一种舰船齿轮箱的抗冲击性能分析方法与流程

1.本发明涉及一种舰船设备抗冲击性能分析方法，属于舰船设备技术领域。


背景技术：

2.抗冲击能力式舰船设备的核心性能指标，船舶在航行中的摇摆、倾覆，舰船在实战中受到如水雷、鱼雷等武器攻击等情况时，都会产生非接触式爆炸冲击，因此，对于非接触式冲击的抵挡能力的研究越来越重要。
3.冲击试验是研究舰船设备抗冲击能力的主要方法，这种方法能够准确、直观地得到设备在冲击载荷作用下的响应，用以评价抗冲击性能，是目前最接近实船环境的研究方法。但是这种方法存在如下问题：冲击试验耗费时间、精力巨大，需要专门的冲击试验机，并且具有一定的危险性。因此，冲击试验常常以冲击性能分析来代替。随着计算机技术的迅猛发展，计算效率的提升，使得应用软件来进行仿真分析成为科学研究、工程设计等领域主要的工作方式。基于有限元思想，应用结构动力学分析软件对舰船设备进行抗冲击性能分析成为了重要的研究方法之一。
4.齿轮箱是匹配主机与负载转速、传递功率的重要设备，使用环境复杂、可靠性要求高。作为动力系统的核心设备之一，齿轮箱的安全稳定运行对整船的运行至关重要，特别是在舰船受到攻击的情况下，齿轮箱的抗冲击能力决定了舰船的反击能力。但是，舰船齿轮箱包含齿轮传动、箱体、轴、轴承等主要传动部件，换热器、泵、阀、滑油管路等辅助部件，部件、部套之间装配关系复杂，特别是传动部件之间涉及力和运动的传递，使得整个装置在冲击环境下能否继续实现功能面临风险。以上结构、功能的复杂性，结合冲击环境的特殊性都导致了舰船设备抗冲击性能分析在通用的冲击动力学分析的基础上还需要深入研究。


