大型渦輪機組抗沖擊性能數值研究

方 超 岳永威 王 超 曹冬梅

哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

1 引 言

艦艇在其服役期內不可避免地會面臨各種沖擊環境問題，其沖擊源有：遭受導彈、激光炸彈直接攻擊時的接觸性爆炸；遭受聲吶魚雷爆炸沖擊時的水中非接觸性爆炸；自身武器發射時由反沖擊造成的沖擊。眾多的海上戰例及實船水下爆炸沖擊試驗結果表明，海軍戰斗艦艇在水下爆炸環境中所顯示出的突出問題主要表現在艦上許多重要設備及裝置的抗沖擊性能過差［1］。可見，艦船系統和設備的抗沖擊性能直接影響著艦船的戰斗力及生命力。目前，國內外對艦船設備的沖擊響應計算均進行了大量研究［2-5］。美海軍發展了幾種抗沖擊設計分析方法，其中就包括基于沖擊譜的響應分析方法。歐洲各國海軍使用的分析方法大多是以德海軍規范BV0430-85為代表的沖擊分析方法［6］。

對于一般的艦船渦輪機組，由于受其尺寸和質量的限制，不能進行沖擊試驗，但有必要進行抗沖擊數值分析，因為通過分析，可以找出渦輪機組的薄弱環節，從而保證艦船戰斗力。本文主要基于德海軍規范BV0430-85中的沖擊分析方法，使用ABAQUS軟件對某艦用渦輪機組抗沖擊能力進行時域數值分析，給出渦輪機組典型部位的沖擊響應，并找到渦輪機組結構抗沖擊的薄弱環節。

2 渦輪機組有限元模型

本文利用ProE軟件建立了渦輪機組的三維幾何實體模型，通過HyperMesh軟件進行前處理，建立了有限元模型。在渦輪機組上，分布有凸臺、密封蓋、軸承孔和螺栓連接孔等，結構拓撲關系較復雜，因此，在對其進行六面體網格劃分時，就需要對幾何實體模型進行必要的處理，如分割復雜的曲面、合并尺寸較小的面和線，以及在圓角處布置足夠數量的節點等。

為減小整體模型的大小，在建立齒輪軸的有限元模型時，將齒輪輪齒部分簡化為分度圓柱，將齒輪和軸的過盈配合聯接看成是剛性聯接，并忽略鍵槽的影響。在子模型中，對齒輪嚙合齒進行局部網格細化，以提高分析精度。圖1所示為渦輪機組的整體有限元模型。本文通過對模型網格的合理劃分，保證了計算結果的精確性，其模型節點總數為420 000，單元總數為530 000。圖2所示為壓氣機內主軸與機匣的有限元模型。

渦輪機裝置由大量不同的構件組成，連接關系非常復雜，而正確地定義不同構件之間的連接邊界條件則是確保數值實驗結果正確的關鍵。本文主要是通過定義各個連接件之間的接觸關系來確定它們之間的連接條件。其中，雙頭螺栓連接結構的兩個被連接件之間，以及螺柱和螺母與被連接件之間都被定義為接觸，對應于ABAQUS軟件，為Contact接觸條件。而對于類似于沉孔螺栓的連接結構，在模擬過程中，則將其處理為束縛約束，對應于ABAQUS軟件，為Tie邊界條件，用于將兩個面束縛在一起。此時，從屬面上的每一個節點均被約束為與主控面上距它最接近的點具有相同的運動。對于結構分析，這便意味著約束了所有的平移自由度。

3 沖擊載荷

在多數情況下，設備的沖擊載荷都是以沖擊譜的形式給出［7］，典型的沖擊譜曲線示意圖如圖3所示，由等位移、等速度和等加速度3段曲線組成。圖中，D0為位移譜，V0為速度譜，A0為加速度譜，等速度譜從頻率f1到f2。

本文基于Matlab軟件，利用編程手段將沖擊譜轉換為等效的時域加速度歷程曲線，并用時域分析法對渦輪機組進行抗沖擊計算。根據BV0430-85艦艇建造規范，沖擊譜可以等效為雙三角形或雙半正弦時間歷程曲線［8］。由于三角形脈沖更接近于沖擊響應譜，計算機輸入也較方便，因此，本文在對渦輪機組抗沖擊能力進行數值仿真計算時，采用了雙三角形加速度時歷曲線加載。等效加速度時歷曲線如圖4所示。該曲線由正負兩個脈沖組成，其中，正脈沖的加速度峰值大，持續時間短，負脈沖則正好與之相反，加速度峰值小，持續時間長。正脈沖的面積為V2，因兩個脈沖的面積相等，致使基礎最終速度為零。圖中，a2和t3分別為正脈沖的加速度峰值和脈寬，a4為負脈沖的峰值，t5-t3為負脈沖的脈寬。等效加速度時歷曲線經兩次積分便可得到位移值，與沖擊譜的位移譜值D0相比，此位移值要大一些 （約1.05倍）。根據BV0430-85艦艇建造規范，上述系數與沖擊譜值之間存在下列轉換關系：

對于質量大于5 t的設備沖擊譜加速度和沖擊譜速度，需進行折減，折減公式為：

式中，A為折減后的沖擊譜加速度，m/s2；V為折減后的沖擊譜速度，m/s；M0＝5 t；Mi為被檢查設備的重量，t。

本文所分析的渦輪機組質量為11 t，基于BV0430-85的校核工況，可得到如圖5所示的沖擊加載曲線。

4 數值計算結果分析

基于上節確定的校核工況，渦輪機組沖擊響應應力云圖如圖6所示。由應力云圖可見，機組中的軸承、壓氣機主軸，以及壓氣機與底架搭接處的應力響應較劇烈，應對這些典型部位進行重點分析。

