0 引言
船舶設(shè)備和系統(tǒng)管路抗沖擊設(shè)計(jì)是船舶生命力的重要保障。一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)船舶抗沖擊研究的重點(diǎn)主要集中在船體、設(shè)備的抗沖擊上，而對(duì)管路抗沖擊的研究較少。現(xiàn)有的船舶管路抗沖擊研究成果中，陳剛針對(duì)國(guó)內(nèi)外艦艇管路系統(tǒng)抗沖擊技術(shù)方面的技術(shù)進(jìn)展，從艦艇管路系統(tǒng)沖擊研究的方法、模型和模擬計(jì)算、艦艇管路系統(tǒng)(抗)沖擊試驗(yàn)、艦艇管路系統(tǒng)沖擊環(huán)境預(yù)報(bào)和仿真、艦艇管路系統(tǒng)抗沖擊設(shè)計(jì)評(píng)估、艦艇管路系統(tǒng)沖擊標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范以及艦艇管路系統(tǒng)抗沖擊元器件研制等方面對(duì)國(guó)外工作進(jìn)行了總結(jié)評(píng)述。其中也提到有管道應(yīng)力分析軟件支持了美國(guó)海軍艦艇管路系統(tǒng)的計(jì)算分析及模擬。王秋穎應(yīng)用有限元分析軟件基于梁?jiǎn)卧?jiǎn)化方法的模擬，對(duì)蒸汽管路進(jìn)行沖擊譜加載計(jì)算，找出薄弱環(huán)節(jié)，并增加管路抗沖擊元件，改善了結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。周維星利用傳遞矩陣法求解管路振動(dòng)固有頻率，并結(jié)合模態(tài)疊加法實(shí)現(xiàn)了管路動(dòng)態(tài)響應(yīng)的模擬。查友其等針對(duì)船用海水冷卻管路根據(jù)BV規(guī)范施加沖擊載荷，對(duì)其沖擊響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并提出管路系統(tǒng)在沖擊載荷作用下管路的抗沖擊性能。
船舶管路系統(tǒng)是復(fù)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(guó)內(nèi)現(xiàn)有的管路抗沖擊研究大部分是采用有限元軟件，基于梁?jiǎn)卧Ｐ瓦M(jìn)行管路系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析，建立模型工作量大，計(jì)算耗費(fèi)資源，耗時(shí)長(zhǎng)。
本文將利用常用的管道應(yīng)力分析軟件，基于梁?jiǎn)卧Ｐ徒⒛炒跋到y(tǒng)管路模型，根據(jù)常用的三折線沖擊譜作為輸入載荷，進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)管路抗沖擊性能進(jìn)行評(píng)估。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用阻尼支架后的抗沖擊性能進(jìn)行了對(duì)比分析。
1 管道沖擊載荷及邊界條件
1.1 沖擊載荷
在沖擊環(huán)境下，船舶系統(tǒng)設(shè)備在不同部位、不同支撐形式條件下會(huì)有不同的沖擊輸入。管路系統(tǒng)沖擊響應(yīng)分析主要有三種方法：?jiǎn)吸c(diǎn)沖擊譜分析法、多點(diǎn)沖擊譜分析法和時(shí)間歷程分析法。單點(diǎn)沖擊譜采用管路系統(tǒng)的所有支撐點(diǎn)沖擊譜的包絡(luò)，或采用各點(diǎn)中最大的沖擊作為所有點(diǎn)的沖擊譜輸入，對(duì)空間三個(gè)正交方向的每一方向，構(gòu)建各自的等效沖擊譜，并分別進(jìn)行分析，忽視了多點(diǎn)沖擊輸入幅值的差異以及多點(diǎn)之間相位的不同，最為保守。采用沖擊譜多點(diǎn)輸入方法，不僅能考慮載荷在不同部位的差異性，同時(shí)還能考慮外力載荷的相位差對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。
沖擊載荷國(guó)內(nèi)常用的是三折線設(shè)計(jì)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(lì)；在中頻段，沖擊載荷主要是速度激勵(lì);在高頻段，沖擊載荷主要是加速度激勵(lì)。本文以該三折線譜作為單點(diǎn)沖擊譜，進(jìn)行管道系統(tǒng)的沖擊計(jì)算。
圖1 設(shè)計(jì)譜示意圖
