗冲元件调整至预设状态后，对隔振抗冲元件做不同冲击输入速度下的冲击试验，并记录冲击数据；
步骤M1.4：将记录的冲击数据的力传感器测量冲击过程中的动态力和激光位移传感器测量冲击过程中的被测元件的垂向实时变形情况加以低通滤波，然后拟合不同冲击输入速度下的F-S曲线，获取元件冲击特性F-S曲线。
优选地，所述步骤M2包括：
步骤M2.1：在有限元软件中将隔振抗冲元件与基座、中间质量进行连接；
步骤M2.2：对隔振抗冲元件进行强非线性模拟；
所述隔振抗冲元件包括隔振器和限位器；
所述步骤M2.1包括：将所述隔振抗冲元件等效为弹簧阻尼单元，在基座和中间质量上选取与隔振器上下面板同等面积的区域，然后在当前区域的中心位置处创建一个节点，节点与区域采用分布式耦合方式连接，之后区域中心处节点与弹簧连接；
所述步骤M2.2包括：隔振器选用元件冲击特性F-S曲线，定义弹簧的变形与受力关系；模拟限位器的弹簧单元根据限位间隙设定限位器受力零位，超过限位间隙后根据限位器刚度设定F-S曲线。
优选地，所述步骤M3包括：
步骤M3.1：根据实船冲击试验获取的冲击载荷和/或现行标准给出的冲击载荷，将冲击载荷定义为加速度-时间历程曲线，并以冲击载荷时间历程曲线和冲击载荷加速度曲线形式给出；
步骤M3.2：释放船舶设备冲击计算模型中隔振抗冲元件作用方向的自由度，约束冲击作用方向之外的自由度，在隔振器和限位器的底部施加冲击载荷时间历程曲线。
优选地，所述步骤M4包括：按照船舶设备冲击计算模型中的固有频率，根据归一化原则识别出冲击方向的一阶模态频率，并以一阶模态频率的预设值倍数进行冲击载荷加速度曲线和冲击载荷时间历程曲线滤波，得到的加速度峰值视为“静G法”中的加速度值，根据“静G法”中的加速度评估船舶设备的抗冲击能力。
根据本发明提供的一种船舶设备高精度冲击计算系统，包括：
通过隔振抗冲元件冲击刚度试验测试，获得元件冲击特性F-S曲线；
模块M2：在有限元软件中根据获得元件冲击特性F-S曲线，建立准确的船舶设备冲击计算模型；
模块M3：利用冲击载荷对船舶设备冲击计算模型进行载荷施加；
模块M4：对船舶设备冲击计算模型载荷施加后，对船舶设备进行响应评估；
所述船舶设备冲击计算模型包括隔振器、限位器、中间质量，隔振器和限位器采用弹簧单元模拟；
所述元件冲击特性F-S曲线是指隔振抗冲元件冲击特征力传感器测量冲击过程中的动态力和激光位移传感器测量冲击过程中的被测元件的垂向实时变形情况曲线。
优选地，所述通过隔振抗冲元件冲击刚度试验测试，获得元件冲击特性F-S曲线包括：
采用力传感器测量冲击过程中的动态力，采用激光位移传感器测量冲击过程中的被测元件的垂向实时变形情况，采用LMS数据采集仪对冲击测试数据进行采集分析；
对隔振抗冲元件进行预实验，使隔振抗冲元件调整至预设状态；
隔振抗冲元件调整至预设状态后，对隔振抗冲元件做不同冲击输入速度下的冲击试验，并记录冲击数据；
将记录的冲击数据的力传感器测量冲击过程中的动态力和激光位移传感器测量冲击过程中的被测元件的垂向实时变形情况加以低通滤波，然后拟合不同冲击输入速度下的 F-S曲线，获取元件冲击特性F-S曲线。
优选地，所述模块M2包括：
模块M2.1：在有限元软件中将隔振抗冲元件与基座、中间质量进行连接；
模块M2.2：对隔振抗冲元件进行强非线性模拟；
所述隔振抗冲元件包括隔振器和限位器；
所述模块M2.1包括：将所述隔振抗冲元件等效为弹簧阻尼单元，在基座和中间质量上选取与隔振器上下面板同等面积的区域，然后在当前区域的中心位置处创建一个节点，节点与区域采用分布式耦合方式连接，之后区域中心处节点与弹簧连接；