技术实现要素：

5.本发明目的是为了解决舰船齿轮箱由于结构、功能复杂，冲击环境复杂，导致冲击力学分析存在较大难度的问题，提供了一种舰船齿轮箱的抗冲击性能分析方法。
6.本发明提出的一种舰船齿轮箱的抗冲击性能分析方法，它包括：
7.s1、将舰船齿轮箱转化为数字化实体模型，对舰船齿轮箱的结构和结构之间的连接构件进行简化，获取简化仿真模型；
8.s2、对简化仿真模型以结构或结构之间的连接构件为单位进行等效建模，建立有限元模型；
9.s3、采用频域冲击载荷对有限元模型进行冲击仿真，获得频域抗冲击性能分析结果；
10.s4、采用时域冲击载荷对有限元模型进行响应测试，获得时域抗冲击性能测试结果，同时将s3的频域冲击载荷转换为等效时域冲击载荷，计算获得时域抗冲击性能等效仿真结果，将测试结果与等效仿真结果进行对比验证，获取时域抗冲击性能分析结果；
11.s5、根据频域抗冲击性能分析结果和时域抗冲击性能分析结果对舰船齿轮箱进行
抗冲击性能分析。
12.优选的，s1所述对舰船齿轮箱的结构和结构之间的连接构件进行简化的具体方法包括：
13.将非承重的零件结构进行清除简化；
14.将结构之间的非必要连接结构进行清除简化；
15.将对受力影响小的特征进行清除简化。
16.优选的，所述结构之间的非必要连接结构包括：滑油通道、非必要螺栓孔和非必要气孔。
17.优选的，所述对受力影响小的特征包括：小孔、轴肩、倒角和退刀槽。
18.优选的，s2所述对简化仿真模型以结构或结构之间的连接构件为单位进行等效建模，建立有限元模型的具体方法包括：
19.s2-1、将简化仿真模型中的结构和连接构件均进行离散化网格划分；
20.s2-2、将离散化网格划分后的结构和连接构件分别进行等效建模，包括：对隔振器结构、螺栓连接构件、齿轮结构和滑动轴承结构分别进行等效建模；
21.s2-3、所有结构和连接构件的等效模型构成有限元模型。
22.优选的，s2-2所述对隔振器结构进行等效建模包括：对弹簧进行简化，采用所有方向的刚度和阻尼进行模拟；
23.s2-2所述对螺栓连接构件进行等效建模包括：采用固定支承和刚度组合进行模拟；
24.s2-2所述对齿轮结构进行等效建模包括：当对舰船齿轮箱进行抗冲击性能分析包括齿轮结构性能分析时，采用齿面啮合接触进行模拟，当对舰船齿轮箱进行抗冲击性能分析不包括齿轮结构性能分析时，采用齿面啮合绑定连接进行模拟；
25.s2-2所述对滑动轴承结构进行等效建模包括：采用三个方向弹簧进行模拟。
26.优选的，s3所述采用频域冲击载荷对有限元模型进行冲击仿真，获得频域抗冲击性能分析结果的具体方法包括：
27.采用频域冲击载荷对有限元模型进行冲击仿真，获得舰船齿轮箱在频域的冲击应力响应re和加速度响应ra；
28.根据冲击应力响应re分析舰船齿轮箱的薄弱位置；
29.根据加速度响应ra分析舰船齿轮箱的冲击环境强度。
30.优选的，s4所述采用时域冲击载荷对有限元模型进行响应测试，获得时域抗冲击性能测试结果，同时将s3的频域冲击载荷转换为等效时域冲击载荷，计算获得时域抗冲击性能等效仿真结果，将测试结果与等效仿真结果进行对比验证，获取时域抗冲击性能分析结果的具体方法包括：
31.将频域冲击载荷转换为等效时域冲击载荷，基于有限元时域模拟法进行计算，获得舰船齿轮箱在时域的抗冲击性能等效仿真结果，包括：冲击应力响应re1、加速度响应ra1和位移rd1；
32.采用时域冲击载荷对有限元模型进行冲击环境测试，获得舰船齿轮箱在时域的抗冲击性能测试结果，包括：冲击应力响应re2和加速度响应ra2；
33.将测试结果与等效仿真结果进行对比验证，获取时域抗冲击性能分析结果。
34.优选的，s5所述进行舰船齿轮箱的抗冲击性能分析包括：结构和连接构件的材料是否发生损坏、螺栓连接构件是否发生失效和齿轮结构性能是否退化。
35.优选的，s1所述结构包括：孔洞结构、槽结构和圆角结构。
36.本发明的优点：本发明提出的一种舰船齿轮箱的抗冲击性能分析方法，利用构建有限元模型对舰船设备，特别是舰船齿轮箱进行抗冲击性能分析，基于冲击动力学的分析，建立数字化模型、建立有限元模型和仿真模型，对其进行测试试验，获得舰船齿轮箱的冲击输入载荷，进而准确、高效地获得舰船齿轮箱的抗冲击性能分析结果。
附图说明
37.图1是本发明所述一种舰船齿轮箱的抗冲击性能分析方法的原理框图。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
40.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
41.实施例1：
42.下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种舰船齿轮箱的抗冲击性能分析方法，它包括：
43.s1、将舰船齿轮箱转化为数字化实体模型，对舰船齿轮箱的结构和结构之间的连接构件进行简化，获取简化仿真模型；
44.s2、对简化仿真模型以结构或结构之间的连接构件为单位进行等效建模，建立有限元模型；
45.s3、采用频域冲击载荷对有限元模型进行冲击仿真，获得频域抗冲击性能分析结果；
46.s4、采用时域冲击载荷对有限元模型进行响应测试，获得时域抗冲击性能测试结果，同时将s3的频域冲击载荷转换为等效时域冲击载荷，计算获得时域抗冲击性能等效仿真结果，将测试结果与等效仿真结果进行对比验证，获取时域抗冲击性能分析结果；
