船用柴油機抗沖擊試驗中測點布設方法研究

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理論，結合有限元方法，對其依次進行多剛體動力學、剛柔混合多體動力學、沖擊動力學建模?；诮⒌哪Ｐ停嬎愕玫脚炤d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力分布。結合毀傷理論，分析計算結果中不同參數的分布規律，給出柴油機抗沖擊測量中不同測量參數的測點位置選取，為實際測量方案的制定奠定基礎。整個建模和分析過程不失一般性，可應用于其他艦載機械設備。

單船舶機械；測點布設；多體動力學；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構。雖然艦載柴油機不直接遭遇各種水下爆炸載荷的作用，但由于其結構復雜、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的沖擊機試驗，如分配電箱［9］、曲柄連桿機構［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的發展，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、應變、速度、位移等物理參數或衍生參數進行［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的值不同，進而影響對柴油機抗沖擊性能以及沖擊環境的客觀評估［14］。故艦載柴油機抗沖擊測量試驗中如何系統、科學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理論，以仿真計算方法為主，根據不同測量參數的特點，從機械設備在沖擊環境下不同的破壞形式為切入點，系統性地研究水下爆炸沖擊作用下測點的布設方法。

1　柴油機抗沖擊仿真建模

柴油機結構復雜、零件較多，能否準確地其進行物理建模對計算結果有直接的影響。本文基于多體動力學理論［15］，以參數化控制的方式對柴油機整機進行物理和力學建模。

1.1多剛體動力學建模

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

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、電機轉子、機座、主軸承、機腳等在內的46個剛體，如圖1所示。

圖1　柴油機多剛體動力學模型

柴油機涉及系統較多，邊界條件極其復雜，本文添加的柴油機邊界條件主要有：柴油機發火順序及間隔角、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動等。其中發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角進行添加；各剛體之間的約束通過抽象構件間關系而來［16］；運動驅動主要為轉速的添加；剛體之間的力元主要指整機組隔振系統的添加，隔振系統由6個橡膠隔振器組成，隔振器的參數如表1所示。

表1　隔振器參數

1.2剛柔混合多體動力學建模

柴油機剛柔多體系統建模的理論基礎是計算多剛體系統理論與結構動力學有限元方法的結合?？紤]到柴油機工作的特點及建模的規模，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模型中建立剛柔混合動力學分析模型。其具體過程為：生成六面體實體網格→添加載荷、材料屬性等→設置求解參數并計算得到模態中性文件→將該中性文件導入到多體動力學軟件中進行剛柔替換。曲軸共劃分23111個單元、28041個節點，添加多點約束后進行模態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較大。為了便于研究分析，工程上常將復雜的波形簡化為幾種理想的、形狀規則的脈沖波形。參照德國BV043/85標準，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，圖中各參數計算如下式所示：

式中：A0——沖擊響應譜加速度；

V0——沖擊響應譜速度；

D0——沖擊響應譜的相對位移。

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個參數的數值。參照德國艦艇建造規范BV043/85標準，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，將這些數據代入式（1），求解得到4個參數數值如表2所示。

表2　組合半正弦波4個特征參數取值

在多體動力學中通過IF函數來實現組合半正弦波的激勵添加，將表2中求解得到的4個特征參數代入IF函數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模型，當柴油發電機組在額定工況工作時，通過求解計算得到其主要結果。

2.1加速度結果及分析

對于機械構件來講，加速度是描述構件運動特征的參數之一。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，發現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，特別是縱向較為明顯；加速度峰值從下到上有一定的衰減；對比加速度響應和組合半正弦輸入發現，沖擊峰值在同一個數量級上，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曲線。

圖5　機腳加速度響應曲線

2.2位移結果及分析

位移測量一般主要應用于彈性元器件，在整個柴油機組件中由于存在大量管系及彈性構件，所以對沖擊條件下位移響應測量是必要的。對位移結果分析可以發現：垂向沖擊激勵會耦合引起橫向和縱向的位移響應，特別是縱向較為明顯；測點從下到上位移量呈現遞增趨勢，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心3個方向的位移響應曲線。

圖6　機體質心位移響應曲線

2.3應力結果及分析

抗沖擊試驗中，應力值大小直接反映結構的力學狀態，所以對沖擊條件下構件的應力分析十分必要。實際試驗中通過對應變的測量來對構件的應力值給出評價。通過對柴油機結構及工作的特點分析，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力值278.9 MPa、對應時間為0.237 8 s、對應節點號27708；沒有受到水下爆炸沖擊且正常工作時應力最大值為232.5MPa。水下爆炸沖擊時最大應力值產生時刻的曲軸應力云圖如圖7所示，27 708號節點動態應力曲線如圖8所示。

圖7　曲軸應力云圖

圖8　節點27708動態應力曲線

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

3　測點布設方法研究

對于一般的艦載設備受到水下爆炸沖擊時其常見的破壞方式具體體現在：結構件應力過大引起永久變形、松脫或斷裂，造成結構件強度破壞；設備與設備、設備與結構之間的相對運動引起的碰撞、擠壓，造成設備或結構的損壞與破壞；機械系統原有作用力的平衡遭到破壞，使設備性能變壞或機械系統功能被破壞等?；诜抡嬗嬎銛祿?，結合結構毀傷理論，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，機腳處測量結合基座處測量結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參考。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，判斷其結構的合理性，并為結構改進奠定基礎，同時可以考核電子設備的抗沖擊能力。

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。柴油機與其他設備連接處：仿真計算結果表明柴油機受到沖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）主要導通液體和氣體，其固有頻率和脈動頻率較為復雜，位移過大容易引起的撕裂破壞，另外這種低頻的位移響應容易引起同艙室其他設備的共振。柴油機與電機彈性聯軸節：仿真計算結果表明，沖擊條件下柴油機與電機結構的差異性導致沖擊響應在幅值和相位上都有較大差異，測量聯軸節的位移可以判斷沖擊時柴油發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載荷，在沖擊時主要判斷螺栓是否松脫。

3）應變測點選取

曲柄臂與連桿軸頸連接處：數值計算表明曲柄臂與連桿軸頸連接處應力峰值較大，在此處應對其應變進行測量。柴油機機腳螺栓：通過仿真計算可以發現，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，使得機腳螺栓產生剪切破壞。一些負重大的懸臂梁結構的連接螺栓（如冷凝器連接螺栓）：冷凝器懸掛于柴油機頂部，當受到垂向沖擊時，由于慣性力較大容易使得連接螺栓產生剪切或拉伸破壞。

4）其他參數選取

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

4　結束語

對柴油機抗沖擊能力研究主要有試驗和計算兩種方法，試驗方法較為準確但成本高。文中基于計算多體動力學理論，結合沖擊動力學理論和有限元方法，對艦載柴油機依次進行多剛體動力學、剛柔混合多體動力學、沖擊動力學建模，在此基礎上對加速度、位移、應變等參數進行求解分析，結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。整個建模和分析過程不失一般性，可應用于其他艦載機械設備。雖然文中對柴油機建模較為精確，但較少地考慮了構件間的接觸、油膜、螺栓連接等關系，故仿真計算結果的準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，FENG 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

國家自然科學基金（51209215）

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