所述模块M2.2包括：隔振器选用元件冲击特性F-S曲线，定义弹簧的变形与受力关系；模拟限位器的弹簧单元根据限位间隙设定限位器受力零位，超过限位间隙后根据限位器刚度设定F-S曲线。
优选地，所述模块M3包括：
模块M3.1：根据实船冲击试验获取的冲击载荷和/或现行标准给出的冲击载荷，将冲击载荷定义为加速度-时间历程曲线，并以冲击载荷时间历程曲线和冲击载荷加速度曲线形式给出；
模块M3.2：释放船舶设备冲击计算模型中隔振抗冲元件作用方向的自由度，约束冲击作用方向之外的自由度，在隔振器和限位器的底部施加冲击载荷时间历程曲线。
优选地，所述模块M4包括：按照船舶设备冲击计算模型中的固有频率，根据归一化原则识别出冲击方向的一阶模态频率，并以一阶模态频率的预设值倍数进行冲击载荷加速度曲线和冲击载荷时间历程曲线滤波，得到的加速度峰值视为“静G法”中的加速度值，根据“静G法”中的加速度评估船舶设备的抗冲击能力。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提出的是一种提高计算精度的冲击计算方法，主要有四大方面的提升：
1、更准确的隔振元件性能参数，隔振器参数不再是线性的或者是常数，而是通过冲击试验获取的考虑了橡胶元件在高应变率下的特性参数；
2、隔振元件的在仿真计算中的连接方式；
3、设备的边界条件模拟，完善隔振器、限位器在整个计算模型中的定义；
4、准确的冲击输入。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为冲击测试系统框图；
图2为元件冲击测试示意图；
图3为隔振抗冲元件冲击刚度F-S曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种船舶设备高精度冲击计算方法，包括：隔振抗冲元件冲击刚度试验测试与施加、元件与基座和中间质量接触模拟方法、限位器强非线性特性模拟方法、冲击载荷施加方法、冲击响应评估方法等；
步骤M1：通过隔振抗冲元件冲击刚度试验测试，获得元件冲击特性F-S曲线；
步骤M2：在有限元软件中根据获得元件冲击特性F-S曲线，建立准确的船舶设备冲击计算模型；
步骤M3：利用冲击载荷对船舶设备冲击计算模型进行载荷施加；
步骤M4：对船舶设备冲击计算模型载荷施加后，对船舶设备进行响应评估；
所述船舶设备冲击计算模型包括隔振器、限位器、质量块，隔振器和限位器采用弹簧单元模拟。
具体地，所述步骤M1包括：隔振抗冲元件冲击刚度试验测试系统框图如图1所示，
步骤M1.1：采用力传感器测量冲击过程中的动态力，采用激光位移传感器测量冲击过程中的被测元件的垂向实时变形情况，采用LMS数据采集仪对冲击测试数据进行采集分析；
步骤M1.2：对隔振抗冲元件进行预实验，使隔振抗冲元件调整至预设状态；
按隔振器安装要求，采用与之相适应的夹具进行安装。根据隔振器额定载荷在跌落台面上布置相应的质量块，提升台面使隔振器输入加速度为30g左右，调整波形发生器，使脉宽即冲击持续过程的时间控制在50ms；
步骤M1.3：对隔振抗冲元件做不同跌落高度下的冲击试验，在受预压状态下，调整不同的跌落高度，以使隔振器承受不同冲击输入速度，并记录冲击数据；所述记录冲击数据是力和抗冲元件的上下表面的相对位移(变形)；
如图2(b)所示，隔振元件在额定载荷下会发生变形，预压就是让其产生相同的变形；
