基于HyperMesh和Nastran的鱼雷海水管有限元分析

白坤雪, 尹韶平



基于HyperMesh和Nastran的鱼雷海水管有限元分析

白坤雪1, 2, 尹韶平1

(1. 中国船舶重工集团公司第705研究所, 陕西 西安, 710075; 2. 水下信息与控制重点实验室, 陕西 西安, 710075)

为了识别海水管路的模态参数, 找出结构发生共振的频率段, 避免共振, 综合运用UG, HyperMesh, Msc.Nastran软件建立了一整套涵盖3D建模、网格划分、有限元分析流程。以海水管为例进行了自由模态分析, 获得了前8阶固有频率和振型。仿真结果表明, 海水管的前8阶固有频率以低频为主, 波纹管是振型变化最剧烈的部分, 是海水管路振动控制的对象。研究表明, 该流程具有快捷高效、精度高的特点, 是单一有限元软件无法比拟的。

鱼雷海水管; HyperMesh软件; Nastran软件; 模态分析

0 引言

随着潜艇的发展, 鱼雷武器已成为海军水下作战的主要武器之一。鱼雷的管路系统用于传输海水、燃料、液压油等流体介质, 管路系统不仅传递结构振动, 其内部的流体介质还会携带着压力脉动到各个舱段, 导致各舱段壳体剧烈振动, 进而引起结构辐射噪声。当压力脉动的频率接近或等于管路系统的固有频率时, 系统将发生共振, 鉴于此, 有必要对管路系统的振动特性展开仿真研究。

模态是机械结构的固有振动特性, 每一阶模态都有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。模态分析是系统辨识方法在工程振动领域的应用, 它借助自动控制理论中的传递函数(或频率响应函数)的概念, 用传递函数反映某一系统的输入输出关系[1], 从而计算出该系统的固有特性。

鱼雷海水管是海水泵振动向壳体传递并辐射噪声的一个重要部件, 研究其振动传递特性是进行鱼雷噪声预报和控制的基础。本文通过综合应用UG、HyperMesh、Msc.Nastran软件, 对海水管有限元模型进行仿真模态分析, 得到了各阶固有频率和振型, 得出了有益的结论。

1 HyperMesh与Msc.Nastran软件特点

在对简单几何模型进行有限元分析时, 往往运用某一CAE软件就可完成, 但对于复杂的实体, 目前还没有一款软件能高效精确地完成全部流程, 因此在工程应用中, 经常综合运用各软件, 充分发挥各软件的长处, 扬长避短, 快速高效地解决工程难题[2]。

1.1 HyperMesh软件

在有限元仿真中, 网格质量对仿真结果有重要影响, 如果网格数量过少或网格精度过低, 可能导致仿真结果误差较大, 对于网格质量要求高的分析, 甚至导致仿真过程中断, 无法获得结果。

HyperMesh是一个高效的有限元前后处理器, 能够建立各种复杂模型的有限元模型。其2D到3D的有限元建模思想同3D实体建模思想类似, 在面网格的基础上, 反复通过drag, line drag, spin, solid map等命令来建立体网格。该软件的一大特色是其强大的几何清理功能, 支持多种自动化和人工化的几何清理功能, 包括各种缝隙的缝合、复杂曲面的修补、去除相关倒角孔洞以及薄壳实体中面抽取功能等[3]。另外其丰富的输入输出接口给设计者带来了一定的方便, 输入的几何模型包括UG, Pro/E, Step, Iges, Parasolid等。划分好网格后的有限元模型可以输出到Abaqus, Ansys, Nastran, Cfd等主流分析软件中。

HyperMesh在几何建模方面较为薄弱, 进行有限元分析时材料类型和单元类型数量较少, 求解方法难以设置。在有限元分析计算与结果处理方面的性能也有一定差距[3]。

1.2 Nastran软件

MSC.Software产品几乎覆盖了中国航空航天领域所有的研究机构、设计部门、高等院校等。在船舶和海洋工程行业[4], Nastran软件是融合结构、流体、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元软件, 其优点包括以下几个方面。

1) 提供了按“事件分类”的分析求解器选择功能, 可直接选择的求解器有Ansys、Abaqus、Ls-dyna3d等;

2) 具有多种线性及分线性模型的材料库, 能满足当前大部分工程需要;

3) 分析时具有高数值稳定性、高精度及快速收敛的优势。

缺点是其几何建模和网格划分功能需继续加强, Nastran建模的流程如图1所示[4]。

图1 Nastran软件建模分析流程

2 UG, HyperMesh与Nastran衔接流程

鉴于HyperMesh与Nastran软件在各自擅长领域的特点, 建立如图2所示的仿真流程。

图2 有限元仿真流程

首先利用专业3D建模软件UG建立海水管几何模型, 然后利用HyperMesh进行网格划分, 最后递交到Nastran 进行有限元分析。

通过上述软件的综合利用, 取长补短, 充分发挥各软件的长处, 使整个分析过程快捷高效, 条理清楚, 极大地提高了工作效率。

通过UG建立的几何模型可以以Parasolid, Iges, Step等格式导入到HyperMesh中, 其中Parasolid, Step格式是以体的形式存在的, 而Iges格式只有面的形式, 不存在体的概念。

在HyperMesh中, 通过Import-Geometry形式导入, 选择在UG中输出的几何模型格式和文件名称, 然后点击Apply即可导入。

利用HyperMesh划分网格结束后, 接着建立单元网格属性, 定义网格类型, 通过assign命令建立起单元网格和材料属性的连接, 最后将定义好属性的网格文件以FE Model形式输出, 文件类型选择Nastran, 生成的输出文件后缀为*.bdf。

