0 引言
船舶设备和系统管路抗冲击设计是船舶生命力的重要保障。一直以来，国内船舶抗冲击研究的重点主要集中在船体、设备的抗冲击上，而对管路抗冲击的研究较少。现有的船舶管路抗冲击研究成果中，陈刚针对国内外舰艇管路系统抗冲击技术方面的技术进展，从舰艇管路系统冲击研究的方法、模型和模拟计算、舰艇管路系统(抗)冲击试验、舰艇管路系统冲击环境预报和仿真、舰艇管路系统抗冲击设计评估、舰艇管路系统冲击标准及规范以及舰艇管路系统抗冲击元器件研制等方面对国外工作进行了总结评述。其中也提到有管道应力分析软件支持了美国海军舰艇管路系统的计算分析及模拟。王秋颖应用有限元分析软件基于梁单元简化方法的模拟，对蒸汽管路进行冲击谱加载计算，找出薄弱环节，并增加管路抗冲击元件，改善了结构的响应。周维星利用传递矩阵法求解管路振动固有频率，并结合模态叠加法实现了管路动态响应的模拟。查友其等针对船用海水冷却管路根据BV规范施加冲击载荷，对其冲击响应进行数值模拟，并提出管路系统在冲击载荷作用下管路的抗冲击性能。
船舶管路系统是复杂而空间走向又多变，且受限于船舶空间的限制，存在各种各样的支撑形式和支吊架的约束。国内现有的管路抗冲击研究大部分是采用有限元软件，基于梁单元模型进行管路系统动力学分析，建立模型工作量大，计算耗费资源，耗时长。
本文将利用常用的管道应力分析软件，基于梁单元模型建立某船舶系统管路模型，根据常用的三折线冲击谱作为输入载荷，进行数值模拟，对管路抗冲击性能进行评估。同时对系统应用阻尼支架后的抗冲击性能进行了对比分析。
1 管道冲击载荷及边界条件
1.1 冲击载荷
在冲击环境下，船舶系统设备在不同部位、不同支撑形式条件下会有不同的冲击输入。管路系统冲击响应分析主要有三种方法：单点冲击谱分析法、多点冲击谱分析法和时间历程分析法。单点冲击谱采用管路系统的所有支撑点冲击谱的包络，或采用各点中最大的冲击作为所有点的冲击谱输入，对空间三个正交方向的每一方向，构建各自的等效冲击谱，并分别进行分析，忽视了多点冲击输入幅值的差异以及多点之间相位的不同，最为保守。采用冲击谱多点输入方法，不仅能考虑载荷在不同部位的差异性，同时还能考虑外力载荷的相位差对结构的影响。
冲击载荷国内常用的是三折线设计谱，典型的三折线冲击谱见图1所示。在低频段，冲击载荷主要是位移激励；在中频段，冲击载荷主要是速度激励;在高频段，冲击载荷主要是加速度激励。本文以该三折线谱作为单点冲击谱，进行管道系统的冲击计算。
图1 设计谱示意图
1.2 设备建模
以船舶某典型系统为例，管路系统建模包括管路、法兰、阀门、波纹管膨胀节以及相关的支吊架。
在管路系统模型中需要考虑阀门、法兰及设备等附件对系统管路振动特性的影响，阀门和法兰仅考虑其集中质量效应对管路冲击造成的影响，故阀门建模时视为集中质量，模型为带有质量刚体。
管路中的设置的金属波纹管膨胀节采用专门的膨胀节模块建模，并模拟膨胀节真实的约束关系。
管路在舱室通过大量的弹簧吊架、弹簧阻尼吊架、通舱管件、固定支架等支撑固定在船体结构上，建模中认为管路支吊架等具备相应的刚度和阻尼，不考虑其在冲击中的破坏，其冲击中的受力情况可作为支吊架设计的依据。
1.3 边界条件假设
该典型系统前后连接设备，中部通过穿舱管件与船体结构相连。对于与设备相连的管端，由设备提出在工作温度的位移作为载荷输入;管路通过穿舱管件与船体相连视为固定约束。设备连接部位设置金属波纹管膨胀节，建立详细模型模拟其刚度及位移补偿特性。
2 管路冲击响应分析
根据冲击载荷，分别在管路系统上进行横向和垂向冲击计算，其计算结果表明管路的固定支架接头、弯头处是应力最大的区域，出现了应力集中现象，应力水平较高甚至达到了塑性变形的程度。横向和垂向冲击载荷下应力水平见图3所示。
图3 管路系统冲击计算结果
从图3中可以看出，管道系统中应力最大的区域均是位于阀门等质量集中点的附近。在冲击载荷时，集中质量点位移造成相连邻近区域弯曲应力过大导致。应力最大点位于挠性接管附近的固定支架处。挠性接管是系统刚度最小的区域，其后部阀门在冲击载荷下的造成连接部位的应力水平是系统最大应力处。
管道在冲击工况下最大应力已经超过了许用应力240MPa，为此，在质量集中区域节点15-16之间、节点8-9之间支吊架替换为阻尼支吊架，并进行验算。以横向冲击为例，其计算结果见图4所示。从图中可以看出，设置阻尼支吊架后可以大幅降低管路系统应力水平，提高系统抗冲击性能。
图4 管路系统应用阻尼支架前后冲击计算对比
3 结论
本文基于常见的三折线冲击设计谱进行了某系统管道的冲击计算，具体介绍了基于管道应力分析软件进行冲击计算的管路及附件建模模拟方法，同时对系统的冲击响应、系统应用阻尼支架后的冲击性能进行研究，结论如下：
(1)系统管路质量集中附近的固定支架接口处、弯头等部位出现了应力集中现象，是系统应力最大的部位。
(2)阻尼支架的应用对提高管道系统抗冲击效果是明显的。
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本文标题：典型船舶管道系统冲击响应分析
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