47.s5、根据频域抗冲击性能分析结果和时域抗冲击性能分析结果对舰船齿轮箱进行抗冲击性能分析。
48.进一步的，s1所述对舰船齿轮箱的结构和结构之间的连接构件进行简化的具体方法包括：
49.将非承重的零件结构进行清除简化；
50.将结构之间的非必要连接结构进行清除简化；
51.将对受力影响小的特征进行清除简化。
52.再进一步的，所述结构之间的非必要连接结构包括：滑油通道、非必要螺栓孔和非
必要气孔。
53.再进一步的，所述对受力影响小的特征包括：小孔、轴肩、倒角和退刀槽。
54.再进一步的，s2所述对简化仿真模型以结构或结构之间的连接构件为单位进行等效建模，建立有限元模型的具体方法包括：
55.s2-1、将简化仿真模型中的结构和连接构件均进行离散化网格划分；
56.s2-2、将离散化网格划分后的结构和连接构件分别进行等效建模，包括：对隔振器结构、螺栓连接构件、齿轮结构和滑动轴承结构分别进行等效建模；
57.s2-3、所有结构和连接构件的等效模型构成有限元模型。
58.再进一步的，s2-2所述对隔振器结构进行等效建模包括：对弹簧进行简化，采用所有方向的刚度和阻尼进行模拟；
59.s2-2所述对螺栓连接构件进行等效建模包括：采用固定支承和刚度组合进行模拟；
60.s2-2所述对齿轮结构进行等效建模包括：当对舰船齿轮箱进行抗冲击性能分析包括齿轮结构性能分析时，采用齿面啮合接触进行模拟，当对舰船齿轮箱进行抗冲击性能分析不包括齿轮结构性能分析时，采用齿面啮合绑定连接进行模拟；
61.s2-2所述对滑动轴承结构进行等效建模包括：采用三个方向弹簧进行模拟。
62.再进一步的，s3所述采用频域冲击载荷对有限元模型进行冲击仿真，获得频域抗冲击性能分析结果的具体方法包括：
63.采用频域冲击载荷对有限元模型进行冲击仿真，获得舰船齿轮箱在频域的冲击应力响应re和加速度响应ra；
64.根据冲击应力响应re分析舰船齿轮箱的薄弱位置；
65.根据加速度响应ra分析舰船齿轮箱的冲击环境强度。
66.再进一步的，s4所述采用时域冲击载荷对有限元模型进行响应测试，获得时域抗冲击性能测试结果，同时将s3的频域冲击载荷转换为等效时域冲击载荷，计算获得时域抗冲击性能等效仿真结果，将测试结果与等效仿真结果进行对比验证，获取时域抗冲击性能分析结果的具体方法包括：
67.将频域冲击载荷转换为等效时域冲击载荷，基于有限元时域模拟法进行计算，获得舰船齿轮箱在时域的抗冲击性能等效仿真结果，包括：冲击应力响应re1、加速度响应ra1和位移rd1；
68.采用时域冲击载荷对有限元模型进行冲击环境测试，获得舰船齿轮箱在时域的抗冲击性能测试结果，包括：冲击应力响应re2和加速度响应ra2；
69.将测试结果与等效仿真结果进行对比验证，获取时域抗冲击性能分析结果。
70.再进一步的，s5所述进行舰船齿轮箱的抗冲击性能分析包括：结构和连接构件的材料是否发生损坏、螺栓连接构件是否发生失效和齿轮结构性能是否退化。
71.再进一步的，s1所述结构包括：孔洞结构、槽结构和圆角结构。
72.本实施方式中，s2-1所述对简化仿真模型中的结构和连接构件均进行离散化网格划分，根据构件和连接构件(包括所有零件、部件)形状和功能特点确认模型离散化网格划分的方法，针对轴类部件、板壳类部件等分别划分网格，具体到轴、齿轮、箱体、轴承和附属部件等分别进行网格划分。
73.本实施方式中，依据gjb1060，对舰船齿轮箱的性质和安装进行设置，折算出频域冲击载荷ls。
74.本实施方式中，依据bv043，对舰船齿轮箱的性质和安装进行设置，折算出进行冲击环境测试的时域冲击载荷lt。冲击环境测试根据gjb150.18-86开展冲击试验。
75.本实施方式中，进行舰船齿轮箱的抗冲击性能分析还包括管路是否发生泄漏。材料不发生破坏，通过外观检查、表面探伤、计算测试结果与材料在高应变率下力学性能对比、相关结果与塑性强化条件下力学性能对比，综合判断材料是否发生破坏；螺栓连接结构不发生失效，校核冲击载荷作用下螺栓是否发生断裂，螺栓结构外观检查是否发生松动、破坏等缺陷；轮传动结构件性能不退化，在计算和测试过程中获得轮辐、齿轮轴、齿根等部位响应是否过大，检查齿面是否发生磨损，必要时开展考虑齿轮啮合条件下的冲击试验；管路不发生泄露，管路、泵、阀等结构是否发生破坏，法兰连接处是否发生泄漏等。
76.本实施方式中，在无法获得时域冲击载荷时，采用s3的频域冲击载荷转换为等效时域冲击载荷，进而获得时域抗冲击性能等效仿真结果。
77.本发明中，舰船齿轮箱包括齿轮、轴、轴承、箱体、润滑系统等部分。以某型齿轮箱为例，该齿轮箱为含摩擦离合器的ⅱ级减速齿轮传动装置，通过摩擦离合器的作用可以进行正车工况和倒车工况运转。该齿轮箱包含齿轮轴、摩擦离合器、滚动轴承、箱体、隔振器、换热器、滑油管路、阀组等部件组成。
78.对舰船齿轮箱的结构和结构之间的连接构件进行简化，以及离散化网格划分影响计算精度和计算效率。在建立有限元模型的过程中还包括：材料的参数设置、构件模型的装配和连接关系等效设置，不同的材料参数设置影响舰船齿轮箱的抗冲击性能分析结果，不同的构件模型的装配和连接关系等效设置影响频域抗冲击性能分析结果和时域抗冲击性能分析结果，不同的装配和连接关系设置适用于不同的性能分析方法。此外，对舰船齿轮箱进行抗冲击性能分析同样包含构件模型装配和连接关系等效设置。
79.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。