摘要：舰船在服役期内可能遇到来自接触或非接触爆炸的冲击作用，接触爆炸形成高强度的局部破坏，会波及部分舱内设备，但大部分能量耗于船体结构的损伤，非接触爆炸通常很难使船体结构出现破口，然而其冲击作用遍及整船，可造成难以自行修复的大范围设备破坏。因此，水下非接触爆炸引起的冲击破坏更具有全船性和严酷性。

关键词：钛合金;阀门;响应谱;抗冲击;

现阶段，使用冲击设计分析方法主要有等效静力法、动态设计分析法和时域模拟法。等效静力法只考虑了受冲击结构的质量效应，当一阶响应是设备的主要破坏因素时尚可适用，而当高频破坏是设备的主要破坏因素时则不适用，因此这种方法只能主要用于分析设备的地脚螺栓和固定螺栓的强度;动态设计分析方法是目前国际上通行的设备抗冲击分析方法，动力学设计分析方法的分析理论与常规反应谱分析方法相同，都采用模态叠加法的线性分析，采用该方法对鱼雷发射装置和柴油机排气消声器的抗冲击性能进行了分析。

一、阀门结构特点

1.钛材较贵，为经济、合理使用钛材，在不与腐蚀介质接触的部位，应尽量不用钛制零件。

2.钛材的力学性能随温度而改变，其值较一般碳素钢或合金钢大。其强度指标随温度上升而下降，如250～300℃时的抗拉强度和屈服强度约为常温时的50%。因此，即使在设计温度不高的情况下，也应按设计温度下的强度值选取。钛的屈强比高、持久强度好，因此，设计温度在316℃以下时，决定设计强度指标的往往是该温度下的抗拉强度值。工业纯钛是不能通过热处理来提高强度指标值的。钛的热膨胀系数小，当钛和其他材料联合使用时，要注意膨胀值差引起的应力。

3.工业纯钛和α-钛合金压力加工时的塑性变形范围小，容易产生破裂。而提高变形速度或降低变形温度等都可能导致加工中的破裂。因此，最好不要设计变形量大的冷加工件。在需要翻边的地方，弯曲半径尽量取得大一些。用强度胀连接的管子与管板管孔之间的间隙公差要小，以免钛管胀裂。

4.选用钛制螺栓时，必须考虑由于钛在常温下也有蠕变现象而产生应力松弛问题，最好不用钛制螺栓作强制密封的连接件。当因耐腐蚀须用钛制螺栓时，结构设计需考虑易于定期拧紧螺栓以保证密封。钛和不锈钢一样，也具有摩擦粘结和咬合现象。钛制螺纹易咬合，可使用异种材料或较大间隙的螺纹配合或用适当的润滑剂解决。应少采用需要攻丝的内螺纹，尽量选用带退刀槽的车制螺纹结构。同样，通过手轮旋转阀杆控制钛阀的调节及动作，应通过材料性能和各个零件的工艺性来保证。

5.结构设计时要最大限度地消除缝隙和可以存水的凹处，以避免钛在某些介质中发生缝隙腐蚀现象。尤其是钛与四氟形成的缝隙，比钛-钛之间的缝隙还容易受到腐蚀，因为钛对于含有少量可溶性氟化物的溶液是不耐腐蚀的，氟化物使钝态破坏。因此，在使用聚四氟乙烯塑料垫，含氟的橡胶垫圈和粘结剂时应特别谨慎。

6.由于钛的高度化学活性和特殊的物理、机械性能，对其进行切削加工可以采用一般的切削加工方法，但与其他常用金属比，还有其特殊要求，掌握一定的加工技术，加工过程中加以注意。为防止温升过大，应采用较低的切削速度，一般来说，应比与其相同硬度的钢件的切削速度低25%～50%或更低。采用大的进刀量，进刀量对温升影响很小。在切削过程中不要停止走刀，否则会引起加工硬化或产生烧结、挤裂而损坏刀具。

