典型部件对舰船管路系统抗冲击性能影响研究(2)

变形，某些塑性变形虽不足以使管路发生断裂失效，但其对管路整体的水密性会造成不可忽略的影响。 2管系模型分类 舰船管路的冲击问题，归根结底就是多自由度系统在支座冲击激励作用下运动的力学问题。冲击问题是一个比较复杂的问题，包括冲击载荷的波形、脉宽、幅值；而结构的响应又取决于结构的固有频率、振型和激励载荷的频率[10]。为了对管路系统的冲击运动进行探究，对管路系统进行了适当的分类，以便于观察和总结其中的规律，为建立空间管路系统奠定基础。 2.1 管路力学模型 为验证管路力学简化模型的有效性，按照舰船管路系统的复杂程度，建立了最简单的力学模型，包括单跨直管和多跨直管力学模型。由单自由度系统在支座激励下的运动可知，激励可以转化为结构上的加速度载荷。单跨直管的力学模型如图4所示。该力学模型可作为一种参考，考虑管夹、工装件等参数对管路系统冲击响应的影响。相同载荷作用下结构的响应与边界条件的确定有关，因此对多跨管需要设置多种边界条件进行数值仿真计算，为选取合适的边界条件提供依据。经前期大量数值模拟工作并综合考虑管路尺寸、冲击台大小、加载能力等实验条件，设计出两支撑点的3跨管路模型冲击试验。简化后的三跨直管的力学模型，如图5所示[11]。简化后三跨试验模型与原模型的计算结果对比数据显示，保证弯矩相等的简化方法的计算精度在10%以内，可以满足工程应用需求。 图4 单跨直管力学模型Fig.4 Mechanical model of single span straight pipe 图5 多跨直管力学模型Fig.5 Mechanical model of multi span straight pipe 2.2 管路危险截面模型 大量的实船和仿真结果都显示，管路的三通和弯头区域为管路结构的危险截面，受到载荷作用会出现较大的应力集中现象，认为是容易出现破坏管路危险区域[12]。因此，设计出两种管路危险截面模型。由于冲击台的尺寸限制了模型的整体大小，长度为3L的三通管模型无法实现加载。需要对模型进行受力分析，得到结构内部的受力分布，进而完成对模型的简化处理。通过前期的大量计算分析，最终得到等效的三通管路模型如图6所示。在安装舰船管路过程中，通常会根据实际布置需求，改变弯管的走向、弯曲程度等，导致弯管的模型难以建立，故本次将综合考虑加工能力、试验条件等多因素安排弯管位置。 图6 三通管等效模型示意图Fig.6 The equivalent model of tee branch 3空间管系试验 3.1 试验条件介绍 为更好地了解管路系统的抗冲击性能，展开管路系统的抗冲击性能试验研究是一种较为可靠、直接的方法。目前，国内舰船上管路系统大多采用铜镍合金(B10)，近几年来，出现一种新兴管系材料——钛合金(TA2)。此种材料具有优异的耐腐性和抗高速海水冲刷性能，较大的屈服强度和较低的密度，具有良好的力学性能及生物相容性，特别适于制造工作介质为高压、高流速海水的管路[13]。用TA2材料制造的船舶的管路及配件，不但可以减少管路壁厚的腐蚀设计裕量，在流速保持不变的情况下可通过增大流速来降低管路直径，减轻管路质量[14]。国外已经有采用全钛海水管系的先例，我国也正在积极尝试制备全钛海水管路。 本次研究中，以TA2管路为研究对象，根据不同管路材料的使用标准[15]，采用公称直径为28 mm，壁厚为2 mm的管路制作空间管系。在确定试验模型后，在500 kg冲击试验台上进行冲击试验，分别利用BK4384V加速度传感器、3/350LE11S-6应变片测量模型典型部位的加速度试验数据和应变，整个空间管系受到冲击烈度为谱加速度80g，谱速度4.0 m/s，谱位移6.0 cm，按照德国舰船建造规范的转换准则：BV0430-85[16]，将冲击谱简化成时域的载荷曲线如图7所示。 3.2 试验模型及测点分布 在舰船管系特点的基础上，考虑冲击试验台的加载能力、模型加工工艺要求和试验费用等问题，确定试验模型，主要设计管路结构类型、管路的走向，管路系统元器件布置、管路配重、连接形式、管夹布置等。最终设计空间管系的三维模型如图8所示。模型中的工装件均采用Q235材质钢，试验过程中共布置12个应变通道(三通管及弯管处采用应变花)，4个加速度通道(三个测点布置在模型上，一个测台面的冲击加速度)，具体信息如表1、表2所示。 图7 冲击载荷时域曲线Fig.7 The time domain curve of impact lood 图8 空间管系模型Fig.8 The model of space pipelines 编号位置3-1阀门左侧管路上表面3-2阀门右侧管路上表面3-3管路中点3-4法兰附近管路上表面3-53-63-7弯头侧翼(应变花)3-83-93-

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