步骤M1.4：将不同跌落高度(冲击输入速度)下的冲击试验中记录的冲击数据中的数据结果的时域F力信号即力传感器测量冲击过程中的动态力和S位移信号即激光位移传感器测量冲击过程中的被测元件的垂向实时变形情况，加以低通滤波，然后拟合不同冲击输入速度下的F-S曲线，获取元件冲击特性F-S曲线。
不同于国内以往其他测试方法中冲击试验中只采用了一个加速度传感器进行测量，本试验方案设计中采用了力传感器和激光位移传感器，相对于加速度和质量乘积得到的动态力，直接用力传感器采集的动态力数据，避免了对施加的质量测量上的误差，更能精确的反映出被测元件所受到的瞬时冲击载荷；以往的冲击试验中弹性元件的位移均采用通过加速度传感器的信号进行两次积分得到的元件变形位移数据，而本试验方案中，利用激光位移传感器，准确得到被测元件的拉压变形情况，既避免了用加速度进行两次积分所带来的计算误差，又避免了冲击过程中隔振器的倾斜偏移所带来的误差。隔振元件冲击刚度曲线如图3所示。
具体地，所述步骤M2包括：
步骤M2.1：在有限元软件中将隔振抗冲元件与基座、中间质量进行连接；
步骤M2.2：对隔振抗冲元件进行强非线性模拟；
所述隔振抗冲元件包括隔振器和限位器；
所述步骤M2.1包括：船舶设备冲击计算模型建模时，将所述隔振抗冲元件等效为弹簧阻尼单元，当前建模方法一般在基座和中间质量上分别取一个点与弹簧连接，此时与工程实际相差较大。首先在基座和中间质量上选取与隔振器上下面板同等面积的区域，然后在当前区域的中心位置处创建一个节点，节点与区域采用分布式耦合方式连接，保证区域内的单元正常变形，之后区域中心处节点与弹簧连接；采用此种方法可实现隔振抗冲元件与基座和中间质量之间采用面与面连接，与工程实际相符合，既可保证冲击能量的正常传递，又可实现设备受到冲击倾斜时力矩的传递。上述方法可在商业软件基础上通过脚本语言实现。
**定义弹簧单元
**单元号，节点号1，节点号2
*Element,type＝Spring2,elset＝弹簧
15,1,11
16,2,12
……
**定义弹簧F-S曲线
*Connector Elasticity,nonlinear,component＝2
0,0
10,0.003
20,0.0045
……
所述步骤M2.2包括：隔振器选用元件冲击特性F-S曲线，定义弹簧的变形与受力关系；模拟限位器的弹簧单元根据限位间隙设定限位器受力零位，超过限位间隙后根据限位器刚度设定F-S曲线。该方法设定限位器刚度后，计算结果中可见明显的由于限位作用产生的二次冲击，与实际冲击测试吻合，大幅提升了计算精度，可在设备研发阶段有效指导设备的抗冲击设计。
限位器，平时不会发挥作用，其安装就与设备机脚留有间隙。当收到冲击时，基座和设备产生大位移时，大于预留的间隙，限位器发挥作用，阻止位移继续扩大。考虑了限位器的作用，限位器定义为非线性的刚度，更逼近真实情况，提高了计算的精度。计算模型里定义了限位器的参数，计算结果中限位器上层的设备的加速度响应曲线会产生加速度凸起，是明显的二次冲击的波形。
隔振元件的F-S曲线,隔振器和限位器都有，隔振器的曲线为连续的，限位器的曲线是非线性的，在S大于间隙时才会有F变化。
**定义弹簧单元
**单元号，节点号1，节点号2
*Element,type＝Spring2,elset＝限位器
1,1,12
2,2,13
……
**定义限位间隙及限位器F-S曲线
*Connector Elasticity,nonlinear,component＝2
-1e+20, -1.
-160000.,-0.02
0., -0.01
0., 0.
0., 0.01
160000., 0.02
1e+20, 1.
