基于DDAM方法的船舶柴油機(jī)排氣消聲器抗沖擊優(yōu)化研究

曹貽鵬，費(fèi)景州，閆力奇，張潤澤

(1.哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧 沈陽 110000)

0 引 言

消聲器是船舶柴油機(jī)排氣噪聲控制的主要手段，具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。通常情況下，為了最大限度的降低柴油機(jī)排氣噪聲，消聲器通常均采用阻抗復(fù)合式、帶有內(nèi)插管的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)確實(shí)得到了較好的噪聲抑制效果，但同時(shí)消聲器的殼體厚度較小、插管及其連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能帶來了一定影響。

較多學(xué)者已針對船用設(shè)備的沖擊問題從沖擊響應(yīng)分析方法與設(shè)備抗沖擊設(shè)計(jì)兩方面開展了研究工作。目前，沖擊評估常用的方法包括模態(tài)疊加法、沖擊因子法、多體動(dòng)力學(xué)方法、瞬態(tài)有限元、沖擊響應(yīng)譜[1–2]和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法（DDAM）[3–5]等，其中，DDAM具有計(jì)算速度快、資源要求低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于船舶設(shè)備的抗沖擊評估。

船舶動(dòng)力系統(tǒng)是船舶的重要組成部分，其抗沖擊性能預(yù)測與優(yōu)化設(shè)計(jì)是船舶領(lǐng)域的重點(diǎn)。Yong S.Shin[6]利用顯式動(dòng)力學(xué)方法對結(jié)構(gòu)和流體耦合建模并進(jìn)行三維船舶沖擊仿真預(yù)測，與船舶沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較驗(yàn)證了方法的正確性。Cho-Chung Liang[7]采用響應(yīng)譜分析方法，結(jié)合美國海軍采用的沖擊譜計(jì)算了桅桿的沖擊響應(yīng)，為桅桿設(shè)計(jì)提供了參考。姚熊亮等[8]采用DDAM對某艦用增壓鍋爐進(jìn)行抗沖擊分析，得到了增壓鍋爐抗沖擊特性。計(jì)晨[9]以柴油機(jī)模型為對象，基于DDAM方法確定了計(jì)算模型的沖擊輸入，給出了柴油機(jī)的沖擊響應(yīng)特性。陳海龍等[10]采用DDAM方法對艦船動(dòng)力機(jī)組各組成設(shè)備進(jìn)行抗沖擊計(jì)算分析，得到?jīng)_擊載荷響應(yīng)受設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及沖擊加載方向的影響。

船舶動(dòng)力設(shè)備抗沖擊設(shè)計(jì)通常在預(yù)測分析之后，以預(yù)測結(jié)果為參考，結(jié)合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與最大應(yīng)力產(chǎn)生部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足要求或使結(jié)構(gòu)應(yīng)力梯度得到緩解。王強(qiáng)[11]以推進(jìn)電機(jī)端蓋為研究對象，給出了優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。耿超[12]通過改變浮筏隔振系統(tǒng)中可控阻尼器的阻尼狀態(tài)，優(yōu)化了艦艇內(nèi)部設(shè)備的抗沖擊特性。張相聞[13]采用新型負(fù)泊松比效應(yīng)蜂窩腹板結(jié)構(gòu)，利用減振及抗沖擊雙指標(biāo)約束下的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)模型，給出了具有減振與抗沖擊能力的復(fù)合基座。

船舶柴油機(jī)排氣消聲器是船舶航行中必要的設(shè)備，沖擊引起的結(jié)構(gòu)破壞將導(dǎo)致航行舒適性與隱蔽性等問題，目前，圍繞排氣消聲器的抗沖擊設(shè)計(jì)研究較少。本文選取典型的帶有插管的排氣消聲器作為分析對象，選用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析法（DDAM）對其進(jìn)行抗沖擊分析，研究消聲器的結(jié)構(gòu)形式、剛度與質(zhì)量分布等因素對其抗沖擊特性的影響規(guī)律，給出有效的消聲器結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計(jì)方法。

