钛合金过滤器抗冲击性能分析

舰船在海上可能遭受来自空中或水中爆炸物的威胁，承受的爆炸形式分为接触性和非接触性。由于船体结构能吸收大部分的爆炸冲击，故接触性爆炸仅波及局部范围，造成高强度的局部破坏；而非接触性爆炸的冲击力在水中传播能量大、范围广，会造成比较严重的损害，所以，研究非接触性爆炸对于保障舰船的安全性极为重要[1，2]。目前，抗冲击分析法主要包括爆炸实验法和有限元仿真分析法。由于舰船设备造价昂贵，同时爆炸试验的作用时间短且难以控制，因此有限元仿真分析法更适用于舰船抗冲击性能的研究。

当前，对舰船设备进行抗冲击有限元分析的方法包括静态等效分析法、动态设计分析法和时域分析法[3，4]。静态等效分析法只考虑受冲击结构的质量效应，在计算一阶响应时可获得较适用的精度，而当舰船设备遭受高阶响应时则不适用，具有一定的局限性[5]；动态设计分析法是基于模态分析的线性分析，可以定量地进行舰船设备强度校核，对线性结构的强度最大值分析，具有较好的优越性[6]。时域分析法即正负三角波法，是采用时间历程曲线作为舰船设备受冲击载荷的输入条件，能够对设备进行瞬态动力学分析，可用于分析非线性材料和设备的受力情况[7]。德国颁布的军舰艇建造规范BV043/85《冲击安全性》中，规定了将冲击响应谱转换为时间历程曲线的方法。而我国主要采用动态设计分析法，并基于此法制定了关于舰船抗冲击计算的规范——GJB 1060.1—1991《舰船环境条件要求 机械环境》。

舰船压载水系统对于保证舰船稳定性和航行安全具有重要作用，过滤器是该系统中最为关键的设备，能够处理海水中的颗粒污物，保证压载水系统的正常稳定工作。钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀性优良、焊接性能好等优点，是制造舰船设备的极佳材料[8，9]。本实验以ZTi60合金压载水过滤器为研究对象，分别采用动态设计分析法和时域分析法计算其抗冲击性能，同时研究舰船过滤器材质对其抗冲击性能的影响，以期为正确评估舰船压载水过滤器在冲击载荷作用下的可靠性与安全性提供参考。

1 抗冲击分析法及模型建立

1.1 动态设计分析法

动态设计分析法是一种基于模态理论的分析方法。该方法认为系统由多个单自由度的弹簧质量系统组合而成，然后对每个单自由度系统的振型和频率进行计算，通过对每个系统进行设计冲击谱的计算而获得相应的位移和应力，最后基于所有的单自由度系统位移和应力获得总体系统的响应。根据GJB 1060.1—1991《舰船环境条件要求机械环境》[10]，舰船压载水过滤器安装于船体及外板部位，在计算不同方向的冲击时，计算系数分别为横向0.4、垂向1.0、纵向0.2[11]。冲击加速度和冲击速度计算公式分别为：

(1)

(2)

式中： A0为冲击加速度，m/s2；V0为冲击速度，m/s； M0为设备的模态质量，t。

1.2 时域分析法

时域分析法的冲击谱可分为等位移段、等速度段、等加速度段，主要参数为最大位移、速度、加速度谱值[12]。德国军舰艇建造规范BV043/85《冲击安全性》中给出了响应谱转化为时域正负三角波的方法[13]。图1为转换后的三角波时域载荷曲线，图中a1是正三角波峰值，a2是负三角波峰值，t1是正三角波开始时间，t3是正三角波脉宽，t2和t4分别为峰值a1和a2相对应的时间，t5为三角波时域载荷作用的总时间。正三角波的面积对应冲击速度的最大值。

图1 三角波时域载荷曲线
Fig.1 Curve of time-domain under triangular load

1.3 模型建立

过滤器主要包括壳体和滤网。其中，过滤器的壳体为铸件，材质为ZTi60合金；滤网的材质为TA2纯钛。图2为过滤器的三维模型。

图2 过滤器的三维模型
Fig.2 Three-dimensional mode of filter

对过滤器的三维模型进行网格划分，如图3所示。将过滤器的各个结构部分赋予相应的材料，并根据等效管板理论将滤网处理为薄板[6]。模型边界条件：过滤器的进、出口法兰端设置为固定约束，过滤器内部施加5 MPa的压力，并在垂向方向上设置重心引力作用。

图3 过滤器的网格模型
Fig.3 Mesh model of filter

2 抗冲击性能分析

2.1 动态设计分析法

按照GJB 1060.1—1991[10]，根据公式(1)、(2)对过滤器不同方向的模态进行分析。结果显示，横向、垂向、纵向的模态质量均大于过滤器总质量的80%。选择过滤器不同方向模态质量占比较大的所有模态，进行冲击加速度计算，结果见表1。

表1 过滤器不同方向的冲击加速度

Table 1 Impact acceleration of filter in different directions

将表1中冲击加速度值分别添加至过滤器模型，对其进行抗冲击分析。图4为过滤器在时域冲击载荷最大峰值处的冲击应力分布云图。从图4可以看出，横向、垂向、纵向的最大冲击应力值分别为127.01、204.83、70.69 MPa；垂向应力最大，主要集中分布在筒盖顶端和进出口接管与壳体连接处，其他位置的应力均较低。

