氣墊船墊升風機下蝸殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法

趙麗剛，鮑文倩，丁仕風，周 利，周亞軍，于 昊

(1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011；2.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212003；3.中國船級社上海規(guī)范研究所，上海 200135；4.中國船舶集團有限公司，北京 100097)

0 引言

氣墊船作為一種特種高性能船舶，安全性要求高、振動問題復雜[1-2]。下蝸殼結(jié)構(gòu)是連接墊升風機和氣墊船的關(guān)鍵部件，承擔載荷傳遞與振動傳遞作用[3]。開展下蝸殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，對于提高氣墊船的安全性、降低振動水平具有重要的工程實際意義。

我國對于氣墊船的研究起步于20世紀90年代，其中對振動及結(jié)構(gòu)響應問題的研究尤為關(guān)注[4-6]，所采取的研究方法為模型試驗和數(shù)值分析（FEM）。陳德娟等[7]針對某氣墊船推進軸系開展了振動模態(tài)、縱振振幅、振動應力研究，并與試驗結(jié)果進行了對比；劉宏亮等[8]采用褶積積分法求解了有阻尼受周期激勵作用的振動響應，并與數(shù)值模擬結(jié)果進行了比較分析。

下蝸殼結(jié)構(gòu)是影響氣墊船振動和安全的關(guān)鍵，本文通過通過分析氣墊船和墊升風機的工作狀態(tài)，研究影響墊升風機設(shè)計的主要因素，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案，并從振動、強度、剛度、疲勞等方面評估下蝸殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效果，可作為氣墊船墊升風機下蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)參考。

1 下蝸殼結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析

1.1 結(jié)構(gòu)特點及工作狀態(tài)分析

氣墊船下蝸殼結(jié)構(gòu)為鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，兼作墊升軸系軸承座的基座和風機下蝸殼功能。下蝸殼結(jié)構(gòu)的下部與氣墊船主甲板焊接，上部通過法蘭邊螺栓與風機上蝸殼法蘭邊連接，實現(xiàn)墊升風機與氣墊船之間的載荷傳遞和振動傳遞。

下蝸殼的主體設(shè)置有2道環(huán)形框架結(jié)構(gòu)——底部平臺和上部水平桁，框在蝸殼端面和側(cè)面形成有效的剛性連接。風機軸承位置的橫梁采用封閉剖面的水平桁，垂直支撐的豎桁采用T型組合材。下蝸殼進風區(qū)域的支撐豎桁設(shè)置導流型線，以改善進氣流場。

由下蝸殼的結(jié)構(gòu)特點和工作狀態(tài)可見，墊升風機的慣性載荷、重力載荷、風機運轉(zhuǎn)載荷通過下蝸殼結(jié)構(gòu)傳遞到船體上，產(chǎn)生應力和變形響應；墊升風機的高速轉(zhuǎn)動將產(chǎn)生振動，并通過下蝸殼結(jié)構(gòu)船體到船體結(jié)構(gòu)上，引起船體結(jié)構(gòu)的振動。

墊升風機的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要充分考慮到上述結(jié)構(gòu)風險：1）需嚴格控制結(jié)構(gòu)變形以穩(wěn)定支撐墊升風機的正常工作，防止出現(xiàn)變形過大打壞風葉的情況；2）需確保下蝸殼結(jié)構(gòu)的應力水平在安全衡準范圍內(nèi)；3）下蝸殼承受高頻交變載荷作用，其關(guān)鍵構(gòu)件的疲勞強度需要滿足疲勞強度衡準要求；4）避開共振、降低振動是下蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵所在，是下蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重中之重。

1.2 下蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

為滿足氣墊船和墊升風機的設(shè)計技術(shù)指標，應分別從結(jié)構(gòu)剛度、應力、疲勞和振動模態(tài)4個方面，綜合評估并提出下蝸殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方案，具體實施流程見圖1。

由圖1可知，氣墊船墊升風機的下蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮“載荷傳遞”和“振動傳遞”，涉及變形、應力、疲勞和振動四方面因素。下蝸殼的設(shè)計方案需實現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載性能與減振性能的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，存在較大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計空間。