1 分析模型及沖擊輸入邊界描述

1.1 分析模型描述

本文選取帶有插管的阻抗復(fù)合式排氣消聲器為研究對象，主體為雙層結(jié)構(gòu)，外筒體是主要支撐結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒體為穿孔板，內(nèi)外筒體之間充滿吸聲棉。插管也為雙層殼體包棉結(jié)構(gòu)，通過隔板與 2 個(gè)輔助隔板與內(nèi)、外筒體相連，隔板與筒體夾角度5°。消聲器外筒體有 2 個(gè)180°布置的支座，通過隔振器與基礎(chǔ)相連。其中：外筒體長度L1，內(nèi)部插管長度L2，支座肋板長度L3；外筒體直徑D1，內(nèi)筒體直徑D2，進(jìn)排氣管內(nèi)徑D3，插管外徑D4，L2/L1=0.45，L3/L1=0.14，D1/L1=0.0.44，D2/L1=0.36，D3/L1=0.15，D4/L1=0.24。聲速340 m/s條件下，消聲器截止頻率為585.76 Hz，結(jié)構(gòu)的材料為314L。

消聲器的殼體結(jié)構(gòu)主要采用四節(jié)點(diǎn)殼單元模擬，吸聲棉采用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模型，消聲器模型共劃分單元8 736個(gè)，節(jié)點(diǎn)8 253個(gè)。

1.2 沖擊輸入方法

DDAM是基于模態(tài)迭加法的結(jié)構(gòu)振動(dòng)設(shè)計(jì)分析方法，該方法首先對系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到系統(tǒng)模態(tài)振型和模態(tài)質(zhì)量后，根據(jù)設(shè)計(jì)沖擊譜得出各階模態(tài)的模態(tài)位移和應(yīng)力，以此為輸入計(jì)算結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力。

通常，消聲器的安裝位置為甲板部位，屬于乙類設(shè)備，其設(shè)計(jì)沖擊輸入如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)沖擊輸入Tab.1 The designing input spectra

對于甲板安裝部位，有A0、V0的表達(dá)式為：

式中ma為結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)質(zhì)量。

2 結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)分析

基于表1所示沖擊環(huán)境，編制加載程序，基于有限元方法進(jìn)行了消聲器結(jié)構(gòu)的沖擊動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析，如圖3所示。

從圖3可看出，縱向沖擊情況下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力位置在支座底板與隔振器連接處，位移最大點(diǎn)產(chǎn)生于排氣端，支座與外筒體的連接位置的位移梯度較大。橫向沖擊下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力產(chǎn)生于支座底板與外筒體的連接位置的邊緣處。垂向沖擊下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大，達(dá)到235 MPa，材料的屈服應(yīng)力為250 Mpa，此時(shí)，插管垂向相對位移較大，產(chǎn)生的力主要由連接內(nèi)外筒體的隔板與連接內(nèi)筒體的輔助隔板承受，因此隔板與內(nèi)外筒體連接處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，同時(shí)，支座與外筒體的連接位置的應(yīng)力也較大，達(dá)到150 MPa，均需在設(shè)計(jì)中采取控制措施。

3 消聲器結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計(jì)研究

插管消聲器的沖擊動(dòng)力學(xué)響應(yīng)結(jié)果表明，沖擊方向與插管消聲器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對其應(yīng)力分布影響較大，可以通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，對消聲器的抗沖擊特性進(jìn)行有針對性的控制。

3.1 基座墊板

由分析結(jié)果可知，對于橫向與縱向沖擊激勵(lì)，支座與外筒體相交的位置應(yīng)力較大，這對消聲器結(jié)構(gòu)的抗沖擊設(shè)計(jì)很不利。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文在支座與外筒體之間布置與外筒體厚度相同的支座墊板，如圖4所示，它是一個(gè)中間開減重孔的圓環(huán)，相當(dāng)于在支座位置進(jìn)行加強(qiáng)，相同沖擊邊界條件下的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5和表3的分析結(jié)果表明，增加支座墊板可以使最大應(yīng)力值產(chǎn)生一定變化，橫向與縱向沖擊條件下的應(yīng)力降低約20%，應(yīng)力最大的位置不變。因此，在消聲器支座位置安裝支座墊板對橫向與縱向抗沖擊設(shè)計(jì)比較有效。

3.2 隔板剛度

隔板的主要作用是以外筒體為基礎(chǔ)支撐插管，它是插管消聲器最重要的受力結(jié)構(gòu)之一。由圖5可見，垂向沖擊條件下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在隔板與內(nèi)、外筒體連接位置，隔板彎曲剛度將對抗沖擊設(shè)計(jì)起到重要作用，因此，本節(jié)將隔板厚度增加20%，此時(shí)帶來的消聲器總質(zhì)量增量小于5%。計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

計(jì)算結(jié)果表明，增加隔板彎曲剛度對垂向沖擊下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力可以起到控制作用，最大應(yīng)力由235 Mpa降至190 Mpa，應(yīng)力降低效果明顯，可以考慮適當(dāng)增加隔板的彎曲剛度。此外，增加隔板剛度對結(jié)構(gòu)橫向、縱向沖擊下的應(yīng)力幾乎無影響。

表2 消聲器的沖擊應(yīng)力結(jié)果Tab.2 The stress results of the silencer

表3 消聲器的最大應(yīng)力變化情況Tab.3 The comparison of the maximum stress

3.3 隔板角度

在工程應(yīng)用中，隔板及輔助隔板與內(nèi)外筒體通常不是直角連接，而是呈一定的角度，且保持其方向與氣流方向一致，如圖1所示，這樣可以保證較好的力學(xué)效果，本節(jié)主要分析隔板角度對結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)的影響趨勢。

鑒于原始模型中隔板及輔助隔板與內(nèi)外筒體角度為5°，本例選用0°角和10°角分別進(jìn)行分析。

如圖6和表4所示，隔板安裝角度對垂向沖擊條件下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布、最大應(yīng)力結(jié)果影響很大。增加角度后，插管結(jié)構(gòu)的位移逐步與內(nèi)筒體的位移相同，此時(shí)的應(yīng)力由隔板與內(nèi)外筒體連接處逐漸平穩(wěn)過渡至外筒體、支座，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在支座底板，總體來看，整個(gè)消聲器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布均勻，結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力情況較好。隔板安裝角度不能改善橫向、縱向沖擊環(huán)境下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

表4 消聲器的最大應(yīng)力變化情況Tab.4 The comparison of the maximum stress

3.4 支座布置位置

消聲器的主體結(jié)構(gòu)形式與尺寸取決于安裝位置、消聲量等參數(shù)，在安裝位置沒有明確要求的情況下，為保證安裝平穩(wěn)，通常會(huì)選取消聲器的結(jié)構(gòu)質(zhì)心作為支座的安裝平面，本節(jié)即改變支座布置位置，選取支座分別安裝在結(jié)構(gòu)質(zhì)心的上方、質(zhì)心、質(zhì)心的下方 3種情況，分析其變化對結(jié)構(gòu)沖擊的影響規(guī)律。

表5 消聲器的最大應(yīng)力變化情況Tab.5 The comparison of the maximum stress

結(jié)果表明，支座安裝位置對應(yīng)力分布、最大應(yīng)力值與產(chǎn)生位置有復(fù)雜的影響。支座安裝在質(zhì)心平面后，消聲器對橫向沖擊、縱向沖擊的應(yīng)力響應(yīng)最小，此規(guī)律在縱向沖擊中尤為明顯；基座安裝位置變化對于垂向沖擊影響較大，總體來看，安裝在質(zhì)心偏上方對降低消聲器的綜合沖擊應(yīng)力最有效。

4 結(jié) 語

本文以帶有內(nèi)插管的船舶柴油機(jī)排氣消聲器為研究對象，基于動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法，對其進(jìn)行抗沖擊的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，分析了結(jié)構(gòu)在三向沖擊設(shè)計(jì)值作用下的應(yīng)力與位移情況，結(jié)合消聲器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)力分布規(guī)律，從局部剛度增強(qiáng)、結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化等方面，提出了消聲器抗沖擊設(shè)計(jì)的規(guī)律，具體如下：

1）垂向沖擊環(huán)境下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大，應(yīng)力出現(xiàn)在插管與外筒體連接位置。

2）增加基座墊板可以較好的用于緩解縱向與橫向的沖擊應(yīng)力，對設(shè)備的質(zhì)量增量不大，也可以增強(qiáng)插管與外筒體連接位置的剛度，此方法可以在消聲器設(shè)計(jì)中優(yōu)先采用。

3）對垂向沖擊下結(jié)構(gòu)應(yīng)力的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可考慮從隔板剛度和角度兩方面開展。適當(dāng)增強(qiáng)插管與外筒體的隔板剛度可以有效地降低應(yīng)力，此情況下結(jié)構(gòu)的質(zhì)量稍增加；隔板的角度對結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力影響很大，可在保證結(jié)構(gòu)靜載強(qiáng)度的前提下，適當(dāng)增大隔板角度。

4）支座的位置對縱向與橫向沖擊下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響明顯，結(jié)構(gòu)的支座位置盡量圍繞質(zhì)心位置布置，同時(shí)，從緩解垂向沖擊應(yīng)力的角度，支座的位置可設(shè)在消聲器質(zhì)心偏上的位置。

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