柴油機(jī)耐壓排氣管段材料優(yōu)選及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

,四娣

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

在以往的潛艇柴油機(jī)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要以加大耐壓部件的厚度來保證承壓能力，隨著承壓要求的提高，若不進(jìn)行材料優(yōu)選和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)而片面地加大耐壓部件的厚度，以承受舷外海水的壓力，勢(shì)必使排氣系統(tǒng)的重量大大增加。由于柴油機(jī)排氣系統(tǒng)的重量重心較高，對(duì)總體性能特別是穩(wěn)性將造成不利的影響。為避免這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，應(yīng)對(duì)排氣耐壓管段進(jìn)行材料優(yōu)選及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。

1 耐壓直管

柴油機(jī)排氣系統(tǒng)耐壓管段主要可分為：①耐壓直管;②耐壓彎管;③帶水套的球形三通管;④耐壓三通管。

耐壓直管由薄壁圓柱體管段與法蘭焊接而成。以一段通徑為DN400、長度為1.8 m的管段為對(duì)象進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算方案選取921A鋼(GJB1663A—2005)和鈦合金材料Ti80(Q/725—1173—2001)兩種材料，制定3種結(jié)構(gòu)方案：未采取加強(qiáng)措施的光管結(jié)構(gòu)；設(shè)置了兩道“T”形加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋間距離為600 mm(見圖1a))；設(shè)置了3道“T”形加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋間距離為450 mm(見圖1b))，共設(shè)計(jì)6個(gè)方案，對(duì)各方案進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定性有限元分析，各個(gè)方案的主要計(jì)算結(jié)果及特點(diǎn)見表1。

圖1 帶加強(qiáng)筋的耐壓直管

方案材料壁厚/mm結(jié)構(gòu)特征重量/kg說明一921A14.5 未采取加強(qiáng)措施的光管結(jié)構(gòu)277含腐蝕余量二Ti8012.0 未采取加強(qiáng)措施的光管結(jié)構(gòu)131三921A12.0 設(shè)置了2道加強(qiáng)筋(見圖1a))252含腐蝕余量四Ti808.0 設(shè)置了2道加強(qiáng)筋100五921A11.5 設(shè)置了3道加強(qiáng)筋(見圖1b))254含腐蝕余量六Ti807.5 設(shè)置了3道加強(qiáng)筋102

計(jì)算表明，耐壓直管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，但其強(qiáng)度較好，當(dāng)受到的海水外壓增大時(shí)，這一矛盾更加突出。在設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)管段進(jìn)行加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高其穩(wěn)定性，使強(qiáng)度與穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)參數(shù)相匹配。在管段外壁焊接“T”形加強(qiáng)筋以達(dá)到提高穩(wěn)定性的作用。計(jì)算結(jié)果表明，以600 mm的距離設(shè)置“T”形加強(qiáng)筋，可以在控制重量的前提下，最有效地提高管段的穩(wěn)定性。方案四在保證使用要求的前提下，重量最輕，為優(yōu)選方案。

通過分析計(jì)算，可以得出耐壓直管的材料優(yōu)選和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下。

1)921A鋼與鈦合金鋼均可滿足設(shè)計(jì)要求，采用鈦合金材料的重量明顯輕于采用921鋼板的重量，并且鈦合金材料具有較好的防腐蝕性能，可達(dá)到與艇同壽命，對(duì)于腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重的排氣管路應(yīng)盡量采用該種材料；在總體性能允許的前提下，對(duì)于腐蝕現(xiàn)象較輕的進(jìn)氣管段可選用921A鋼。

2)以薄壁圓柱體管段為主體結(jié)構(gòu)的耐壓直管，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，但強(qiáng)度較好，當(dāng)受到的海水外壓增大時(shí)，這一矛盾將會(huì)更加突出，因此在安裝空間允許的前提下，在設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)管段進(jìn)行加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高其穩(wěn)定性，使強(qiáng)度與穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)參數(shù)相匹配，避免一味地增加管段壁厚來滿足穩(wěn)定性要求，并在控制重量的前提下選取最佳加強(qiáng)方案。

3)多方案的分析計(jì)算表明，耐壓直管進(jìn)行加強(qiáng)穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有如下特征：在管段的外壁焊接“T”形加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)對(duì)提高其穩(wěn)定性效果較優(yōu)，“T”形加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的設(shè)置以距離控制在600 mm為佳，加強(qiáng)筋與法蘭間的距離也應(yīng)控制在600 mm左右。

2 耐壓彎管

耐壓彎管由兩根呈一定角度的薄壁圓柱體管段焊接而成，兩端與法蘭焊接，選取一段通徑為DN400的管段進(jìn)行分析計(jì)算。采用921A鋼及鈦合金板材Ti80各設(shè)計(jì)了一個(gè)不采取加強(qiáng)措施，僅以增加壁厚來達(dá)到承受海水外壓要求的進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定性有限元分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出與耐壓直管相同的結(jié)論：耐壓彎管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，但其強(qiáng)度較好，當(dāng)受到的海水外壓增大時(shí)，這一矛盾更加突出。在設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)管段進(jìn)行加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高其穩(wěn)定性，使強(qiáng)度與穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)參數(shù)相匹配。