2 下蝸殼結(jié)構(gòu)振動測試與優(yōu)化

2.1 下蝸殼設(shè)計方案的振動測試評估

某氣墊船墊升風機的下蝸殼，前期設(shè)計方案在滿足剛度和強度條件的前提下，出現(xiàn)了振動超標的現(xiàn)象。為此，針對下蝸殼周圍結(jié)構(gòu)，設(shè)計如圖2所示的振動測試方案：測點1位于風機前軸承的振動傳感器安裝肘板的背面；測點2位于測點1附近，且更靠近軸承支架的橫梁；測點3位于風機前軸承的輸入端。

圖1 氣墊船下蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖Fig.1 Flow chart of structural design for the volute structure of lift fans

圖2 振動監(jiān)測點設(shè)計Fig.2 Monitoring points of vibration test

監(jiān)測各測點的水平橫向振動，監(jiān)測結(jié)果見圖3。

圖3 振動響應烈度Fig.3 Vibration intensity

測點1～測點3在動力渦輪轉(zhuǎn)速在7 400 r/min之前隨著渦輪轉(zhuǎn)速升高振動烈度逐步緩慢增大；當動力渦輪轉(zhuǎn)速超過7 400 r/min時，測點1至測點3振動烈度急劇增大超過振動報警值25 mm/s。可見現(xiàn)有下蝸殼結(jié)構(gòu)的固有頻率與墊升風機及其軸系的固有頻率在高轉(zhuǎn)速時發(fā)生重疊，引起結(jié)構(gòu)共振，需優(yōu)化原結(jié)構(gòu)設(shè)計方案以避免共振。

2.2 下蝸殼優(yōu)化設(shè)計方案研究

根據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，針對目標船的下蝸殼結(jié)構(gòu)振動超標的問題，從改變下蝸殼結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)著手，對原結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化，如圖4所示。

圖4 下蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化Fig.4 Optimal design of volute structure

對比原結(jié)構(gòu)與本優(yōu)化方案可見，主要的優(yōu)化技術(shù)措施包括：

1）將下蝸殼底部結(jié)構(gòu)與船體的連接形式改為焊接，增加部分壁板板厚，設(shè)置必要的削斜加強筋，達到提高下蝸殼結(jié)構(gòu)與船體結(jié)構(gòu)的連接剛度；

2）取消原下蝸殼結(jié)構(gòu)中的大撐桿構(gòu)件，采用平面桁架結(jié)構(gòu)支撐以提高振動和載荷傳遞的連續(xù)性；

3）增設(shè)壁板加強筋，提高平面板架結(jié)構(gòu)的承載能力；

4）增設(shè)進風筒鋁合金材料連接環(huán)，提高墊升風機定位調(diào)整能力。

經(jīng)過初步重量評估，單個下蝸殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案約增重48 kg，且處于氣墊船中間位置，對整船重量和中心影響較小，不會影響氣墊船的性能技術(shù)指標。

3 下蝸殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案評估

3.1 振動評估分析

1）下蝸殼結(jié)構(gòu)模型化

開展下蝸殼結(jié)構(gòu)振動分析，需要充分考慮墊升風機、船體結(jié)構(gòu)的影響，因此確定合理的模型范圍非常重要，為此，本研究考慮4種有限元模型范圍：1）下蝸殼結(jié)構(gòu)及單臺墊升風機；2）下蝸殼結(jié)構(gòu)、單臺墊升風機及其所在區(qū)域的部分船體結(jié)構(gòu)；3）單舷兩臺墊升風機、下蝸殼結(jié)構(gòu)、及其所在區(qū)域的部分主船體結(jié)構(gòu)；4）單舷兩個下蝸殼結(jié)構(gòu)、及其所在區(qū)域的部分主船體結(jié)構(gòu)，墊升風機用質(zhì)量單元模擬。

模型的邊界約束條件設(shè)定為簡支約束，4個有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元結(jié)構(gòu)模型Fig.5 The finite element models

分別計算4個模型的振動固有頻率，包括縱向頻率和橫向頻率，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同計算模型的固有頻率對比Fig.6 The comparison of natural frequency among differents FE models

由圖6可知，模型1未考慮船體結(jié)構(gòu)對整體模型振動特征的影響，其縱向固有頻率預報結(jié)果存在失真；模型4未考慮墊升風機結(jié)構(gòu)的剛度，其橫向固有頻率無法模擬實際的振動狀態(tài)。模型2和模型3的振動預報結(jié)果較為接近，但模型2僅考慮一個墊升風機的情況，與實際氣墊船稍有差別。因此，本文建議采用“單舷2臺墊升風機、下蝸殼結(jié)構(gòu)、及其所在區(qū)域的部分主船體結(jié)構(gòu)”作為振動分析的結(jié)構(gòu)模型化范圍。

