典型部件对舰船管路系统抗冲击性能影响研究

诸多战例和实船水下爆炸试验表明，舰船在遭受较强的水下爆炸攻击之后，尽管有可能保持船体结构完整，但是其内部的许多机械、设备和舰船武备会遭到功能性的破坏，导致舰船保持不沉性的情况下失去战斗力和生命力。战斗舰船受到水下爆炸攻击时所突出的薄弱环节是舰船设备的抗冲击性能过差，尤其是舰船管系对冲击载荷的抵抗力不够[1-2]。所以，在逐渐认识到舰船设备和其他系统的抗冲击性能的必要性和重要性之后，与管系相关的研究得到了各国海军的重视。 在我国早期开展的实船爆炸试验期间，由于当时的认识有限，并没有对舰船管系的抗冲击成立单独的研究部分，而当时国外的标准和规范中已经包含了管系的抗冲击问题。例如，美国军标MIL-S-901D[3]中，多处提及到管路螺纹连接的规定以及管路与设备间布置要求等，做到了管系冲击试验及验收有章可循。文献[4]通过对舰船管系的多支撑点处不同输入冲击谱的研究，等效出单点冲击谱分析方法。挪威学者在文献[5]中，基于有限元分析软件开发了计算程序，并设计了一套研究管路系统来研究内部流体与管路结构的耦合作用。近些年，随着管路抗冲击的重要性逐渐被认识，相关研究逐渐在各研究部门和高校蔓延开来。沈中祥等[6]基于对舰船管路系统抗冲击环境及其评定标准的研究，设计了一种新型管路固定装置，有效增加了管路的横向、垂向的抗冲击性能。王朝等[7]利用解析法建立空间管路系统在振动载荷下的传递矩阵，可计算管路的频率及响应情况，但仅考虑定常压力及流速的影响，未考虑非常压及流体种类等影响。冯麟涵等[8]提出了基于能量方法的管路简化设计方法，并利用有限元方法对管路抗冲击性能进行了设计和评估。上述对管路系统的研究相对单一，并没有全面掌握管路薄弱部位在受冲击后动态响应特性，进而无法对一套舰船管系的抗冲击性能进行评估。 本文综合考虑舰船管系中所涉及的典型部件，设计并建造了一种空间管系结构，对影响空间管系的抗冲击能力因素进行分析。首先，借鉴以往对舰船管路的研究经验，基于有限元法分析了管路的主要失效模式。然后，根据建立空间管系的需求，对空间管系所涉及模型进行分类。最后，利用冲击试验机对空间管系结构进行冲击试验，通过对试验测得数据的分析，获得了典型部件对空间管系抗冲击安全性能的影响情况，为舰船管系的设计提供了指导意见，以最大限度的防护管路系统，提高舰船的战斗力。 1管路失效模式分析 经过长期对管路系统常见破坏形式的积累和大量的有限元计算分析，发现冲击载荷作用下管路的失效和实际使用过程中管路的损坏是有一定区别的[9]。管路的使用会造成局部区域的疲劳损伤等原因，致使结构出现裂缝导致渗漏问题(见图1)，这与冲击作用下出现相同问题的原因是不一样的。为探究管路系统在冲击载荷作用下的失效模式，首先对简单管路进行在冲击载荷作用下的数值模拟，通过对管路单元内部受力及载荷分布的分析，可以得到构成应力各个分量的组成，归纳出结构在振动过程中的受力组成，明确管路结构的主要运动状态。 图1 实船试验中管系法兰漏水Fig.1 Leakage of pipe flange in ship test 以最简单的单跨直管为研究对象，用壳单元模拟管路，以定义相应的厚度的圆柱壳来代替真实管路，将两端管夹简化为单自由度的弹簧阻尼单元，建立的有限元模型如图2所示。对该模型施加一定的冲击载荷，得到管路三个方向上的应力曲线如图3所示。由图3可知，S22曲线代表管路在长度方向上的正应力曲线，S11为与S22垂直方向的应力分量，S12即剪应力。可以看出，管路单元的正应力在受冲击初期很快出现波峰，然后以一定的周期波动，逐渐衰减。显然，S22的增减表示管路随着时间变化管路单元处于拉压交替的状态。单纯无阻尼梁的自由振动，单元也是应力处于拉压交替的状态，应力值是在0附近上下波动，而图示的曲线“平衡位置”在0轴偏上，表示管路是弯曲振动和轴向拉力共同作用下的结果，但轴向拉力和弯曲正应力相比很小，而且主要是在后期响应衰减部分。所以管路在冲击载荷作用下的主要运动方式是弯曲振动。 图2 Shell单元直管模型Fig.2 Visual model of Shell element 图3 管路单元应力分量曲线Fig.3 Stress component curve of pipeline element 通过管路在冲击载荷作用下主要运动形式分析及前期实船试验积累的大量经验得出，管路的失效模式主要为以下两个方面：①管路的弯曲振动，尤其是细长管路，可能导致管路在支撑中部出现过大的挠度，引起较大的拉伸和压缩应力，也可能使得支撑处(支吊架或者管夹)应力过大，或是管路与设备连接处应力过大，容易出现渗漏等现象；②在管路的弯头及异径管交处本身存在一定的应力集中，在冲击载荷作用下，这种部位可能会出现较大的应力，达到材料的屈服极限，从而导致出现塑性

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