針對(duì)這一計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)2種以提高管段穩(wěn)定性為目的的加強(qiáng)措施，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，與所選定的921A鋼和鈦合金材料進(jìn)行組合，得到4個(gè)方案(見表2)。對(duì)這4個(gè)方案進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定性有限元分析，各方案的主要計(jì)算結(jié)果及特點(diǎn)見表2。其中方案二在保證使用要求的前提下，重量最輕，為優(yōu)選方案。

表2 耐壓彎管結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案對(duì)比

在研究過程中，對(duì)部分尺寸如加強(qiáng)筋與管段連接處的距離進(jìn)行多次調(diào)整，分析計(jì)算結(jié)果表明：加強(qiáng)筋間距的選取對(duì)加強(qiáng)效果的好壞起到較大的作用，當(dāng)加強(qiáng)筋與管段連接處的距離、加強(qiáng)筋與法蘭之間的距離在600 mm左右時(shí)，加強(qiáng)效果最佳。正確選取加強(qiáng)筋間的距離是達(dá)到最佳結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

圖2 帶加強(qiáng)筋的耐壓彎管

分析計(jì)算得出耐壓彎管的材料優(yōu)選和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下。

1)921A鋼與鈦合金鋼均可滿足設(shè)計(jì)要求，采用鈦合金材料的重量明顯輕于采用921鋼板的重量，并且鈦合金材料具有較好的防腐蝕性能，可達(dá)到與艇同壽命，對(duì)于腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重的排氣管路應(yīng)盡量采用該種材料；在總體性能允許的前提下，對(duì)于腐蝕現(xiàn)象較輕的進(jìn)氣管段可選用921A鋼。

2)以薄壁圓柱體管段為主體結(jié)構(gòu)的耐壓彎管，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，但其強(qiáng)度較好，當(dāng)受到的海水外壓增大時(shí)，這一矛盾將會(huì)更加突出。因此在安裝空間允許的前提下，在設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)管段進(jìn)行加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高其穩(wěn)定性，使強(qiáng)度與穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)參數(shù)相匹配，避免一味地增加管段壁厚來滿足穩(wěn)定性要求，并在控制重量的前提下選取最佳加強(qiáng)方案。

3)通過多方案的分析計(jì)算表明，耐壓彎管進(jìn)行加強(qiáng)穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有如下特征：在兩管段的連接部位兩邊各設(shè)置一道“T”形加強(qiáng)筋，并用肋板連接。加強(qiáng)筋與管子連接處的距離、加強(qiáng)筋與法蘭之間的距離應(yīng)控制在600 mm左右。若管段長度較長，無法保證這兩個(gè)距離均為600 mm時(shí)，可再設(shè)置一道加強(qiáng)筋。在保證加強(qiáng)筋與法蘭的距離為600 mm的前提下，可將加強(qiáng)筋盡量靠近管段連接部位。

3 帶水套的球形排氣三通管

為保證排氣系統(tǒng)的安全使用，避免灼熱的排氣管段對(duì)使用者造成傷害，部分排氣管段帶有水套，選取結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的帶水套的球形排氣三通管為例,對(duì)該類管段進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，得到帶水套的耐壓排氣管段的材料優(yōu)選和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，提出材料優(yōu)選方案和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

根據(jù)目前的使用情況，帶水套的球形排氣三通管腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，并且由于其管段外部焊有水套，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，用一般的防腐措施難以達(dá)到較理想的防腐效果，因此管段的材料應(yīng)選用具有良好防腐蝕性能的鈦合金制造。

球形排氣三通管其主體為一薄壁圓球，在其表面開有3個(gè)圓孔，焊接通向各個(gè)方向的管段。目的是為滿足排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需將多個(gè)不在同一平面上的管路連接在一起，達(dá)到互相貫通的要求，見圖3。對(duì)球形排氣三通管進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定性有限元分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表3。

圖3 帶水套的球形排氣三通管

計(jì)算項(xiàng)壁厚/mm材料計(jì)算結(jié)果重量/kg強(qiáng)度8ZTi60 最大應(yīng)力為287 MPa,安全系數(shù)為2.05287穩(wěn)定性7ZTi60 非線性臨界載荷約為10.5 MPa210