图4 基于动态设计分析法得到的过滤器不同方向的冲击应力分布云图
Fig.4 Impact stress distribution nephograms of filter in different directions obtained by dynamic design analysis method: (a) horizontal； (b) vertical； (c) longitudinal

GJB 1060.1—1991规定，抗冲击等级为A级的设备，冲击载荷作用下设备结构响应的最大应力不得超过材料的静屈服极限，二者的比值定义为失效系数n[1]：

(3)

式中：σmax为应力峰值，MPa；σs为屈服强度，MPa。

根据GJB 1060.1—1991，当n小于1时，可判定结构安全，且n越小结构越安全；当n大于1时，结构设计则不满足要求。ZTi60合金的屈服强度为590 MPa，经式(3)计算可知，垂向、横向和纵向3个方向上的失效系数n均小于1。其中，垂向失效系数最大，为0.347。由此可见，过滤器整体结构满足抗冲击设计要求。

2.2 时域分析法

将利用动态设计分析法计算获得的冲击载荷作为冲击响应，并将冲击响应谱转换为正负三角波载荷，从而得到过滤器横向、垂向和纵向3个方向上的三角波载荷时域曲线，如图5所示。从图5可以看出，过滤器垂向的冲击加速度最大，横向次之，纵向最小；垂向的冲击作用时间最短，横向次之，纵向作用时间最长。因此，过滤器垂向的抗冲击能力是冲击性能评估的重点。

图5 三角波载荷下过滤器不同方向的时域曲线
Fig.5 Curves of time-domain of filter under triangular wave load in different directions: (a) horizontal； (b) vertical; (c) longitudinal

在工况条件与2.1节动态分析一致的条件下，将正负三角波冲击载荷分别作用在过滤器模型上进行冲击应力计算。图6为过滤器在时域冲击载荷最大峰值处的冲击应力分布云图。由图6可知，过滤器横向、垂向和纵向的最大冲击应力分别为86.193、150.25、47.741 MPa；最大冲击应力位于过滤器筒盖顶端；从过滤器不同方向的冲击载荷来看，垂向的应力响应最大，横向次之，纵向最小。所获得的过滤器应力分布云图及应力值大小与动态设计分析法结果基本一致，由此验证了过滤器抗冲击分析结果的准确性。此外，时域分析法能够计算出每个时刻所受冲击的应力值，且计算精度较高，因而能更好地模拟舰船所处的冲击环境。

图6 基于时域分析法得到的过滤器不同方向的冲击应力分布云图
Fig.6 Impact stress distribution nephograms of filter in three directions obtained by time-domain analysis method: (a) horizontal； (b) vertical; (c) longitudinal

2.3 不同材质过滤器的抗冲击性能

为了研究材质对过滤器抗冲击性能的影响，分别选用TA2纯钛、ZTi60合金和QAl10-5-5铜合金作为过滤器壳体材料。表2为TA2纯钛、ZTi60合金和QAl10-5-5铜合金的材料属性。

表2 不同材料的属性

Table 2 Properties of different materials

采用动态设计分析法对不同材质过滤器的抗冲击性能进行计算。计算时，在保证其他工况条件完全一致的情况下，只改变过滤器壳体的材质，方法同2.1节。结果显示，过滤器最大冲击应力均为垂向应力。图7为不同材质过滤器的垂向冲击应力分布云图。由图7可知，在相同的冲击作用下，结构相同的过滤器其冲击应力分布基本一致，最大冲击应力均位于过滤器筒盖顶端。

图7 基于动态设计分析法得到的不同材质过滤器垂向冲击应力分布云图
Fig.7 Impact stress distribution nephograms of filters with different materials in vertical direction obtained by dynamic design analysis method: (a) TA2 pure titanium； (b) ZTi60 alloy； (c) QAl10-5-5 copper alloy

表3为采用动态设计分析法得到的不同材质过滤器的最大冲击应力和失效系数。由表3可知，TA2纯钛和ZTi60合金的最大冲击应力和失效系数均小于QAl10-5-5铜合金，说明过滤器壳体材质对冲击应力影响较大。根据失效系数大小，不同材质过滤器的抗冲击性能由强到弱排序为ZTi60合金、TA2纯钛、QAl10-5-5铜合金。

表3 不同材质过滤器的抗冲击性能

Table 3 Impact resistance of filters with different materials

3 结 论

(1) 利用动态设计分析法与时域分析法计算得到的舰船压载水过滤器的冲击应力大小及分布规律基本一致，由此验证了抗冲击分析与评估结果的有效性，能够为过滤器的设计提供参考。

(2) 从过滤器不同方向的冲击载荷来看，垂向的应力响应最大，横向次之，纵向最小。材质为ZTi60合金的过滤器最大失效系数为0.347，过滤器整体无危险部件，满足GJB 1060.1—1991中对抗冲击设计的要求。

(3) 在相同的冲击载荷作用下，结构相同、材质不同的过滤器冲击应力分布基本一致；材质为TA2纯钛和ZTi60合金过滤器的最大冲击应力和失效系数明显小于QAl10-5-5铜合金；不同材质过滤器的抗冲击性能由强到弱为ZTi60合金、TA2纯钛、QAl10-5-5铜合金。