船用柴油機抗沖擊試驗中測點布設(shè)方法研究

高浩鵬，宋敬利，馮麟涵，沈曉樂

（1.中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連 116041；2.海軍裝備研究院，北京100161）

船用柴油機抗沖擊試驗中測點布設(shè)方法研究

高浩鵬1，宋敬利1，馮麟涵2，沈曉樂1

（1.中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連 116041；2.海軍裝備研究院，北京100161）

為有效評估艦船抗沖擊試驗中柴油機的沖擊環(huán)境及其抗沖擊性能，該文選取某型柴油機為研究對象，基于計算多體動力學(xué)理論，結(jié)合有限元方法，對其依次進行多剛體動力學(xué)、剛?cè)峄旌隙囿w動力學(xué)、沖擊動力學(xué)建模。基于建立的模型，計算得到艦載柴油機遭受水下爆炸沖擊時加速度、位移時程曲線及曲軸的應(yīng)力分布。結(jié)合毀傷理論，分析計算結(jié)果中不同參數(shù)的分布規(guī)律，給出柴油機抗沖擊測量中不同測量參數(shù)的測點位置選取，為實際測量方案的制定奠定基礎(chǔ)。整個建模和分析過程不失一般性，可應(yīng)用于其他艦載機械設(shè)備。

單船舶機械；測點布設(shè)；多體動力學(xué)；抗沖擊；柴油機

0　引　言

水下爆炸時，沖擊波［1-2］、氣泡脈動［3-4］、水射流［5-6］等載荷直接作用于船體結(jié)構(gòu)。雖然艦載柴油機不直接遭遇各種水下爆炸載荷的作用，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作方式多樣等特點［7］，因此抗沖擊能力更加脆弱［8］。目前開展的船載柴油機抗沖擊研究主要集中于柴油機零部件及分系統(tǒng)的沖擊機試驗，如分配電箱［9］、曲柄連桿機構(gòu)［10］等；對于柴油機整機的抗沖擊研究主要基于仿真計算方法［11］。隨著抗沖擊測試技術(shù)的發(fā)展，基于浮動沖擊平臺及實船的柴油機整機抗沖擊試驗成為可能［12］。對柴油機抗沖擊性能評估主要通過測量得到的加速度、應(yīng)變、速度、位移等物理參數(shù)或衍生參數(shù)進行［13］，但是在柴油機整機抗沖擊試驗測量過程中，測點位置選取的不同使得測試物理參數(shù)的值不同，進而影響對柴油機抗沖擊性能以及沖擊環(huán)境的客觀評估［14］。故艦載柴油機抗沖擊測量試驗中如何系統(tǒng)、科學(xué)地選取測點是測量研究的重點和難點問題之一。

本文選取某型柴油機為研究對象，基于計算多體動力學(xué)理論，以仿真計算方法為主，根據(jù)不同測量參數(shù)的特點，從機械設(shè)備在沖擊環(huán)境下不同的破壞形式為切入點，系統(tǒng)性地研究水下爆炸沖擊作用下測點的布設(shè)方法。

1　柴油機抗沖擊仿真建模

柴油機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件較多，能否準(zhǔn)確地其進行物理建模對計算結(jié)果有直接的影響。本文基于多體動力學(xué)理論［15］，以參數(shù)化控制的方式對柴油機整機進行物理和力學(xué)建模。

1.1多剛體動力學(xué)建模

首先通過三維實體建模軟件建立了柴油發(fā)電機組的實體模型（包括柴油機、同步電機、公共底座以及隔振器等），在此基礎(chǔ)上導(dǎo)入到多體動力學(xué)軟件中建立其多剛體動力學(xué)模型。

柴油機整機有上千個零部件，在建立多剛體模型時必須對其進行簡化，將整個機組簡化為包括活塞、連桿、曲軸、平衡軸、凸輪軸、氣缸蓋、電機轉(zhuǎn)子、機座、主軸承、機腳等在內(nèi)的46個剛體，如圖1所示。

