船用燃机排气装置水下冲击的有限元计算
燃气轮机排气装置是舰艇上常见的对舰艇动力装置尾气排放的一种有效冷却方式, 以有效的冷却排气温度和降低舰艇的红外特征, 避免被敌方的红外监测设备发现跟踪的危险。装置安装在舰船的上层建筑上, 离舰船的质量中心较远, 除了在巡航时要承受舰船左右和前后摇摆而产生的离心力, 在战争状态时, 则可能受到来自水下冲击的威胁。因此, 在设计舰船的装置时, 除了要能够有效抑制其红外特征外, 还要充分考虑到装置要满足一定的强度、刚度的要求。基于此, 本文采用了大型计算软件ANSYS LS-DYNA[1], 对装置进行了动力学的计算和分析;为装置在结构上的改进设计提供了理论依据。
1 计算模型
该燃气轮机排气装置是由混合管, 扩压环, 屏蔽罩, 支座等部件组成。其上半部是根据气膜冷却原理设计的四个叠套的薄壁圆台筒形的扩压环。每个扩压环之间用径向的肋板相连。下半部是屏蔽罩, 内有气流混合管 (薄壁筒形) 。混合管与屏壁罩之间也用径向肋板相连。在装置的下半部, 沿周向设有八个悬挂式支座, 它们穿过屏壁罩, 焊接在混合管上。为增加刚度, 每个扩压环及屏壁罩的下缘均用钢环加强。由于装置的板和圆筒的厚度与整个模型的高度相比达到1000∶1以上, 加强钢环是由等截面的细长不锈钢条组成, 因此计算可采用2维壳单元和一维的线单元的模型。在计算过程中, 在不影响结构分析的基础上, 对结构上的一些细微结构进行了适当的简化。支座处的网格划分采用正方形六面体网格进行划分, 相对于一般采用的四面体网格, 这种网格保证了计算的精度。整个计算模型共划分了18431个单元和20176个节点。
2 边界条件
在支座处的网格划分中, 8个支座与混合管和屏遮罩贯通相连, 形成一个整体, 支座与烟囱支撑平面通过焊接固定, 因此对支座上焊接部位的节点进行位移约束, 将其x, y, z方向的位移约束为0。
3 材料物理参数
由于考虑到装置的燃气排气温度一般不超过100℃, 因此在计算中材料可选择常物性计算。其物理参数如表1所示。
4 材料物理参数
美国在二次世界大战后, 通过大量的实船爆炸实验及相应的理论计算[2], 至今已得出一整套舰船抗冲击设计和考核方法包括制定了抗冲击设计规范MIL2STD2901系列等;德国也制定了相应的舰船抗冲击B V043。
水中非接触爆炸的损害方式主要是水中冲击波作用于艇体, 对舰上装置产生冲击破坏。爆炸产生的能量将以冲击波的形式向周围水介质传播, 冲击波的强度随着距离的增大而呈指数降低。冲击载荷的选用参考了前联邦德国海军军标 (BV 043) 。前联邦德国海军军标 (BV 043) 规定对冲击载荷需考虑两种不同形式, 一是长时冲击模式, 一是短时冲击模式。根据经验, 短时冲击对装置造成的损害更大, 因此, 本文着重讨论短时冲击模式下装置所受到的应力大小及变化情况。
短时冲击模式:对于质量大于2t的结构, 冲击时间为5ms~6ms。取冲击时间为6ms时, 对应的冲击加速度为450m/s2 (参考BV 043表7) 。冲击载荷随时间的变化如图1所示。
根据国军标GJB 1060.1-91对于乙类设备的垂向冲击, 载荷系数为1.0;同时, 考虑到冲击载荷是通过支座传递的, 因此我们把冲击加速度加在支座上, 方向为垂直向上。计算方法采用直接积分法[4]。阻尼系数取为1×10-4。
5 计算结果
图2为底部支座处和顶部扩压环处的应力随时间变化的曲线。
从图2中可以看出:在短时垂向冲击中, 底部支座处的应力较扩压环的应力要大, 其峰值达到230MPa, 两者均以一定的周期进行振荡, 每次振荡的峰值都有所衰减。而在扩压环和遮屏罩连接处的应力峰值仅仅为80MPa。而装置顶部的应力反应时间也要比底部支座处要滞后0.6ms。
6 结语
在垂向冲击模式中, 底部支座处总是最先受到冲击, 并向上传递冲击波能量, 因此在顶部或者中部与底部支座处相比, 会有一个时间上的滞后。而应力峰值的比较上, 顶部也较底部支座处要小得多, 这是因为时间太短, 冲击波未能完全传播至顶部。因此, 在装置的改进过程中, 应着重考虑对底部支座进行加固, 增大其强度, 来避免应力过大对装置造成的损害。
摘要：舰船的燃机排气装置在战争状态下易受到水下冲击的威胁, 其在水下冲击状态的应力情况一般通过实船爆炸实验获得, 但实验周期长, 且成本很高。基于此, 论文提出了使用有限元计算软件对装置进行三维建模来仿真计算, 以此得到装置应力分布及随时间的变化情况, 对装置进一步的结构改良提供了理论依据。该研究结论对舰船上的其他部件在冲击状态下的应力分析提供了一种实用方法, 具有通用性。
关键词：排气装置,应力,水下冲击,ANSYS计算
参考文献
[1] 高兴军, 赵恒华.大型通用有限元分析软件ANSYS简介[J].辽宁石油化工大学学报, 2004 (3) .
[2] 张振华, 朱锡, 白雪飞.水下爆炸冲击波的数值模拟研究[J].爆炸与冲击, 2004, 24 (2) .