单位文秘网 2021-07-22 08:12:50 点击: 次
摘要: 针对船舶上层建筑的多种复杂开口群结构形式,用Abaqus进行数值模拟,得到各工况开口区域的振动频率以及在抨击载荷与惯性力载荷作用下的最大von Mises应力和最大位移.给出开口位置、开口尺寸和开口排列方式等情况对结构强度与刚度的影响规律.结果表明,最大von Mises应力和最大位移均出现在过渡面与舷侧的顶部交际处,最大von Mises应力大小在70~90 MPa,最大位移约为5 mm.
关键词: 集成上建; 开口群; 振动频率; von Mises应力
中图分类号: U661.73文献标志码: B
引言
隐身技术作为提高舰船抗探测和抗打击能力的有效手段,已受到世界各国海军的高度重视.舰艇上层建筑位于水平面以上,其隐身性能的好坏直接影响全舰隐身性能的优劣.
当前,舰艇上层建筑的发展趋势是使舰艇整个平台性能最佳,实现集成化的上层建筑可获得突出的总体性能,所以舰艇集成上层建筑是当今各国海军发展的热点.集成上层建筑彻底改变舰艇上层建筑的面貌,不仅减少上层建筑的质量,而且使舰艇隐身性能获得显著提高,尤其是雷达截面积的减少十分明显.美国最新研制的驱逐舰DDG1000采用的就是集成上部结构联合孔径天线布局.[1]
为满足舰艇隐身的需要,采用集成上层建筑,需要将很多原来安装在上层建筑外侧的设备移到上层建筑内部,并在上层建筑上布置大量开口,确保设备能够正常工作.根据船体结构的相关知识,船体开口过多会导致船体结构整体刚度降低,必须进行开口补强设计,因此,开展集成上层建筑开口群力学特性研究,对集成上层建筑结构设计具有重要意义.
目前,对于船体开口群力学性能的研究较少,主要集中在单一大开口的结构性能研究.王东海等[2]对集装箱船甲板大开口进行强度分析和评估;张阿漫等[3]对在水下爆炸作用下船体大开口结构进行强度校核;王怀柱[4]对船体毗部不规则开口群进行应力集中分析和改进措施研究;于纪军[5]对船体平板龙骨上不规则开口群进行应力集中和强度分析,并提出改进措施.
上述对于开口群的规律性研究较少,本文以美国海军新型多任务驱逐舰DDG1000的集成上层建筑为研究对象,设计4种工况,应用Abaqus软件进行数值模拟,对集成上层建筑进行模态分析和典型载荷作用下的动态力学性能分析,以此研究开口位置、开口尺寸和开口排列方式等对集成上层建筑结构强度和刚度的影响规律.
1数值计算方法
1.1数值计算模型
以美国海军新型多任务驱逐舰DDG1000的集成上层建筑为计算模型,其截面为六边形,上层建筑迎风面内倾15°,舷侧内倾10°,集成上层建筑模型示意见图1.
图 1集成上层建筑模型示意
1.2计算载荷和边界条件
开口群主要位于03甲板以上,一体化上层建筑底部与截面端边界条件对开口群的力学性能影响甚微,因此,将模型的边界条件处理为刚性固定.对于载荷问题,由于上层建筑的开口处搭载的设备质量较大,在舰船摇摆过程中可能产生较大的惯性力载荷,且搭载在上层建筑艏部的设备易遭受飞溅浪花的飞溅载荷作用.因此,在研究开口群区域刚度和强度响应时,主要考虑惯性力载荷和飞溅浪花载荷.
1.3计算工况
设计4种工况进行研究,共8个模型,主要研究开口尺寸、开口位置和开口排列方式等对集成上层建筑开口区域刚度与强度的影响.各工况模型结构示意见图3.(1)工况1:主要研究小开口尺寸对大开口区域的刚度和强度的影响.由模型1,2和3组成.模型1,2和3均在03与05甲板间开一个4 m×4 m的大开口,在大开口正上方的05与06甲板间依次开一个0.5 m×0.5 m,1 m×1 m和2 m×2 m的小开口.(2)工况2:主要研究小开口位置对大开口区域的刚度和强度的影响.由模型4,2和5组成,模型4,2和5均在03与05甲板间开一个4 m×4 m的大开口,在大开口上方的05与06甲板间从左至右依次开一个1 m×1 m的小开口.(3)工况3:主要研究将大开口拆分为小开口时,对开口区域的刚度和强度的影响.由模型6和7组成,模型6在03与04甲板间开一个高2 m,宽4 m的开口;模型7将模型6的开口分为2个2 m×2 m的小开口.(4)工况4:主要研究小开口的排列方式对开口区域的刚度和强度的影响.由模型7和8组成,模型8将模型7的2个开口排列方式变为纵向排列,使之分布在03与05甲板之间.
2集成上层建筑模态分析
在开展上层建筑力学性能之前,对上层建筑的模态进行分析.一方面验证计算模型的准确性,另一方面确定开口群区域的局部振动频率,为开口群区域的结构设计满足频率错开要求提供参考.
应用Abaqus软件进行模态分析,得到区域的第1阶固有频率振动云图,见图4.
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