具体地，所述步骤M3包括：
步骤M3.1：根据实船冲击试验获取的冲击载荷和/或现行标准给出的冲击载荷，通过现有软件的脚本语言，将冲击载荷定义为加速度-时间历程曲线，并以冲击载荷时间历程曲线和冲击载荷加速度曲线形式给出；
步骤M3.2：释放船舶设备冲击计算模型中下层隔振抗冲元件作用方向的自由度，约束冲击作用方向之外的自由度，在下层隔振抗冲元件的底部施加冲击载荷时间历程曲线，使其与实际情况基本一致，以提高计算精度。
下层隔振抗冲元件是隔振器和限位器。
**定义冲击载荷曲线
*Amplitude,name＝Amp-1
0.,0.,0.0002856,63.,0.0005712,126.,0.0008568,189. 0.0011424,……
**约束冲击作用方向以外的其他自由度
*Boundary
BC,1,1
BC,2,2
BC,4,4
BC,5,5
BC,6,6
**在冲击作用方向施加载荷
*Boundary,amplitude＝Amp-1,type＝ACCELERATION
BC,3,3,1
具体地，所述步骤M4包括：冲击响应计算是在时域开展的，其冲击加速度响应曲线包含了多种频率成分(包括低频、中频和高频)，而“静G法”中的加速度值(g)是频域中的数值，查询提出该方法的国外资料，其定义为装置和设备组成的系统一阶冲击方向固有频率对应的加速度值。按照船舶设备冲击计算模型中的固有频率，并根据归一化原则得出模态在六个自由度方向上的参与因子，识别出冲击方向的一阶模态频率，并以一阶模态频率的2.5倍数进行加速度时历曲线滤波，得到的加速度峰值视为“静G法”中的加速度值，根据“静G法”中的加速度评估船舶设备的抗冲击能力。
根据本发明提供的一种船舶设备高精度冲击计算系统，包括：隔振抗冲元件冲击刚度试验测试与施加、元件与基座和中间质量接触模拟、限位器强非线性特性模拟、冲击载荷施加、冲击响应评估等；
隔振抗冲元件冲击刚度试验测试：通过隔振抗冲元件冲击刚度试验测试，获得元件冲击特性F-S曲线；
模块M2：在有限元软件中根据获得元件冲击特性F-S曲线，建立准确的船舶设备冲击计算模型；
模块M3：利用冲击载荷对船舶设备冲击计算模型进行载荷施加；
模块M4：对船舶设备冲击计算模型载荷施加后，对船舶设备进行响应评估；
所述船舶设备冲击计算模型包括隔振器、限位器、质量块，隔振器和限位器采用弹簧单元模拟。
具体地，所述隔振抗冲元件冲击刚度试验测试包括：隔振抗冲元件冲击刚度试验测试系统框图如图1所示，
采用力传感器测量冲击过程中的动态力，采用激光位移传感器测量冲击过程中的被测元件的垂向实时变形情况，采用LMS数据采集仪对冲击测试数据进行采集分析；
对隔振抗冲元件进行预实验，使隔振抗冲元件调整至预设状态；
按隔振器安装要求，采用与之相适应的夹具进行安装。根据隔振器额定载荷在跌落台面上布置相应的质量块，提升台面使隔振器输入加速度为30g左右，调整波形发生器，使脉宽即冲击持续过程的时间控制在50ms；
对隔振抗冲元件做不同跌落高度下的冲击试验，在受预压状态下，调整不同的跌落高度，以使隔振器承受不同冲击输入速度，并记录冲击数据；所述记录冲击数据是力和抗冲元件的上下表面的相对位移(变形)；
如图2(b)所示，隔振元件在额定载荷下会发生变形，预压就是让其产生相同的变形；
将不同跌落高度(冲击输入速度)下的冲击试验中记录的冲击数据中的数据结果的时域F力信号即力传感器测量冲击过程中的动态力和S位移信号即激光位移传感器测量冲击过程中的被测元件的垂向实时变形情况，加以低通滤波，然后拟合不同冲击输入速度下的F-S曲线，获取元件冲击特性F-S曲线。