1.2 設(shè)備建模
以船舶某典型系統(tǒng)為例，管路系統(tǒng)建模包括管路、法蘭、閥門、波紋管膨脹節(jié)以及相關(guān)的支吊架。
在管路系統(tǒng)模型中需要考慮閥門、法蘭及設(shè)備等附件對(duì)系統(tǒng)管路振動(dòng)特性的影響，閥門和法蘭僅考慮其集中質(zhì)量效應(yīng)對(duì)管路沖擊造成的影響，故閥門建模時(shí)視為集中質(zhì)量，模型為帶有質(zhì)量剛體。
管路中的設(shè)置的金屬波紋管膨脹節(jié)采用專門的膨脹節(jié)模塊建模，并模擬膨脹節(jié)真實(shí)的約束關(guān)系。
管路在艙室通過(guò)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(jié)構(gòu)上，建模中認(rèn)為管路支吊架等具備相應(yīng)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(shè)計(jì)的依據(jù)。
1.3 邊界條件假設(shè)
該典型系統(tǒng)前后連接設(shè)備，中部通過(guò)穿艙管件與船體結(jié)構(gòu)相連。對(duì)于與設(shè)備相連的管端，由設(shè)備提出在工作溫度的位移作為載荷輸入;管路通過(guò)穿艙管件與船體相連視為固定約束。設(shè)備連接部位設(shè)置金屬波紋管膨脹節(jié)，建立詳細(xì)模型模擬其剛度及位移補(bǔ)償特性。
2 管路沖擊響應(yīng)分析
根據(jù)沖擊載荷，分別在管路系統(tǒng)上進(jìn)行橫向和垂向沖擊計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果表明管路的固定支架接頭、彎頭處是應(yīng)力最大的區(qū)域，出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力水平較高甚至達(dá)到了塑性變形的程度。橫向和垂向沖擊載荷下應(yīng)力水平見圖3所示。
圖3 管路系統(tǒng)沖擊計(jì)算結(jié)果
從圖3中可以看出，管道系統(tǒng)中應(yīng)力最大的區(qū)域均是位于閥門等質(zhì)量集中點(diǎn)的附近。在沖擊載荷時(shí)，集中質(zhì)量點(diǎn)位移造成相連鄰近區(qū)域彎曲應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致。應(yīng)力最大點(diǎn)位于撓性接管附近的固定支架處。撓性接管是系統(tǒng)剛度最小的區(qū)域，其后部閥門在沖擊載荷下的造成連接部位的應(yīng)力水平是系統(tǒng)最大應(yīng)力處。
管道在沖擊工況下最大應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)了許用應(yīng)力240MPa，為此，在質(zhì)量集中區(qū)域節(jié)點(diǎn)15-16之間、節(jié)點(diǎn)8-9之間支吊架替換為阻尼支吊架，并進(jìn)行驗(yàn)算。以橫向沖擊為例，其計(jì)算結(jié)果見圖4所示。從圖中可以看出，設(shè)置阻尼支吊架后可以大幅降低管路系統(tǒng)應(yīng)力水平，提高系統(tǒng)抗沖擊性能。
圖4 管路系統(tǒng)應(yīng)用阻尼支架前后沖擊計(jì)算對(duì)比
3 結(jié)論
本文基于常見的三折線沖擊設(shè)計(jì)譜進(jìn)行了某系統(tǒng)管道的沖擊計(jì)算，具體介紹了基于管道應(yīng)力分析軟件進(jìn)行沖擊計(jì)算的管路及附件建模模擬方法，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)、系統(tǒng)應(yīng)用阻尼支架后的沖擊性能進(jìn)行研究，結(jié)論如下：
(1)系統(tǒng)管路質(zhì)量集中附近的固定支架接口處、彎頭等部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，是系統(tǒng)應(yīng)力最大的部位。
(2)阻尼支架的應(yīng)用對(duì)提高管道系統(tǒng)抗沖擊效果是明顯的。
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本文標(biāo)題：典型船舶管道系統(tǒng)沖擊響應(yīng)分析
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