圖1　柴油機多剛體動力學(xué)模型

柴油機涉及系統(tǒng)較多，邊界條件極其復(fù)雜，本文添加的柴油機邊界條件主要有：柴油機發(fā)火順序及間隔角、氣缸壓力、各個剛體之間的約束、剛體之間的力元以及運動驅(qū)動等。其中發(fā)火順序及間隔角與柴油機實際工作中一致；氣缸壓力通過實測曲線按照曲柄轉(zhuǎn)角進行添加；各剛體之間的約束通過抽象構(gòu)件間關(guān)系而來［16］；運動驅(qū)動主要為轉(zhuǎn)速的添加；剛體之間的力元主要指整機組隔振系統(tǒng)的添加，隔振系統(tǒng)由6個橡膠隔振器組成，隔振器的參數(shù)如表1所示。

表1　隔振器參數(shù)

1.2剛?cè)峄旌隙囿w動力學(xué)建模

柴油機剛?cè)岫囿w系統(tǒng)建模的理論基礎(chǔ)是計算多剛體系統(tǒng)理論與結(jié)構(gòu)動力學(xué)有限元方法的結(jié)合?？紤]到柴油機工作的特點及建模的規(guī)模，文中選取柴油機曲軸作為典型零部件對其進行柔性化處理，并融合到多剛體系統(tǒng)模型中建立剛?cè)峄旌蟿恿W(xué)分析模型。其具體過程為：生成六面體實體網(wǎng)格→添加載荷、材料屬性等→設(shè)置求解參數(shù)并計算得到模態(tài)中性文件→將該中性文件導(dǎo)入到多體動力學(xué)軟件中進行剛?cè)崽鎿Q。曲軸共劃分23111個單元、28041個節(jié)點，添加多點約束后進行模態(tài)分析驗證模型的正確性，多點約束有限元模型如圖2所示。

圖2　多點約束有限元模型

1.3沖擊動力學(xué)建模

對于水面艦船來講，在遭遇水中兵器水下爆炸攻擊時，其沿甲板的垂向響應(yīng)較大。為了便于研究分析，工程上常將復(fù)雜的波形簡化為幾種理想的、形狀規(guī)則的脈沖波形。參照德國BV043/85標(biāo)準(zhǔn)，主要有組合三角波和組合半正弦波兩種波形。本文選取組合半正弦波進行研究，其波形如圖3所示，圖中各參數(shù)計算如下式所示：

式中：A0——沖擊響應(yīng)譜加速度；

V0——沖擊響應(yīng)譜速度；

D0——沖擊響應(yīng)譜的相對位移。

圖3　組合半正弦波

組合半正弦波加載法的重點是要確定a2、a4、t1、t2這4個參數(shù)的數(shù)值。參照德國艦艇建造規(guī)范BV043/85標(biāo)準(zhǔn)，取甲板垂向沖擊譜，得到等位移譜D0=0.042m、等速度譜V0=6.0 m/s、等加速度譜A0=1 666 m/s2，將這些數(shù)據(jù)代入式（1），求解得到4個參數(shù)數(shù)值如表2所示。

表2　組合半正弦波4個特征參數(shù)取值

在多體動力學(xué)中通過IF函數(shù)來實現(xiàn)組合半正弦波的激勵添加，將表2中求解得到的4個特征參數(shù)代入IF函數(shù)得到具體的組合半正弦波如圖4所示（激勵開始時刻為0.2s）。

圖4　組合半正弦波曲線

2　柴油機抗沖擊仿真結(jié)果分析

基于組合半正弦波加載法建立的柴油機沖擊動力學(xué)模型，當(dāng)柴油發(fā)電機組在額定工況工作時，通過求解計算得到其主要結(jié)果。

2.1加速度結(jié)果及分析

對于機械構(gòu)件來講，加速度是描述構(gòu)件運動特征的參數(shù)之一。沖擊加速度能反映水下爆炸沖擊能的大小，測量加速度是一種常用的測試方法。本文對柴油機運動件、垂向不同高度等多處典型測點的加速度進行分析，發(fā)現(xiàn)柴油機受到水下爆炸沖擊時：運動件加速度幅值較大；垂向沖擊激勵會耦合引起橫向和縱向的加速度響應(yīng)，特別是縱向較為明顯；加速度峰值從下到上有一定的衰減；對比加速度響應(yīng)和組合半正弦輸入發(fā)現(xiàn)，沖擊峰值在同一個數(shù)量級上，衰減率約43%。圖5列出了沖擊條件下機腳3個方向的加速度響應(yīng)曲線。