4.1 典型部位的沖擊響應

渦輪機組典型部位的加速度響應時歷曲線如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可見，在沖擊作用下，壓氣機軸承的加速度響應峰值比壓氣機主軸的響應峰值要大；軸承的加速度響應衰減較快，在0.04 s后幾乎衰減為0；壓氣機主軸的加速度響應在整個計算時間內未趨于平穩。由此可知，在沖擊作用下，軸承的響應更為劇烈，壓氣機主軸的響應較為復雜。因此，在受到沖擊載荷作用時，軸承的沖擊環境較壓氣機主軸偏于惡劣，所以在考核渦輪機構件的抗沖擊性能時，應以軸承為主。

4.2 渦輪機組沖擊安全性分析

式中，σMises為考核部位單元的Mises應力峰值，MPa；σs為材料靜態屈服極限，MPa。

考察渦輪機組各構件的最大Mises應力值，并根據其所對應的材料許用應力值轉化為相應的失效系數，如表1所示。

在渦輪機組沖擊安全性分析過程中，本文重點考慮了兩個約束條件：一是從機組結構強度的角度考慮，即要求設備各個部件的Mises應力幅值小于其所對應材料的許用應力；二是從保證機組正常運作的角度考慮，即要求動葉片與定子間的間隙大于0。對于本機組，動葉片與定子間的平均安裝間隙為0.6 mm，因此，當動葉片與機匣的徑向相對位移小于0.6 mm時，機組便可正常運轉。

為便于進行渦輪機組沖擊安全性分析，引入了“失效系數”α：

表1 校核工況下重點考核部位失效系數最大值Tab.1 The maximum of the failure coefficient of major check positions in the check condition

考察動葉片與定子間的徑向相對位移。在校核工況下，動葉片與定子間的徑向相對位移最大值及最小間隙如表2所示。

表2 校核工況下動葉片與定子間隙Tab.2 The distance between the movable blade and the stator in the check condition

由表1可看出，渦輪機組在沖擊校核工況下的“失效系數”α均小于1。由表2可見，在沖擊校核工況下，動葉片與定子間的最小間隙大于0。由此可知，設備在該沖擊環境下是安全的。

4.3 薄弱環節分析

為找出設備的薄弱環節，選取不同加速度峰值與脈寬的相互組合，設置多種工況并分別進行計算。同時，還分不同的方向對設備進行沖擊，包括垂向、橫向和縱向沖擊。通過分析各工況下設備的Mises應力響應，發現渦輪機組結構在承受垂向、橫向和縱向沖擊載荷時，其薄弱環節的分布位置大致相同，這些薄弱環節主要集中在：

1）壓氣機內殼框架與底架搭接處；

2）壓氣機前后軸承上；

3）齒輪嚙合齒處；

4）聯接螺栓上。

由計算結果可看出，渦輪機的薄弱環節主要發生在構件連接處，或連續構件截面積明顯減小的部位，響應峰值也大都出現在這些部位。這是因為當設備受到沖擊載荷輸入后會發生振動，構件連接處會受到設備在振動運動中因質量而產生的慣性力，而慣性力會在構件連接處、截面變化處產生高應力集中。

5 結論

本文基于ABAQUS軟件，采用德海軍規范BV04302-85中的沖擊分析方法對某艦用渦輪機組抗沖擊能力進行了數值模擬計算，分析了渦輪機組在校核工況下的安全性，并通過設置多種工況，分析了渦輪機組的抗沖擊薄弱環節。通過對數值計算結果的分析，可得到以下結論：

1）在典型部位的響應中，軸承的響應要劇烈一些，壓氣機主軸的響應則較為復雜，在設計時，應對軸承結構采取保護措施。

2）在沖擊校核工況下，渦輪機組各構件的Mises應力值小于許用值，動葉片與定子間的最小間隙為0.11 mm，也即渦輪機組在該沖擊環境下是安全的。

3）經分析發現，由于受到設備振動時產生的慣性力的作用，薄弱環節主要集中在框架與底架搭接處，以及軸承、齒輪嚙合齒和連接螺栓處等構件連接部位。

［1］姚熊亮，陳建平.水下爆炸二次脈動壓力下艦船抗爆性能研究［J］.中國造船，2001，42（2）：48-55.

［2］SCAVUZZO R J，PUSEY H C.Naval shock analysis and design ［M］.HI-TEST Laboratories，Inc.，2007.

［3］BALANDIN D V，BOLOTNIK N N，PILKEY W D.Optimal protection from impact，shock and vibration ［M］.CRC Press，2001.

［4］汪玉，王官祥.艦船系統的設備的抗沖擊性能動力學仿真［J］.計算機仿真，1999，16（1）：27-29.

［5］柳貢民，劉志剛，張文平，等.以逐步積分法計算艦船柴油機隔振裝置沖擊響應［J］.哈爾濱工程大學學報，1997，18（4）：19-24.

［6］趙應龍，何琳，黃映云，等.船舶浮筏隔振系統沖擊響應的時域計算［J］.噪聲與振動控制，2005，25 （2）：14-17.

［7］劉建湖.艦船非接觸水下爆炸動力學的理論和應用［D］.無錫：中國船舶科學研究中心，2002.

［8］BV0430-85 德國國防軍艦建造規范—沖擊安全性［S］.科布倫茨：聯邦德國國防裝備技術和采購局，1989.