主機(jī)燃油增壓泵組抗沖擊計(jì)算

陳春軒

（天恒長鷹股份有限公司，北京 100083）

0 引言

主機(jī)燃油增壓底座是泵組和船體的連接結(jié)構(gòu)，也是設(shè)備的安裝基礎(chǔ)。底座既承受設(shè)備自重產(chǎn)生的靜載荷和設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷，同時(shí)又將船體所受的沖擊載荷傳遞給設(shè)備。艦船上的沖擊載荷包括：水中非接觸性爆炸、接觸性爆炸以及由炸彈在空中爆炸或艦船自己的武器發(fā)射所產(chǎn)生的氣浪等[1]。與靜載荷和動(dòng)載荷相比，沖擊載荷作用時(shí)間短、能量集中、造成的破壞大。由于底座所承受的沖擊力（速度、加速度）過大，使泵組設(shè)備遭到破壞；沖擊所引起的設(shè)備位移過大，使底座和泵組相連接的部分遭到破壞，導(dǎo)致泵組設(shè)備無法使用。由于實(shí)驗(yàn)條件苛刻，國內(nèi)對這方面的研究較少，僅僅停步在一些經(jīng)驗(yàn)公式的層面上，本文利用有限元法對泵組的沖擊進(jìn)行了計(jì)算，對該類問題的求解提供了一個(gè)新思路。

1 模態(tài)分析

1.1 建模

首先將全船燃油輸送泵組用Solidworks軟件進(jìn)行三維建模，如圖1所示。

圖1 主機(jī)燃油增壓泵組三維建模

因?yàn)榍笙到y(tǒng)對沖擊響應(yīng)的問題，屬于非線性有限元分析的范疇，選擇ANSYSworkbench進(jìn)行求解，首先將利用Soildworks軟件建立的底座部分單獨(dú)提取出來，導(dǎo)入到ANSYSWorkbench中進(jìn)行建模，并對模型作如下等效處理：

（1）保留底座，除去軸承以及軸承外圈的部分填料箱，軸承外的泵頭、聯(lián)軸器和電機(jī)可以用3個(gè)不同質(zhì)量的質(zhì)量點(diǎn)M1、M2、M3進(jìn)行等效處理，簡化后的設(shè)備坐標(biāo)如表1所示，M1、M2、M3的質(zhì)量如表2所示。

表1 設(shè)備點(diǎn)名稱及坐標(biāo)

表 2 M1、M2、M3 的質(zhì)量

（2）泵組中的螺栓、螺母等用剛性梁來簡化。

（3）地腳下面的減震器等效成阻尼，通過ANSYS轉(zhuǎn)換等等剛度的彈簧，彈簧的剛度K=0.74*103N/mm3.

（4）網(wǎng)格采用角部加密的劃分方法，保證計(jì)算的精度。

最終模型如圖2所示，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖2 主機(jī)燃油增壓泵邊界條件

圖3 主機(jī)燃油增壓泵網(wǎng)格

1.2 載荷的處理

在泵組計(jì)算模型中，載荷可按如下方式處理：

（1）對于底座自重，在ANSYS前處理程序中輸入設(shè)備的材料Q235A，程序便根據(jù)所輸入的單元截面形狀、實(shí)常數(shù)自動(dòng)將單元載荷因子的信息計(jì)入總載荷，進(jìn)行計(jì)算。

（2）安放在底座上的泵總成、設(shè)備重力，可作為集中載荷，按安放點(diǎn)的實(shí)際位置、質(zhì)量及各位置所分擔(dān)的重力，作用于相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。

1.3 邊界約束條件

由于泵組的底座直接安裝到船體基座上，所以將底座下四個(gè)螺紋孔設(shè)為全約束狀態(tài)。

1.4 系統(tǒng)模態(tài)計(jì)算

系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)的前6階模態(tài)振型如圖4～圖9所示，隔振裝置系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率值見表3.