圖5　機腳加速度響應(yīng)曲線

2.2位移結(jié)果及分析

位移測量一般主要應(yīng)用于彈性元器件，在整個柴油機組件中由于存在大量管系及彈性構(gòu)件，所以對沖擊條件下位移響應(yīng)測量是必要的。對位移結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)：垂向沖擊激勵會耦合引起橫向和縱向的位移響應(yīng)，特別是縱向較為明顯；測點從下到上位移量呈現(xiàn)遞增趨勢，在運動件附近由于缸壓作用位移量較大。圖6列出了沖擊條件下機體質(zhì)心3個方向的位移響應(yīng)曲線。

圖6　機體質(zhì)心位移響應(yīng)曲線

2.3應(yīng)力結(jié)果及分析

抗沖擊試驗中，應(yīng)力值大小直接反映結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)，所以對沖擊條件下構(gòu)件的應(yīng)力分析十分必要。實際試驗中通過對應(yīng)變的測量來對構(gòu)件的應(yīng)力值給出評價。通過對柴油機結(jié)構(gòu)及工作的特點分析，柴油機曲軸本身受力較大，是柴油機做功的直接輸出構(gòu)件，水下爆炸沖擊條件下其安全性尤為重要。由于建模工作量大，且本文更注重過程方法研究，文中僅選取曲軸為柔性體進行建模。求解得到曲軸最大應(yīng)力值278.9 MPa、對應(yīng)時間為0.237 8 s、對應(yīng)節(jié)點號27708；沒有受到水下爆炸沖擊且正常工作時應(yīng)力最大值為232.5MPa。水下爆炸沖擊時最大應(yīng)力值產(chǎn)生時刻的曲軸應(yīng)力云圖如圖7所示，27 708號節(jié)點動態(tài)應(yīng)力曲線如圖8所示。

圖7　曲軸應(yīng)力云圖

圖8　節(jié)點27708動態(tài)應(yīng)力曲線

對應(yīng)力結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)：曲柄臂與連桿軸頸交匯處、主軸承與曲柄臂交匯處應(yīng)力峰值較大；沖擊條件下曲軸最大應(yīng)力值沒有超過其屈服強度，曲軸正常工作時應(yīng)力峰值與沖擊條件下峰值比值約為83%。

3　測點布設(shè)方法研究

對于一般的艦載設(shè)備受到水下爆炸沖擊時其常見的破壞方式具體體現(xiàn)在：結(jié)構(gòu)件應(yīng)力過大引起永久變形、松脫或斷裂，造成結(jié)構(gòu)件強度破壞；設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與結(jié)構(gòu)之間的相對運動引起的碰撞、擠壓，造成設(shè)備或結(jié)構(gòu)的損壞與破壞；機械系統(tǒng)原有作用力的平衡遭到破壞，使設(shè)備性能變壞或機械系統(tǒng)功能被破壞等?；诜抡嬗嬎銛?shù)據(jù)，結(jié)合結(jié)構(gòu)毀傷理論，本文主要從以下4個方面對艦載柴油機抗沖擊試驗時測點布設(shè)方案進行分析。

1）加速度測點選取

基座和機腳處：基座處的加速度測量用于分析沖擊輸入，機腳處測量結(jié)合基座處測量結(jié)果可以對隔振器的固有頻率和緩沖效率進行分析，并作為柴油機自身沖擊能量的輸入?yún)⒖?。機體上靠近曲軸處：仿真分析表明該處加速度值較大，測量結(jié)果可用于研究分析柴油機自身激勵與沖擊激勵的耦合作用，當(dāng)柴油機在可能存在水下爆炸沖擊情況時給出使用方面的建議。一些電子設(shè)備的外掛件：這些部位的加速度測量可對外掛件的固有頻率進行分析，判斷其結(jié)構(gòu)的合理性，并為結(jié)構(gòu)改進奠定基礎(chǔ)，同時可以考核電子設(shè)備的抗沖擊能力。