分析計(jì)算結(jié)果表明，球形排氣三通管，其主要問題為強(qiáng)度問題，當(dāng)其強(qiáng)度滿足要求時(shí)，就可滿足使用要求。最大應(yīng)力部位主要集中在球形頭與排氣管段的連接部位，將球形排氣三通管的結(jié)構(gòu)由分段焊接改為整體鑄造，球頭與管段的連接部位采用圓弧過渡，就可以有效降低管段的最大應(yīng)力，達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。鈦合金配套鑄造材料ZTi60具有較好的流動(dòng)性，鑄造性能較好，可以滿足整體鑄造件的要求。

通過分析計(jì)算可以得出帶水套的球形耐壓排氣三通管的材料優(yōu)選和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下。

1)為提高防腐蝕性能，借鑒目前現(xiàn)有的使用經(jīng)驗(yàn)，采用鈦合金材料設(shè)計(jì)制造。

2)耐壓球形三通管在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要需解決的問題是保證管段的強(qiáng)度要求，當(dāng)強(qiáng)度滿足要求時(shí)，穩(wěn)定性也滿足使用要求。

3)耐壓球形三通管的應(yīng)力集中部位主要在球形頭與排氣管段的連接處。為有效降低該部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使管段的最大應(yīng)力減小，達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的，將耐壓球體與排氣管段由分段焊接改為整體鑄造成型，球頭與排氣管連接部位采用圓弧過渡。

4 耐壓三通管

耐壓三通管由兩根直徑為400、450 mm的圓椎管和一根直徑為450 mm圓柱管焊接而成，各端與法蘭焊接，耐壓三通管的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅憑管段本身的結(jié)構(gòu)滿足使用要求將會(huì)使管段重量過大，應(yīng)在耐壓三通管外部設(shè)置加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。見圖4。

圖4 耐壓三通管

采取這種加強(qiáng)結(jié)構(gòu)后的耐壓三通管其穩(wěn)定性得到了較好的改善。按圖4的結(jié)構(gòu)，采用921A鋼及鈦合金板材Ti80各設(shè)計(jì)了一個(gè)耐壓三道管，進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定性有限元分析。

分析計(jì)算結(jié)果表明，采用圖4加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐壓三通管，其主要問題為強(qiáng)度問題，當(dāng)其強(qiáng)度滿足要求時(shí)，穩(wěn)定性也可滿足使用要求。耐壓三通管的應(yīng)力主要集中在管段的分叉部位。針對(duì)這一現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，通過計(jì)算比較，在管段的分叉部位加3個(gè)襯板(局部模型見圖5)，可以有效地減小該處的應(yīng)力，達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的，并且結(jié)構(gòu)簡單、工藝可行。

圖5 優(yōu)化后的三通管局部模型

綜上所述，耐壓三通管的材料優(yōu)選和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下。

1)921A鋼與鈦合金鋼均可滿足設(shè)計(jì)要求，采用鈦合金材料的重量明顯輕于采用921A鋼板的重量，并且鈦合金材料具有較好的防腐蝕性能，可達(dá)到與艇同壽命，對(duì)于腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重的排氣管路應(yīng)盡量采用該種材料；在總體性能允許的前提下，對(duì)于腐蝕現(xiàn)象較輕的進(jìn)氣管段可選用921A鋼。

2)借鑒現(xiàn)有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)耐壓三通管采取如圖4的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高其穩(wěn)定性，并對(duì)其應(yīng)力集中部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，見圖5。

5 結(jié)論

1)以薄壁圓柱體管段為主體結(jié)構(gòu)的耐壓排氣直管、彎管、三通管，均承受外壓，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，但其強(qiáng)度較好，當(dāng)受到的海水外壓增大時(shí)，這一矛盾將會(huì)更加突出。在設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)管段進(jìn)行加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高其穩(wěn)定性，使強(qiáng)度與穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)參數(shù)相匹配，在控制重量的前提下選取最佳加強(qiáng)方案。耐壓直管可在外壁焊接“T”形加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，耐壓彎管在兩管段的連接部位兩邊各設(shè)置一道“T”形加強(qiáng)筋，耐壓三通管目前現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已較好地解決了強(qiáng)度與穩(wěn)定性設(shè)計(jì)之間的矛盾，隨著承壓要求的增加，須對(duì)應(yīng)力集中部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2)球形耐壓結(jié)構(gòu)(如球形排氣三通管)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)須解決的是球頭與管段連接部位應(yīng)力集中而造成的強(qiáng)度問題，在設(shè)計(jì)中采用整體鑄造成型，球頭與排氣管連接部位采用圓弧過渡的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，減小應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3)921A鋼與鈦合金鋼均可滿足設(shè)計(jì)要求，采用鈦合金材料的重量明顯輕于采用921A鋼板的重量，并且鈦合金材料具有較好的防腐蝕性能，可達(dá)到與艇同壽命，但經(jīng)濟(jì)性較差。對(duì)于腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重的帶水套的排氣管路應(yīng)采用鈦合金鋼制造；在總體性能允許的前提下，對(duì)于腐蝕現(xiàn)象較輕的管段可選用921A鋼設(shè)計(jì)。