不同于国内以往其他测试方法中冲击试验中只采用了一个加速度传感器进行测量，本试验方案设计中采用了力传感器和激光位移传感器，相对于加速度和质量乘积得到的动态力，直接用力传感器采集的动态力数据，避免了对施加的质量测量上的误差，更能精确的反映出被测元件所受到的瞬时冲击载荷；以往的冲击试验中弹性元件的位移均采用通过加速度传感器的信号进行两次积分得到的元件变形位移数据，而本试验方案中，利用激光位移传感器，准确得到被测元件的拉压变形情况，既避免了用加速度进行两次积分所带来的计算误差，又避免了冲击过程中隔振器的倾斜偏移所带来的误差。隔振元件冲击刚度曲线如图3所示。
具体地，所述模块M2包括：
模块M2.1：在有限元软件中将隔振抗冲元件与基座、中间质量进行连接；
模块M2.2：对隔振抗冲元件进行强非线性模拟；
所述隔振抗冲元件包括隔振器和限位器；
所述模块M2.1包括：船舶设备冲击计算模型建模时，将所述隔振抗冲元件等效为弹簧阻尼单元，当前建模方法一般在基座和中间质量上分别取一个点与弹簧连接，此时与工程实际相差较大。首先在基座和中间质量上选取与隔振器上下面板同等面积的区域，然后在当前区域的中心位置处创建一个节点，节点与区域采用分布式耦合方式连接，保证区域内的单元正常变形，之后区域中心处节点与弹簧连接；采用此种方法可实现隔振抗冲元件与基座和中间质量之间采用面与面连接，与工程实际相符合，既可保证冲击能量的正常传递，又可实现设备受到冲击倾斜时力矩的传递。上述方法可在商业软件基础上通过脚本语言实现。
**定义弹簧单元
**单元号，节点号1，节点号2
*Element,type＝Spring2,elset＝弹簧
15,1,11
16,2,12
……
**定义弹簧F-S曲线
*Connector Elasticity,nonlinear,component＝2
0,0
10,0.003
20,0.0045
……
所述模块M2.2包括：隔振器选用元件冲击特性F-S曲线，定义弹簧的变形与受力关系；模拟限位器的弹簧单元根据限位间隙设定限位器受力零位，超过限位间隙后根据限位器刚度设定F-S曲线。该方法设定限位器刚度后，计算结果中可见明显的由于限位作用产生的二次冲击，与实际冲击测试吻合，大幅提升了计算精度，可在设备研发阶段有效指导设备的抗冲击设计。
限位器，平时不会发挥作用，其安装就与设备机脚留有间隙。当收到冲击时，基座和设备产生大位移时，大于预留的间隙，限位器发挥作用，阻止位移继续扩大。考虑了限位器的作用，限位器定义为非线性的刚度，更逼近真实情况，提高了计算的精度。计算模型里定义了限位器的参数，计算结果中限位器上层的设备的加速度响应曲线会产生加速度凸起，是明显的二次冲击的波形。
隔振元件的F-S曲线,隔振器和限位器都有，隔振器的曲线为连续的，限位器的曲线是非线性的，在S大于间隙时才会有F变化。
**定义弹簧单元
**单元号，节点号1，节点号2
*Element,type＝Spring2,elset＝限位器
1,1,12
2,2,13
……
**定义限位间隙及限位器F-S曲线
*Connector Elasticity,nonlinear,component＝2
-1e+20, -1.
-160000.,-0.02
0., -0.01
0., 0.
0., 0.01
160000., 0.02
1e+20, 1.