2）位移測點選取

隔振器處：主要測量隔振器的變形，判斷沖擊條件下隔振器的工作性能。柴油機與其他設(shè)備連接處：仿真計算結(jié)果表明柴油機受到?jīng)_擊時上部的橫向和縱向位移較大，因為管系（如海水冷卻管系、淡水冷卻管系、燃油管系等）主要導(dǎo)通液體和氣體，其固有頻率和脈動頻率較為復(fù)雜，位移過大容易引起的撕裂破壞，另外這種低頻的位移響應(yīng)容易引起同艙室其他設(shè)備的共振。柴油機與電機彈性聯(lián)軸節(jié)：仿真計算結(jié)果表明，沖擊條件下柴油機與電機結(jié)構(gòu)的差異性導(dǎo)致沖擊響應(yīng)在幅值和相位上都有較大差異，測量聯(lián)軸節(jié)的位移可以判斷沖擊時柴油發(fā)電機組沖擊條件下的匹配性。強受力部位的螺栓連接處：如連桿大端的連接螺栓，該處主要受較大的往復(fù)載荷，在沖擊時主要判斷螺栓是否松脫。

3）應(yīng)變測點選取

曲柄臂與連桿軸頸連接處：數(shù)值計算表明曲柄臂與連桿軸頸連接處應(yīng)力峰值較大，在此處應(yīng)對其應(yīng)變進行測量。柴油機機腳螺栓：通過仿真計算可以發(fā)現(xiàn)，柴油機工作時受到一個可示意為以機腳為支點的扭矩，沖擊條件時可能會放大這個扭矩，使得機腳螺栓產(chǎn)生剪切破壞。一些負(fù)重大的懸臂梁結(jié)構(gòu)的連接螺栓（如冷凝器連接螺栓）：冷凝器懸掛于柴油機頂部，當(dāng)受到垂向沖擊時，由于慣性力較大容易使得連接螺栓產(chǎn)生剪切或拉伸破壞。

4）其他參數(shù)選取

柴油機轉(zhuǎn)速：柴油機調(diào)速器是一個精度要求較高的系統(tǒng)，沖擊條件下若調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)故障容易產(chǎn)生柴油機飛車失速，甚至產(chǎn)生大的事故；另外，沖擊條件下容易使得柴油機動力傳遞組件的運動規(guī)律產(chǎn)生瞬時變化，容易使得柴油機曲軸轉(zhuǎn)速波動較大，進而使得發(fā)電機組出現(xiàn)斷電等影響。

4　結(jié)束語

對柴油機抗沖擊能力研究主要有試驗和計算兩種方法，試驗方法較為準(zhǔn)確但成本高。文中基于計算多體動力學(xué)理論，結(jié)合沖擊動力學(xué)理論和有限元方法，對艦載柴油機依次進行多剛體動力學(xué)、剛?cè)峄旌隙囿w動力學(xué)、沖擊動力學(xué)建模，在此基礎(chǔ)上對加速度、位移、應(yīng)變等參數(shù)進行求解分析，結(jié)果表明仿真建模及分析計算的可行性，為實際測量方案的制定奠定基礎(chǔ)。整個建模和分析過程不失一般性，可應(yīng)用于其他艦載機械設(shè)備。雖然文中對柴油機建模較為精確，但較少地考慮了構(gòu)件間的接觸、油膜、螺栓連接等關(guān)系，故仿真計算結(jié)果的準(zhǔn)確性還需要進一步提高。

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（編輯：李妮）

Method research of the test point arrangement for marine diesel in anti-shock test

GAO Haopeng1，SONG Jingli1，F(xiàn)ENG Linhan2，SHEN Xiaole1
（1.Unit 91439 of PLA，Dalian 116041，China；2.Naval Academy of Armament，Beijing 100161，China）

In order to assess the shock environment and impact resistance of diesels in anti-shock test，a diesel was selected as research object in this paper.A series of models including rigid multi-body dynamics，rigid-flexible multi-body dynamics and shock dynamics were established in succession according to the theory of multi-body dynamics and the finite element method.Based on these models，the acceleration curve，displacement curve and stress nephogram of the carrierborne diesel caused by the impact of underwater explosion were obtained，and the distribution law of different parameters in the calculations was analyzed in line with the damage theory.The location of test points of different measured parameters in diesel anti-shock test was given for selection.The results have laid a certain foundation for the preparation of actual anti-shock schemes.The whole modeling and analysis process did not lose its generality and the method can be applied in other shipboard machinery.

marine machinery；test point arrangement；multi-body dynamics；anti-shock；diesel

A

1674-5124（2016）05-0140-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.05.029

2015-10-17；

2015-11-13

國家自然科學(xué)基金（51209215）

高浩鵬（1986-），男，陜西楊凌示范區(qū)人，工程師，博士，研究方向為水下爆炸試驗測量與數(shù)值仿真。