二、模型计算分析

1.模态分析。该角型截止阀正常工作状态为开启状态，为保证模型与试验工况一致，调整结构模型至正常工作状态，并对模型进行网格划分，将不同的结构赋予对应的材料属性，对模型的进、出口端施加固定约束，并在阀腔内施加5 MPa设计压力，分析结构的模态特征。根据GJB 1060.1要求，分析的模态中应包括模态质量大于系统总质量的10%的所有模态，即在模态计算时得到的前若干阶模态质量总和应大于总质量的90%，选择分析的总模态质量应大于分析系统总质量的80%，对该角型截止阀模型进行模态分析，得到前18阶的三向模态质量，各向模态质量的总和均大于系统总质量的90%，选择其中模态质量占比较大的所有模态，选择的各向模态质量总和均大于系统总质量的80%，满足GJB 1060.1中要求。

2.冲击分析。根据GJB 1060.1中要求，不同安装部位的设备，其加速度设计值计算公式不同，对于船体和外板安装部位的设备，A0为击准速度，ma为冲击加速度。其冲击加速度与基准加速度的关系。三向应力的最大值分别为102.94、59.678和34.764 MPa。最大应力值为横向应力，位置在阀杆与阀杆螺母连接处。TA31的屈服强度740MPa，取安全系数n=3，得到其许用应力为246.7 MPa，大于模型的最大冲击应力，该模型满足设计要求。

三、试验验证

将该阀门置于冲击试验台，调整阀门至开启工作状态，在水平端口通入5 MPa清水。将阀门的进、出口法兰固定于冲击试验平台，按GJB150.18《军用设备环境试验方法冲击试验》中要求对其进行抗冲击性能试验。试验结束后，阀门零部件完整无松动，填料密封无泄漏，该样机满足标准要求。由于样机在进行抗击试验后，仅能通过外观判断其结构完整性和密性可靠性，不能显示样机受冲击过程的危险部位。因此，采用数值模拟方法可快速判断结构件易损部位，为样机设计提供参考。

四、不同材质抗冲击性能分析

以该角型截止阀为模型，分析不同材质的抗冲击性能。研究以常用的纯钛、钛合金、不锈钢、铜合金材质为例，对结构抗冲击性能进行分析，常用的铸/锻件材料为ZTA2/TA2、ZTC4/TA31、ZG08Cr18Ni9/06Cr19Ni10、ZCuAl9Fe4Ni4Mn2/QAl10-5-5，将4种材质的材料属性分别赋予至各零部件，采用响应谱分析方法对模型进行分析，得到相同模型不同材质下的抗冲击性能。不同材质下模型的最大冲击应力均为横向应力，其横向对应的应力分布可知，同型号规格的角型截止阀，在受到相同冲击载荷的作用下，最大应力位置基本相同，即应力分布受结构影响较大，受材料影响较小。纯钛和钛合金材质的最大应力小于铜合金和不锈钢材质的最大应力，即冲击产生的应力值受材料影响较大，其最大应力均出现在阀杆端部，该阀杆由锻件加工完成。由于不同材质的屈服强度不同，以最大应力与屈服强度比值为判断依据，对比不同材质的抗冲击性能，比值越小证明材料抗冲击安全性越高，不同材质的抗冲击性能由强到弱依次排列为TA31、TA2、QAl10-5-5、06Cr19Ni10。

总之，采用响应谱分析方法对钛合金角型截止阀的抗冲击性能进行分析，并采用试验方法对其分析结果进行验证，结果表明响应谱分析方法可为样机的设计提供有效参考。同型号规格不同材质的模型，在相同的冲击载荷作用下，应力分布和最大应力位置基本相同，最大应力值差别较大，即应力分布受结构影响较大，受材料影响较小，最大应力值受材料影响较大。同型号规格不同材质的模型，在相同的冲击载荷作用下，纯钛和钛合金结构的最大应力明显小于铜合金和不锈钢结构的最大应力，以最大应力与屈服强度比值为判断依据，对比不同材质的抗冲击性能，抗冲击性能由强到弱依次排列为TA31、TA2、QAl10-5-5、06Cr19Ni10

参考文献

[1]王萍，关于钛合金阀门抗冲击性能分析.2019.

[2]刘宏宇，浅谈钛合金阀门抗冲击性能研究.2020.