具体地，所述模块M3包括：
模块M3.1：根据实船冲击试验获取的冲击载荷和/或现行标准给出的冲击载荷，通过现有软件的脚本语言，将冲击载荷定义为加速度-时间历程曲线，并以冲击载荷时间历程曲线和冲击载荷加速度曲线形式给出；
模块M3.2：释放船舶设备冲击计算模型中下层隔振抗冲元件作用方向的自由度，约束冲击作用方向之外的自由度，在下层隔振抗冲元件的底部施加冲击载荷时间历程曲线，使其与实际情况基本一致，以提高计算精度。
下层隔振抗冲元件是隔振器和限位器。
**定义冲击载荷曲线
*Amplitude,name＝Amp-1
0.,0.,0.0002856,63.,0.0005712,126.,0.0008568,189. 0.0011424,……
**约束冲击作用方向以外的其他自由度
*Boundary
BC,1,1
BC,2,2
BC,4,4
BC,5,5
BC,6,6
**在冲击作用方向施加载荷
*Boundary,amplitude＝Amp-1,type＝ACCELERATION
BC,3,3,1
具体地，所述模块M4包括：冲击响应计算是在时域开展的，其冲击加速度响应曲线包含了多种频率成分(包括低频、中频和高频)，而“静G法”中的加速度值(g)是频域中的数值，查询提出该方法的国外资料，其定义为装置和设备组成的系统一阶冲击方向固有频率对应的加速度值。按照船舶设备冲击计算模型中的固有频率，并根据归一化原则得出模态在六个自由度方向上的参与因子，识别出冲击方向的一阶模态频率，并以一阶模态频率的2.5倍数进行加速度时历曲线滤波，得到的加速度峰值视为“静G法”中的加速度值，根据“静G法”中的加速度评估船舶设备的抗冲击能力。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (8)
1.一种船舶设备高精度冲击计算方法，其特征在于，包括：
步骤M1：通过隔振抗冲元件冲击刚度试验测试，获得元件冲击特性F-S曲线；
步骤M2：在有限元软件中根据获得元件冲击特性F-S曲线，建立准确的船舶设备冲击计算模型；
步骤M3：利用冲击载荷对船舶设备冲击计算模型进行载荷施加；
步骤M4：对船舶设备冲击计算模型载荷施加后，对船舶设备进行响应评估；
所述船舶设备冲击计算模型包括隔振器、限位器、中间质量，隔振器和限位器采用弹簧单元模拟；
所述元件冲击特性F-S曲线是指隔振抗冲元件冲击特征力传感器测量冲击过程中的动态力和激光位移传感器测量冲击过程中的被测元件的垂向实时变形情况曲线；
所述步骤M2包括：
步骤M2.1：在有限元软件中将隔振抗冲元件与基座、中间质量进行连接；
步骤M2.2：对隔振抗冲元件进行强非线性模拟；
所述隔振抗冲元件包括隔振器和限位器；
所述步骤M2.1包括：将所述隔振抗冲元件等效为弹簧阻尼单元，在基座和中间质量上选取与隔振器上下面板同等面积的区域，然后在当前区域的中心位置处创建一个节点，节点与区域采用分布式耦合方式连接，之后区域中心处节点与弹簧连接；
所述步骤M2.2包括：隔振器选用元件冲击特性F-S曲线，定义弹簧的变形与受力关系；模拟限位器的弹簧单元根据限位间隙设定限位器受力零位，超过限位间隙后根据限位器刚度设定F-S曲线。
2.根据权利要求1所述的船舶设备高精度冲击计算方法，其特征在于，所述步骤M1包括：
步骤M1.1：采用力传感器测量冲击过程中的动态力，采用激光位移传感器测量冲击过程中的被测元件的垂向实时变形情况，采用LMS数据采集仪对冲击测试数据进行采集分析；
步骤M1.2：对隔振抗冲元件进行预实验，使隔振抗冲元件调整至预设状态；
步骤M1.3：隔振抗冲元件调整至预设状态后，对隔振抗冲元件做不同冲击输入速度下的冲击试验，并记录冲击数据；
步骤M1.4：将记录的冲击数据的力传感器测量冲击过程中的动态力和激光位移传感器测量冲击过程中的被测元件的垂向实时变形情况加以低通滤波，然后拟合不同冲击输入速度下的F-S曲线，获取元件冲击特性F-S曲线。
