舰船舵密封装置冲击理论建模与仿真研究

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现代战争中,潜艇必然面临着水下非接触爆炸威胁,由于潜艇结构以及艇内设备承受着过大加速度和位移而遭到破坏,导致潜艇散失战斗力。舵传动系统在作战环境中主导着潜艇的操纵性和抗沉性,其中作为舵传动系统的关键部件,舵密封装置影响着潜艇的工作性能和密封安全。因此,研究舵密封装置水下非接触爆炸环境中的冲击响应计算方法对舵密封装置的抗冲击设计具有指导意义。  基于此,本文以舵密封装置为对象,从设计冲击谱、时域冲击载荷以及水下非接触爆炸数值模拟的角度,研究其冲击计算方法,并进行相应的冲击响应计算。研究的具体内容包括:  (1)从反应谱的概念出发,研究了舰艇动态设计方法(DDAM,或称设计冲击谱),并进行时域冲击载荷转换。首先运用模态叠加法,将多自由度系统进行模态坐标转换,并结合杜哈梅积分求解各阶模态响应,采用NRLSUM模态组合法获得设计冲击谱响应。其次提出构造等位移谱线方法,将DDAM法中的两折谱扩展为三折线谱,根据BV043-85规范将冲击谱转换为时域冲击载荷;  (2)研究了舵密封装置的静态特性,计算了设计冲击谱响应,理论推导了填料的轴向应力、径向应力和侧压系数的计算公式;运用有限元法,讨论了轴向位移、轴向应力、径向应力、侧压系数和侧压系数比随摩擦系数和压盖预紧力的变化趋势,对比了理论计算和有限元计算结果。除此之外,以舵密封装置的简化力学模型为例,阐述了舰船冲击“谱跌”现象,建立了舵密封装置的有限元模型,并运用DDAM法计算得到冲击响应;  (3)对舵密封装置时域冲击计算方法展开了研究。采用了梁单元与实体单元耦合法简化舵密封装置有限元模型,分析了单元耦合前后的模态变化。在此基础上,分别运用无阻尼自由度耦合法、无阻尼接触算法、有阻尼接触算法和填料壳体双点支承法仿真了舵密封装置的时域冲击响应。通过各方法响应结果的对比分析,得到了合适的填料密封装置时域冲击计算方法;  (4)研究了水下非接触近场冲击载荷理论和流固耦合理论。首先理论分析了水下爆炸冲击波的特点以及伴随产生的气泡运动和脉动机理,给出了冲击波压力峰值经验公式。其次,基于 ALE(任意拉格朗日-欧拉算法)、Lagrange和Euler坐标系映射关系和材料时间导数,推导了ALE流固耦合控制方程。最后,以钢板结构受水下TNT非接触爆炸冲击为例,对比分析了冲击压力波峰经验公式与数值计算方法结果,同时运用流固耦合理论得到了钢板结构的冲击响应。
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