打开Patran软件, 通过Import命令以MD Nastran Input的形式导入上述步骤中生成的*.bdf文件, 成功导入后, 可看到之前在HyperMesh中划分的单元节点数目。在此也可以重新定义网格属性和材料参数。

3 基于HyperMesh 与Msc.Natran的海水管模态分析

3.1 海水管模态理论分析

本文研究的海水管有限元模型为无阻尼多自由度线性振动系统, 属于实模态, 其求解原理如下[5]。无阻尼自由振动方程为

3.2 建立海水管几何模型

海水管共有3部分组成, 自左到右分别为弯管、直管、接头管。直管部分由用以消除压力脉动的波纹管组成, 将模型以Parasolid格式输出(见图3)。

图3 海水管UG模型

3.3 建立海水管有限元模型

打开HyperMesh v9.0软件, 首先选择将划好的网格导入到求解器的类型, 本文选择Nastran求解器。成功导入后可在左侧component栏中看到海水管有3个component, 为便于区别, 可将其赋予不同颜色, 然后对其进行网格划分, 划分结果如图4和图5所示。接头部分划分74 400个六面体单元、直管部分划分为14 720个六面体单元、弯管部分划分为53 120个六面体单元。将划分好的3部分在Hypermesh中进行装配, 得到海水管的有限元模型, 如图6所示。

图4 接头和弯管网格模型

图5 直管网格模型

图6 海水管网格模型

然后定义材料的属性, 建立一个材料名称, 设置材料的弹性模量、密度、泊松比等。海水管的材料属性见表1。

表1 海水管材料属性参数

3.4 基于Nastran的模态分析

固有频率和振型是由结构的几何形状、材料特性以及约束形式决定的。本文采用自由模态分析, 在自由模态分析中, 对于所选的实体单元有6个刚体自由度, 即6阶刚体模态, 其固有频率接近零, 因此, Nastran软件求解的海水管前6阶固有频率为零, 第7阶为真正意义上的第1阶固有频率[6]。本文选择适合大自由度模态提取且具有更快收敛速度的Lanczos Method进行分析。

建模分析中, 采用右手直角坐标系,轴与海水管的直管段轴线平行, 正方向由弯管指向接头管, 从轴正方向看去,轴正方向指向接头管开口一侧。海水管存在多个自由度, 通常较低的若干阶固有频率和振型对结构影响较大, 系统能量主要集中在前几阶较低的固有频率, 故在研究系统的响应时, 只需要了解少数的固有频率和振型, 在这里仅提取其中的前8阶固有频率[7]。各阶振型和固有频率如表2所示。

表2 海水管模态频率及振型

选取具有代表性的1阶弯曲振动, 2阶弯曲振动, 3阶弯曲振动, 轴向伸缩振动。模态振型如图7~图10所示。

由模态频率和振型图可知, 海水管按固有振型时, 弯管和接头管变形较小, 变形主要集中在带有波纹管的直管段, 设计时可以通过改变直管尺寸及材料等改变海水管振型变化, 在海水管振动过程中, 弯曲和扭曲是主要的变形形式, 随着频率的提高, 海水管的阵型主要表现为弯曲和扭转的叠加, 在一定的频率范围内甚至为波形扭曲。

图7 海水管第2阶模态振型

图8 海水管第4阶模态振型

图9 海水管第6阶模态振型

图10 海水管第8阶模态振型

4 结束语

以海水管为例, 建立了一整套涵盖3D建模 软件UG、网格划分软件HyperMesh、有限元分析前后处理软件Patran/Nastran的流程, 扬长避短, 充分发挥了各软件的优势, 极大地提高了分析效率和求解精度。由自由模态分析结果可知, 直管是海水管结构振动最活跃的部分, 振型变化剧烈, 是海水管减振降噪的对象。在波纹管的设计中, 考虑波纹管固有频率和振型以避免波纹管系统发生共振现象。使工作频率远离波纹管固有频率, 避免发生共振。波纹管通常壁薄, 易伸缩, 弹性大, 很容易引起振动, 在一定范围内提高刚度是有效减振方法之一。本有限元仿真流程经工程实践验证, 具有一定的工程推广价值。

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Finite Element Analysis for Torpedo Seawater Pipe Based on HyperMesh and Nastran

BAI Kun-xue1,2, YIN Shao-ping1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory , Xi′an 710075, China)

To identify modal parameters of a seawater pipe and find out frequency bands of resonance, a process covering three-dimensional modeling, meshing, and finite element analysis is established by using the softwares UG, HyperMesh, and Msc.Nastran. Furthermore, the first 8 orders of natural frequencies and vibration modes are obtained according to the free modal analysis of the seawater pipe. Simulation results show that the first 8 orders of natural frequencies are mainly in low-frequency range, and the bellows are the target of vibration control of seawater pipeline because they possess the most variation of vibration amplitude. This process is also verified to be high in efficiency and precision.

torpedo seawater pipe; HyperMesh; Nastran; modal analysis

TJ630

A

1673-1948(2012)01-0014-05

2011-05-23;

2011-06-29.

国防科技预先研究项目资助(4011001010101).

白坤雪(1982-), 男, 在读硕士, 主要从事减振降噪方面研究.

(责任编辑: 陈 曦)