利用实验获得的加速度计算系统的冲击响应

　　前 言

　　冲击动力学分析与计算数学模型的建立是研究冲击问题的关键,冲击过程和其他动态过程一样,也有激励、响应和系统性三个环节,而响应量值是衡量冲击危害的直接指标。舰船实际环境中的冲击载荷相当复杂,因为我们不可能知道冲击载荷的时空分布特性。燃气轮机机组是通过减振器支承在船体骨架上,在振动冲击条件下有力的传递,而这种冲击载荷的时间和空间分布特性的大小及相位很难定量确定,且在计算时受到边界条件的限制[1]。尤其是自由)自由条件,输入力无法控制。如用位移输入则实际测量困难,往往要从加速度积分两次得到相应的位移,显然会带来误差。本文采用直接输入实验获得的加速度,既方便又可以弥补上述两种输入带来的缺陷。

　　一般而言,冲击时系统动力特性是非线性的。在计算响应之前,必须对模拟减振器分别用静、动态试验求得它的振动特性和对系统模型单独进行有限元计算和实验模态参数识别,然后将底座、箱装体和减振器组合,再进一步计算冲击加速度响应和试验验证。本文针对某燃气轮机箱装体结构在确定其计算模型的基础上,采用了一种以冲击试验获取加速度值为初始激励的输入特性来计算箱装体任意一点响应。以Newmark方法为基础,并考虑了机座减振器及冲击位移而引起的刚度非线性影响,整个计算在大型有限元分析软件ANSYS上完成。

　　1 计算模型及方法

　　根据舰用燃气轮机的具体特点,当舰艇受到冲击作用时(水下爆炸或受到炮弹攻击时),燃气轮机机座受到的冲击相当于初始位移激励,冲击力由机座下面的减振器向机组各部分传递。

　　设一具有N自由度的结构系统,其力学模型见图1所示,基础受到一个初始位移yo的激励,取各点的绝对位移坐标为Z,各点对基础的相对位移为Xi,则系统的运动方程写成

式中[M]为系统的质量矩阵

　　这样该系统可当量为基础固定,在每个质量上作用着相应的惯性力

　　由以上分析可知仅得到橡胶减振器组件的输入加速度就可求得箱装体上任一点的相应加速度。本文分析采用HP公司的ANSYS大型计算软件。以Newmark时间积分法求解方程[2],使用有限差分以时间间隔Δt来展开。在每个时间间隔的起点和终点建立动力平衡条件。结构的非线性特性可用每个时间起点所求得的当前变形状态来表述。利用本计算,时间终点的速度和位移作为下一个计算时间的初始条件,从而得到整体响应。在该方法中,根据文献[3]假定,第n+1点的速度可表示为: