公共底座對柴油機缸體變形影響的計算

（1.海軍駐江南船廠軍事代表室，上海 200011；2.上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

柴油發電機組是船舶的重要設備，其主要作用是為船舶提供所需的電力。因此，保證柴油發電機組安全可靠的運行是十分必要的。柴油機作為柴油發電機組重要設備之一，其本身結構較復雜、零部件較多，并且由于國內加工以及工藝水平的限制，很多關鍵部件主要依托進口，這就要求在運行中需特別注意其可靠性。在設計過程中，無論是柴油機結構本身還是與之相連接的設備都應該嚴格遵守設計規程[1]。

1 柴油發電機組的結構形式

當前，柴油發電機組主要由柴油機、發電機、高彈性聯軸器和公共底座組成。柴油機通過聯軸器與發電機連接，進而將動力轉化為電能，其具體結構形式如圖1所示。

公共底座的作用是支撐柴油機與發電機，其結構形式對柴油機和發電機都有一定的影響，應該按照設計規程以及工程經驗等對公共底座進行系統設計。

圖1 柴發機組示意圖

2 研究過程

某型柴油發電機組的研究設計過程分為科研樣機和交付設備兩個階段。樣機設計階段是為了充分驗證機組的性能以及暴露設計生產過程中存在的問題，進而在裝備上進行改進和完善。發電機、柴油機和聯軸器等都是選型產品，其本身的總體結構不會發生很大的改變，僅在一些細節方面會有一定的改善。公共底座屬于結構件，只要保證連接接口可以對應，在滿足設計原則的前提下，其他位置的結構形式是可以進行調整的。樣機的公共底座結構形式如圖2所示。

由于總體設計單位的要求，對于交付設備的柴油發電機組提出了新的安裝要求。因此，公共底座在結構上有比較大的改變，具體結構形式如圖3所示。

對比圖2和圖3可以看出：兩種公共底座在結構形式上有比較大的差異。因此，需要著重分析兩種形式對整個機組的影響，本文以對柴油機的影響為例進行分析。

圖2 樣機底座模型

圖3 交付設備底座模型

2.1 模態分析

模態分析是結構動力學分析不可或缺的一個環節，模態分析的作用主要有以下三個方面：1）使結構避免共振或使結構按特定頻率振動；2）了解結構對不同類型的動力載荷的響應；3）有助于在其他動力學分析中估算求解控制參數，如時間步長等。在很多場合，模態分析都起著舉足輕重的作用，如很多機械都要求避免共振，進行模態分析后，可以了解結構的固有振動頻率和振型，并采取必要的措施，避免機械在使用中產生共振[2-5]。

計算采用大型有限元商用分析軟件ANSYS。采用一種單元：SOLID185單元；劃分網格時采用了網格自由劃分，計算參數如表1所示。

表1 計算參數

對兩種形式的公共底座進行具體分析，確定結構形式改變對模態的影響，具體計算結果如圖4所示，圖中數值代表自由模態振動頻率。

圖4 計算結果

由圖4可以看出：公共底座在結構改變以后，其模態的陣型和頻率均有很大的改變，根據設計原則和工程經驗，兩種形式的振動頻率均有效規避了機組的共振頻率，滿足機組的使用要求。

2.2 柴油機機體變形計算

該型柴油發電機組的柴油機在結構上相對比較軟，容易產生機體變形。對于樣機的底座機構形式，已經經過試驗驗證其結構可以滿足使用要求。對于更改后的公共底座是否可以滿足要求，需要經過計算方可最終確定。

為了驗證底座剛度對柴油機機腳以及缸體變形的影響，先對整機機組進行建模處理，整體模型包括柴油機缸體、發電機和公共底座。柴油機發火順序以及發火間隔角度如圖5所示，由圖5可以看出：柴油機在工作過程中有兩個缸間隔12°進行工作，由于相隔時間比較短，可以認為其是同時進行發火（工作狀態更嚴苛）。

圖5 發火順序

柴油機工作時的爆發壓力主要作用在相應的支撐軸瓦上，采用相同的約束方式和邊界條件對樣機底座和裝備底座繼續約束，對模型分別進行靜力學分析和計算，具體計算結果如表2所示。

由表2可以看出：對于樣機底座和裝備底座兩種情況，在A10-B4缸發火的時候，柴油機機體變形最大，變形量分別為0.036 6 mm與0.032 3 mm（缸口變形最大值約為0.024 4 mm）。由此可見，兩種底座對柴油機機體變形影響比較小，并且量值相當。所以，公共底座結構形式的改變對柴油機機體變形的影響并不大，可以滿足機組的使用要求。

表2 對比分析

3 結論

根據總體設計單位的要求，對柴油發電機組公共底座的結構形式進行了比較大的改動，為了驗證不同形式的公共底座對整個設備的影響，從公共底座自由模態以及機體變形兩個方面對其機組進行了分析，得出以下結論：

1）不同形式的公共底座模態振型和頻率均有較大的差異，但均滿足機組的使用要求；

2）公共底座結構形式的改變對柴油機機體變形的影響并不大，根據樣機的使用經驗，可以確定改型后的公共底座可以滿足使用要求。

[1] 柯常忠, 索海波.ANSYS 優化技術在結構設計中的應用[J].煤礦機械, 2005(1)： 9-11.

[2] 傅志方.振動模態分析與參數識別[M].北京： 機械工業出版社, 1990.

[3] 張海華.沖擊載荷作用下船用設備與構件強度評估數值實驗研究[D].哈爾濱： 哈爾濱工程大學,2009.

[4] 趙新.船用大型設備抗沖擊數值模擬研究[D].哈爾濱： 哈爾濱工程大學, 2008.

[5] 胡仁喜, 徐東升, 李亞東.ANSYS13.0 機械與結構有限元分析從入門到精通[M].北京： 機械工業出版社, 2011.