圖4 一階模態(tài)

圖5 二階模態(tài)

圖6 三階模態(tài)

圖7 四階模態(tài)

圖8 五階模態(tài)

圖9 六階模態(tài)

表3 前6階固有頻率

1.5 系統(tǒng)模態(tài)特性分析

計(jì)算結(jié)果表明，系統(tǒng)第一階模態(tài)為9.74 Hz，前3階模態(tài)與設(shè)備激勵(lì)頻率（f0=950/60=15.83 Hz）錯(cuò)開較多，整個(gè)系統(tǒng)模態(tài)錯(cuò)開了設(shè)備的工作頻率或激勵(lì)方向，系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生共振，滿足設(shè)計(jì)要求。

2 沖擊響應(yīng)計(jì)算

2.1 隔振系統(tǒng)的沖擊輸入

根據(jù)GJB1060.1-91中規(guī)定水面艦船設(shè)備；設(shè)備抗沖擊等級為A級[3]。

將設(shè)備的模態(tài)質(zhì)量=740.527 kg=0.74 t代入相關(guān)公式求得，激勵(lì)的加速度A0=1 797.48 m/s2.

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GJB1060.1-91規(guī)定水面艦船設(shè)備各類安裝區(qū)域的設(shè)計(jì)沖擊加速度值和設(shè)計(jì)沖擊值如表3所示。

將計(jì)算完的基準(zhǔn)加速度和基準(zhǔn)速度值參照表4，沖擊輸入詳見表5.

表4 各類安裝區(qū)域的設(shè)計(jì)沖擊加速度值A(chǔ)a和沖擊速度值Va

表5 系統(tǒng)沖擊譜值

2.2 隔振系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的特性

按照有關(guān)要求，采用了數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算裝置的沖擊響應(yīng)，參照GJB1060.1沖擊載荷輸入條件下裝置的參數(shù)如下。

2.2.1 底座強(qiáng)度

（1）邊界條件

按GJB1060.1的要求輸入沖擊載荷，進(jìn)行瞬態(tài)邊界分析，如圖10所示。

圖10 瞬態(tài)邊界分析條件

（2）應(yīng)力分析

通過圖11可以得出結(jié)論，底座與船體相連接的孔強(qiáng)度較為薄弱，所受應(yīng)力載荷最大為186.76 MPa，但最大的強(qiáng)度也僅為0.158＜1，因此在沖擊條件下底座滿足強(qiáng)度要求。

圖11 等效應(yīng)力云圖

2.2.2 設(shè)備位移

在沖擊環(huán)境下，泵的xyz方向位移變化如圖7-11所示，綜合位移變化如圖12所示。

圖12 泵x向沖擊位移變化

圖14 泵z向沖擊位移變化

表6 沖擊環(huán)境下設(shè)備質(zhì)心位移

圖15 泵沖擊變化位移總曲線

圖13 泵y向沖擊位移變化

由13、14、15圖可得出沖擊環(huán)境下設(shè)備質(zhì)心三個(gè)方向最大位移量，如表6所示。

根據(jù)隔振裝置沖擊計(jì)算結(jié)果可以看出，沖擊環(huán)境下泵y向位移量最大，為0.12 mm，泵總的位移量為0.15 mm滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

根據(jù)主機(jī)燃油增壓泵組的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算，可以得到以下結(jié)論：

（1）由底座強(qiáng)度分析云圖可以看出，底座分別與泵、電機(jī)底腳孔強(qiáng)度較為薄弱，但最大的強(qiáng)度也僅為0.158＜1，因此在沖擊條件下底座的強(qiáng)度滿足要求。

（2）泵沖擊位移量滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）系統(tǒng)模態(tài)計(jì)算結(jié)果表明，隔振系統(tǒng)模態(tài)的前3階與設(shè)備激勵(lì)頻率（f0=950/60=15.83）錯(cuò)開，因此整個(gè)系統(tǒng)模態(tài)錯(cuò)開了設(shè)備的工作頻率或激勵(lì)方向，系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生共振。

本文旨在指出一個(gè)分析驗(yàn)證的思路，由于條件所限，難以進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，僅僅通過和實(shí)際工況對比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。