﻿ 爆炸冲击载荷下高压气瓶及其管道系统抗冲性能优化方法研究
 舰船科学技术  2019, Vol. 41 Issue (10): 17-20 PDF

Research on optimization method of shock resistance performance of high pressure gas cylinders and piping system under blast loading
ZHANG Yi-zhong, WANG Shuai, MA Tian-yu
China Ship Research and Development Academy, Beijing 100192, China
Abstract: In this paper, the dynamic response modeling, calculation method and vibration reduction system optimization design method of high pressure gas cylinder and pipeline system underwater explosion impact load are studied. Firstly, the dynamic of a high pressure gas cylinder and its pipeline system are established by the modeling method of condensation beam, and the DDAM dynamic response analysis method is used to analyze the dynamic response characteristics of the damping system under impact load. In order to realize the optimal design of high pressure gas cylinder and pipeline system, this paper builds an optimization platform based on ISIGHT software and quadratic sequence planning algorithm is adopted. To improve the buffer damping capacity of the damping system, The combination of the stiffness of the high pressure gas cylinder and its pipeline system is optimized.
Key words: condensation model     dynamic design analysis method     optimal design     pipeline
0 引　言

1 高压气瓶及其管道减振系统动力学建模

 图 1 高压气瓶及其管道减振系统 Fig. 1 Shock absorption system for high pressure cylinders and pipelines

 图 2 高压气瓶及其管道系统动力学计算模型 Fig. 2 The dynamics calculation model of high pressure cylinder and pipelines system
2 高压气瓶及其管道系统动力学计算 2.1 初始设计与缓冲减振要求

1）横向冲击过程减振器最大压缩量不大于30 mm；

2）管路各部分最大横向位移差不大于25 m。

2.2 冲击输入与计算方法

GJB 1060.1-1991规定的动力学分析方法是谱分析方法[6]，其主要内容是：动力学分析一般在设备和（或）基座的设计阶段进行，动力学分析将近似为弹性的分析系统简化为承受给定冲击输入的质量-弹簧系统，即数学模型（对于复杂结构可用有限元方法），通过建立和求解平衡方程组求出与分析系统中每一质量和弹簧有关的力和变形，然后应用这些力和（或）变形计算危险区域的应力和（或）变形，最后将这些力、应力和（或）变形与规定的许用值相比较，确定所分析的设备或基座是否符合抗冲击要求。

GJB 1060.1-1991规定的潜艇设备冲击设计值（基准加速度、基准速度）为：

 ${A_0} = 102.02\frac{{217.73 + {m_a}}}{{9.07 + {m_a}}}\text{，}$ (1)
 ${V_0} = 0.51\frac{{217.73 + {m_a}}}{{45.36 + {m_a}}}\text{。}$ (2)

 ${x_i} = {x_{ib}} + \sqrt {\sum\limits_a {{x_{ia}}^2 - {x_{ib}}^2} }\text{。}$ (3)

Ansys内置的DDAM分析模块是基于美军研究报告而实现的，由于美军研究报告是以英制单位编制而成的，故而Ansys的DDAM算法亦采用英制单位，然而国内大部分用户习惯采用国际单位制进行建模分析，因此需要进行单位制转换，如表1所示。

2.3 计算结果分析

 图 3 冲击载荷下高压气瓶及管路系统位移响应 Fig. 3 Displacement response of high pressure cylinders and pipelines system under impact load
3 减振系统优化 3.1 优化设置

1）设计变量：

2）约束条件：

3）优化目标：

3.2 优化算法

1）减振器刚度

$x = ({K_1},{K_1},{K_3})$

2）冲击过程管道的压缩量

 ${g_j}(x) - 30 \leqslant 0{\text{，}}j = 1,...,{m_e};$

3）优化目标函数

 ${\left( {\frac{1}{2}{d^{\rm T}}{B_k}d + \nabla f{{({x_k})}^{\rm T}}d} \right)_{\min }}, d \in {R^n}\text{，}$ (4)
 $\nabla {g_j}{({x_k})^{\rm T}}d + {g_j}({x_k}) = 0,j = 1,...,{m_e}\text{，}$ (5)
 $\nabla {g_j}{({x_k})^{\rm T}}d + {g_j}({x_k}) \geqslant 0,j = 1,...,{m_e}\text{，}$ (6)
 ${x_l} - {x_k} \leqslant d \leqslant {x_u} - {x_k}\text{。}$ (7)
3.3 优化后的缓冲隔振效果

 ${K_1} = 1.9 \times {10^7}\ {\rm{N/m}}\text{，}$ (8)
 ${K_2} = 2.0 \times {10^6}\ {\rm{N/m}}\text{，}$ (9)
 ${K_3} = 5.0 \times {10^6}\ {\rm{N/m}}\text{。}$ (10)

 图 4 优化减振后冲击载荷下高压气瓶及管路系统位移响应 Fig. 4 Optimized displacement response of high pressure cylinders and pipelines system under impact load

4 结　语

1）本文采用缩聚梁建模的方法建立了某高压气瓶及管路系统动力学模型,可大幅减少冲击动力学计算量，为后续优化计算奠定了基础；

2）本文基于动态设计方法（DDAM），计算分析了高压气瓶及管路系统在水下爆炸载荷下的冲击动响应；

3）本文将高压气瓶及管道系统几个减振器的刚度组合作为设计变量，将高压气瓶及管道系统最大横向移动量作为约束条件，将高压气瓶及管道系统各部位最大位移相差最小化为目标，基于二次序列规划算法，实现了高压气瓶及其管路系统减振器刚度的组合优化设计。优化后减振系统可以有效抑制高压气瓶及其管路系统的横向移动及管道系统的弯曲变形，提高了高压气瓶及管道系统在水下爆炸冲击载荷下的安全性。

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