2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案振動評估對比

根據(jù)不同模型范圍的振動評估對比，選擇圖5中的模型3作為研究對象，分別開展下蝸殼結(jié)構(gòu)的橫向和縱向固有頻率計算，并與原下蝸殼結(jié)構(gòu)的實測結(jié)果進行比較，包括縱向固有頻率和橫向固有頻率，如圖7所示。

由圖7可知，本文所采用的數(shù)值分析方法具有較好的計算精度，與實測結(jié)構(gòu)相比，固有頻率和縱向固有頻率的誤差分別為1.40%和1.29%，計算結(jié)果可信。通過對下蝸殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，橫向固有頻率為37.94 Hz，避開風機的最高工作軸頻（25.5 Hz）達48%，垂向固有頻率在400 Hz內(nèi)無振形，可滿足振動儲備衡準要求；縱向固有頻率較原結(jié)構(gòu)降低約4.26%，基本相當。

圖7 優(yōu)化結(jié)構(gòu)的振動頻率對比Fig.7 The comprision of natural frequency between the origin structure and the optimized structure

對比原結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，經(jīng)優(yōu)化后的下蝸殼結(jié)構(gòu)的橫向固有頻率提高30%以上，合理地避開了墊升風機的工作軸頻，有效了避免了共振現(xiàn)象，實現(xiàn)了減振的目的，有助于提高墊升風機以及相連傳動機構(gòu)的可靠性。

3.2 強度評估對比

考慮墊升風機的作業(yè)工況和極限工況，進一步對優(yōu)化后的下蝸殼結(jié)構(gòu)開展強度、剛度、疲勞分析，主要載荷成分包括橫向載荷、軸向載荷和垂向載荷。

在多種載荷聯(lián)合作用條件下，下蝸殼結(jié)構(gòu)的最大應力出現(xiàn)在極限工況下：前后端壁的最大應力為42.9 MPa，蝸殼圈板為60.0 MPa，舷側(cè)支撐壁板為26.7 MPa，均滿足CCS《海上高速船入級與建造規(guī)范》中的強度衡準要求。

經(jīng)優(yōu)化的下蝸殼結(jié)構(gòu)的變形情況也有所改善，在極限工況下前后端壁軸承基座橫梁的軸向相對最大位移由原結(jié)構(gòu)的2.76 mm降低到0.948 mm，橫向相對最大位移為0.13 mm，垂向相對最大位移0.54 mm，滿足變形衡準2 mm的要求；壁板由原結(jié)構(gòu)的7.07 mm降低到最大變形為2.18 mm，滿足變形衡準6 mm的要求。可見，結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施使得下蝸殼的剛度得到明顯加強。

參考《航空結(jié)構(gòu)連接件疲勞分析手冊》對下蝸殼結(jié)構(gòu)主要連接件開展結(jié)構(gòu)疲勞強度分析，經(jīng)計算，連接構(gòu)件的最小疲勞裕度FM為1.45，滿足大于零的疲勞衡準要求，有相當大的疲勞儲備。

經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，墊升風機下蝸殼結(jié)構(gòu)的橫向固有頻率儲備、強度與剛度儲備均滿足設(shè)計衡準，且結(jié)構(gòu)最大應力與變形均可下降一半以上，實現(xiàn)了較好的結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果。

4 結(jié) 語

下蝸殼結(jié)構(gòu)是氣墊船與墊升風機之間的關(guān)鍵連接部件，其設(shè)計方案的優(yōu)劣影響船舶的振動、強度、剛度、疲勞等多個方面。本文以某氣墊船墊升風機下蝸殼結(jié)構(gòu)為對象，分析下蝸殼結(jié)構(gòu)特點和工作狀態(tài)，研究提出其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，主要結(jié)論如下：

1）為準確模擬“船體-墊升風機-下蝸殼”三者之間的振動傳遞規(guī)律，通過對比4種不同的有限元模型，提出下蝸殼結(jié)構(gòu)振動分析的建模方法，其計算結(jié)果與實測值吻合度高；

2）以某氣墊船的下蝸殼設(shè)計為例，針對振動超標的問題，研究提出優(yōu)化下蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)解決措施，并從振動、強度、剛度、疲勞方面對比評估了優(yōu)化效果，驗證了本文所提下蝸殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的可行性。