3.根据权利要求1所述的船舶设备高精度冲击计算方法，其特征在于，所述步骤M3包括：
步骤M3.1：根据实船冲击试验获取的冲击载荷和/或现行标准给出的冲击载荷，将冲击载荷定义为加速度-时间历程曲线，并以冲击载荷时间历程曲线和冲击载荷加速度曲线形式给出；
步骤M3.2：释放船舶设备冲击计算模型中隔振抗冲元件作用方向的自由度，约束冲击作用方向之外的自由度，在隔振器和限位器的底部施加冲击载荷时间历程曲线。
4.根据权利要求1所述的船舶设备高精度冲击计算方法，其特征在于，所述步骤M4包括：按照船舶设备冲击计算模型中的固有频率，根据归一化原则识别出冲击方向的一阶模态频率，并以一阶模态频率的预设值倍数进行冲击载荷加速度曲线和冲击载荷时间历程曲线滤波，得到的加速度峰值视为“静G法”中的加速度值，根据“静G法”中的加速度评估船舶设备的抗冲击能力。
5.一种船舶设备高精度冲击计算系统，其特征在于，包括：
通过隔振抗冲元件冲击刚度试验测试，获得元件冲击特性F-S曲线；
模块M2：在有限元软件中根据获得元件冲击特性F-S曲线，建立准确的船舶设备冲击计算模型；
模块M3：利用冲击载荷对船舶设备冲击计算模型进行载荷施加；
模块M4：对船舶设备冲击计算模型载荷施加后，对船舶设备进行响应评估；
所述船舶设备冲击计算模型包括隔振器、限位器、中间质量，隔振器和限位器采用弹簧单元模拟；
所述元件冲击特性F-S曲线是指隔振抗冲元件冲击特征力传感器测量冲击过程中的动态力和激光位移传感器测量冲击过程中的被测元件的垂向实时变形情况曲线；
所述模块M2包括：
模块M2.1：在有限元软件中将隔振抗冲元件与基座、中间质量进行连接；
模块M2.2：对隔振抗冲元件进行强非线性模拟；
所述隔振抗冲元件包括隔振器和限位器；
所述模块M2.1包括：将所述隔振抗冲元件等效为弹簧阻尼单元，在基座和中间质量上选取与隔振器上下面板同等面积的区域，然后在当前区域的中心位置处创建一个节点，节点与区域采用分布式耦合方式连接，之后区域中心处节点与弹簧连接；
所述模块M2.2包括：隔振器选用元件冲击特性F-S曲线，定义弹簧的变形与受力关系；模拟限位器的弹簧单元根据限位间隙设定限位器受力零位，超过限位间隙后根据限位器刚度设定F-S曲线。
6.根据权利要求5所述的船舶设备高精度冲击计算系统，其特征在于，所述通过隔振抗冲元件冲击刚度试验测试，获得元件冲击特性F-S曲线包括：
采用力传感器测量冲击过程中的动态力，采用激光位移传感器测量冲击过程中的被测元件的垂向实时变形情况，采用LMS数据采集仪对冲击测试数据进行采集分析；
对隔振抗冲元件进行预实验，使隔振抗冲元件调整至预设状态；
隔振抗冲元件调整至预设状态后，对隔振抗冲元件做不同冲击输入速度下的冲击试验，并记录冲击数据；
将记录的冲击数据的力传感器测量冲击过程中的动态力和激光位移传感器测量冲击过程中的被测元件的垂向实时变形情况加以低通滤波，然后拟合不同冲击输入速度下的F-S曲线，获取元件冲击特性F-S曲线。
7.根据权利要求5所述的船舶设备高精度冲击计算系统，其特征在于，所述模块M3包括：
模块M3.1：根据实船冲击试验获取的冲击载荷和/或现行标准给出的冲击载荷，将冲击载荷定义为加速度-时间历程曲线，并以冲击载荷时间历程曲线和冲击载荷加速度曲线形式给出；
模块M3.2：释放船舶设备冲击计算模型中隔振抗冲元件作用方向的自由度，约束冲击作用方向之外的自由度，在隔振器和限位器的底部施加冲击载荷时间历程曲线。
8.根据权利要求5所述的船舶设备高精度冲击计算系统，其特征在于，所述模块M4包括：按照船舶设备冲击计算模型中的固有频率，根据归一化原则识别出冲击方向的一阶模态频率，并以一阶模态频率的预设值倍数进行冲击载荷加速度曲线和冲击载荷时间历程曲线滤波，得到的加速度峰值视为“静G法”中的加速度值，根据“静G法”中的加速度评估船舶设备的抗冲击能力。
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