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沖擊是指系統(tǒng)在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)(通常以毫秒計(jì))，受到瞬態(tài)激勵，其位移、速度或加速度突然發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。在海戰(zhàn)中，海軍艦艇不可避免地會受到水中兵器的攻擊，承受沖擊作用。一次世界大戰(zhàn)中，西方海軍意識到艦船抗沖擊的重要性，即開始該領(lǐng)域的研究。馬島戰(zhàn)爭暴露出艦船抗沖擊能力不足的問題，使得西方海軍凍結(jié)了艦艇的建造計(jì)劃，在執(zhí)行一系列提高艦艇抗沖擊性能的補(bǔ)救措施后才恢復(fù)正常，并要求首制艦必須進(jìn)行實(shí)船抗沖擊試驗(yàn)。由于民用船舶在戰(zhàn)時(shí)往往被征召成運(yùn)輸船，受到水雷攻擊的可能性很大，在建造時(shí)也應(yīng)該考慮抗沖擊性能。因此，艦船的抗沖擊性能有限元分析研究是一項(xiàng)普遍性強(qiáng)、意義十分重大的工作。
國外試驗(yàn)表明，艦載機(jī)電設(shè)備往往比船體結(jié)構(gòu)更易于遭受沖擊破壞。國外制定了設(shè)備抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)，比較典型的有德國的BV043/85和美國的MIL901D，并隨著水中兵器威脅的增加而不斷地提高要求。國內(nèi)也制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，但由于經(jīng)費(fèi)不足的原因，對設(shè)備抗沖擊性能的研究和實(shí)際執(zhí)行力度都沒有國外深入，存在相當(dāng)?shù)牟罹�。艦用柴油機(jī)是艦艇的動力來源，要求柴油機(jī)具備較高的抗沖擊性能。因此，艦用設(shè)備和柴油機(jī)的抗沖擊性能研究不僅具有開拓性，而且具有緊迫性。
柴油機(jī)抗沖擊研究有試驗(yàn)考核和仿真計(jì)算兩種途徑。由于試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和試驗(yàn)規(guī)模的限制，試驗(yàn)考核的方法存在一定的局限性。隨著計(jì)算機(jī)仿真軟硬件技術(shù)的發(fā)展，仿真計(jì)算的途徑越來越受到重視。試驗(yàn)表明，柴油機(jī)的固定件是水下爆炸沖擊的薄弱環(huán)節(jié)，開展柴油機(jī)固定件在沖擊情況下的強(qiáng)度仿真分析具有現(xiàn)實(shí)意義。
實(shí)際水下爆炸發(fā)生的沖擊激勵是不規(guī)則的、較為復(fù)雜的沖擊力或沖擊加速度。
因?yàn)閷?shí)船爆炸的沖擊載荷不能再現(xiàn)，所以考核設(shè)備的抗沖擊能力需要標(biāo)準(zhǔn)的沖擊載荷，通常用比較容易實(shí)現(xiàn)的波形，如脈沖、階躍、三角波或半正弦波代替。這些波形等效于機(jī)電設(shè)備的實(shí)際安裝環(huán)境，在環(huán)境試驗(yàn)中廣泛應(yīng)用，并列入國家標(biāo)準(zhǔn)，通常有峰值A(chǔ)o(一般用多少個“g”表示)、脈寬(單位為ms)和波形三個特征參數(shù)。
實(shí)際沖擊激勵的標(biāo)準(zhǔn)化可以通過沖擊響應(yīng)譜(shock response spectrum，SRS)換算成雙正弦波。
綜合考慮模型規(guī)模控制在可計(jì)算范圍之內(nèi)、在后續(xù)工作中能夠進(jìn)行沖擊機(jī)試驗(yàn)和研究機(jī)型具有代表性等因素，本文選用某6缸V型機(jī)作為仿真研究的對象，通過研究柴油機(jī)主要固定件的沖擊問題，探尋沖擊仿直的方注。
首先，利用三維CAD (computer aided design)軟件建立柴油機(jī)主要固定件的實(shí)體模型，包括機(jī)體、飛輪殼體和機(jī)腳。然后，忽略機(jī)體內(nèi)油路、水腔等細(xì)小特征得到簡化模型，并劃分四面體網(wǎng)格，使用ABAQUS求解器模擬沖擊，此時(shí)單元格式宜選用C3D4單元。最后，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入ABAQUS有限元軟件中，并利用tie關(guān)系裝配各個部件，形成裝配模型，部件之間暫不考慮螺栓連接。其中飛輪殼體劃分58 373個單元，機(jī)體劃分341 884個單元，機(jī)腳劃分139 873個單元，機(jī)腳和機(jī)體接觸部分的網(wǎng)格單元相對較細(xì)，裝配模型共有單元540 130個。
柴油機(jī)有成百上千個零部件，現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)完整的仿真尚有難度，需要突出重點(diǎn)，對模型作一定的簡化處理。上世紀(jì)80年代初我國進(jìn)行的一次實(shí)船水下爆炸試驗(yàn)，當(dāng)時(shí)主機(jī)的機(jī)腳振裂，某些外掛件基座也振裂。柴油機(jī)返廠檢查，曲軸等運(yùn)動機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)都在出廠許可范圍之內(nèi)，磁力探傷也沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。因此，本文首先重點(diǎn)考慮柴油機(jī)主要固定件的抗沖擊強(qiáng)度分析，將運(yùn)動件(曲軸、飛輪等)簡化為等效質(zhì)量，加載于主軸承座上。
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