典型船舶管道系統沖擊響應分析【轉發】

2018-04-03  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

船舶設備和系統管路抗沖擊設計是船舶生命力的重要保障。一直以來,國內船舶抗沖擊研究的重點主要集中在船體、設備的抗沖擊上,而對管路抗沖擊的研究較少。現有的船舶管路抗沖擊研究成果中,陳剛針對國內外艦艇管路系統抗沖擊技術方面的技術進展,從艦艇管路系統沖擊研究的方法、模型和模擬計算、艦艇管路系統(抗)沖擊試驗、艦艇管路系統沖擊環境預報和仿真、艦艇管路系統抗沖擊設計評估、艦艇管路系統沖擊標準及規范以及艦艇管路系統抗沖擊元器件研制等方面對國外工作進行了總結評述。其中也提到有管道應力分析軟件支持了美國海軍艦艇管路系統的計算分析及模擬。王秋穎應用有限元分析軟件基于梁單元簡化方法的模擬,對蒸汽管路進行沖擊譜加載計算,找出薄弱環節,并增加管路抗沖擊元件,改善了結構的響應。周維星利用傳遞矩陣法求解管路振動固有頻率,并結合模態疊加法實現了管路動態響應的模擬。查友其等針對船用海水冷卻管路根據BV規范施加沖擊載荷,對其沖擊響應進行數值模擬,并提出管路系統在沖擊載荷作用下管路的抗沖擊性能。

船舶管路系統是復雜而空間走向又多變,且受限于船舶空間的限制,存在各種各樣的支撐形式和支吊架的約束。國內現有的管路抗沖擊研究大部分是采用有限元軟件,基于梁單元模型進行管路系統動力學分析,建立模型工作量大,計算耗費資源,耗時長。

本文將利用常用的管道應力分析軟件,基于梁單元模型建立某船舶系統管路模型,根據常用的三折線沖擊譜作為輸入載荷,進行數值模擬,對管路抗沖擊性能進行評估。同時對系統應用阻尼支架后的抗沖擊性能進行了對比分析。

1.1 沖擊載荷>

在沖擊環境下,船舶系統設備在不同部位、不同支撐形式條件下會有不同的沖擊輸入。管路系統沖擊響應分析主要有三種方法:單點沖擊譜分析法、多點沖擊譜分析法和時間歷程分析法。單點沖擊譜采用管路系統的所有支撐點沖擊譜的包絡,或采用各點中最大的沖擊作為所有點的沖擊譜輸入,對空間三個正交方向的每一方向,構建各自的等效沖擊譜,并分別進行分析,忽視了多點沖擊輸入幅值的差異以及多點之間相位的不同,最為保守。采用沖擊譜多點輸入方法,不僅能考慮載荷在不同部位的差異性,同時還能考慮外力載荷的相位差對結構的影響。

沖擊載荷國內常用的是三折線設計譜,典型的三折線沖擊譜見圖1所示。在低頻段,沖擊載荷主要是位移激勵;在中頻段,沖擊載荷主要是速度激勵;在高頻段,沖擊載荷主要是加速度激勵。本文以該三折線譜作為單點沖擊譜,進行管道系統的沖擊計算。

圖1 設計譜示意圖

1.2 設備建模>

以船舶某典型系統為例,管路系統建模包括管路、法蘭、閥門、波紋管膨脹節以及相關的支吊架。

在管路系統模型中需要考慮閥門、法蘭及設備等附件對系統管路振動特性的影響,閥門和法蘭僅考慮其集中質量效應對管路沖擊造成的影響,故閥門建模時視為集中質量,模型為帶有質量剛體。

管路中的設置的金屬波紋管膨脹節采用專門的膨脹節模塊建模,并模擬膨脹節真實的約束關系。

管路在艙室通過大量的彈簧吊架、彈簧阻尼吊架、通艙管件、固定支架等支撐固定在船體結構上,建模中認為管路支吊架等具備相應的剛度和阻尼,不考慮其在沖擊中的破壞,其沖擊中的受力情況可作為支吊架設計的依據。

1.3 邊界條件假設

該典型系統前后連接設備,中部通過穿艙管件與船體結構相連。對于與設備相連的管端,由設備提出在工作溫度的位移作為載荷輸入;管路通過穿艙管件與船體相連視為固定約束。設備連接部位設置金屬波紋管膨脹節,建立詳細模型模擬其剛度及位移補償特性。

根據沖擊載荷,分別在管路系統上進行橫向和垂向沖擊計算,其計算結果表明管路的固定支架接頭、彎頭處是應力最大的區域,出現了應力集中現象,應力水平較高甚至達到了塑性變形的程度。橫向和垂向沖擊載荷下應力水平見圖3所示。

圖3 管路系統沖擊計算結果

從圖3中可以看出,管道系統中應力最大的區域均是位于閥門等質量集中點的附近。在沖擊載荷時,集中質量點位移造成相連鄰近區域彎曲應力過大導致。應力最大點位于撓性接管附近的固定支架處。撓性接管是系統剛度最小的區域,其后部閥門在沖擊載荷下的造成連接部位的應力水平是系統最大應力處。

管道在沖擊工況下最大應力已經超過了許用應力240MPa,為此,在質量集中區域節點15-16之間、節點8-9之間支吊架替換為阻尼支吊架,并進行驗算。以橫向沖擊為例,其計算結果見圖4所示。從圖中可以看出,設置阻尼支吊架后可以大幅降低管路系統應力水平,提高系統抗沖擊性能。

圖4 管路系統應用阻尼支架前后沖擊計算對比

本文基于常見的三折線沖擊設計譜進行了某系統管道的沖擊計算,具體介紹了基于管道應力分析軟件進行沖擊計算的管路及附件建模模擬方法,同時對系統的沖擊響應、系統應用阻尼支架后的沖擊性能進行研究,結論如下:

(1)系統管路質量集中附近的固定支架接口處、彎頭等部位出現了應力集中現象,是系統應力最大的部位。

(2)阻尼支架的應用對提高管道系統抗沖擊效果是明顯的。

本文來源于網絡作者:楊鵬舉 周雅杰 張延偉

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