船用柴油發電機組底座諧響應分析

(南通迪施有限公司，江蘇 南通 226003)

0 前言

根據最新的美國船級社要求，船用柴油發電機組底座需要提供包含船舶運行狀態的船用柴油發電機組底座的分析計算書。船用柴油發電機組中柴油機作為偏心轉動機械在運動轉過程中會產生簡諧負荷，包括離心慣性力、往復慣性矩和傾覆力矩等振動力源，船用柴油發電機組需要設置隔振器以避免共振和受迫振動帶來有害作用，通過對設置隔振器的船用柴油發電機組底座進行諧響應分析，預測底座隔振后的持續動力學特性和克服共振的效果。

MTU船用柴油發電機組的隔振形式采用在底座與柴油機和發電機之間安裝隔振器的形式，柴油機為四行程16 V型，功率為2 080 kW，發電機功率為1 950 kW，轉速為1 800 r/min，缸心距235 mm，缸徑170 mm，行程210 mm，氣缸夾角為90°。

1 船用柴油發電機組模型設置及建模

在Ansys Workbench中，模型可以通過Autodesk Inventor三維建模軟件對船用柴油發電機組建模并將模型導入到Ansys Workbench中，然后進行材料設定、網格劃分、邊界條件輸入及諧響應分析。

船用柴油發電機組建模包括柴油機建模、發電機建模、底座建模及隔振器建模。柴油機及發電機結構比較復雜，在做動力學分析建模時，保證柴油機及發電機質量和質心位置與原結構相符即可，因此柴油機及發電機建模時，將柴油機簡化為長方體，發電機簡化為類圓柱體，保證其質量和安裝后的質心位置不變。而柴油機發電機底座則按實際結構建模。

將隔振器模型可建模為長方形橡膠隔振器(長,寬,高)，用來模擬實際選用的此剛度隔振器時機組的振動情況，本案取長方形橡膠隔振器長為230 mm,寬為180 mm,高為147.5 mm。

2 材料參數

由于柴油機及發電機模擬為長方體和類圓柱體，為保證其總質量不變，需要按照它們的實際質量推算出柴油機及發電機模型的密度，其彈性模量和泊松比仍按鋼鐵材料設定。

隔振器選型，與柴油機連接的隔振器選型為柴油RD314-60shA(剛度K1為5 278 N/mm)，與發電機連接的隔振器選型為柴油RD314-50shA(剛度K1為3 515 N/mm)。接下來諧響應分析可以采用彈性模量E60sh為23.65(MPa)的長方形橡膠模擬垂向剛度K1為5 278 N/mm的RD314-60sh型隔振器，用彈性模量為E50sh為15.75(MPa)的長方形橡膠模擬垂向剛度K1為3 515 N/mm的RD314-50sh型隔振器；長方形橡膠隔振器選擇常用橡膠的參數，取泊松比為0.49，質量密度為1 200 kg/m3。柴油機發電機組各部分材料參數的設定見表1。

表1 柴油機發電機組各部分材料參數表

3 邊界條件

固定約束為底座與船體相連接的12個連接板平面。對于16 V型柴油機可以看成兩排單列8缸機，由于兩排之間差了1個氣缸夾角，因此在計算整臺柴油機的不平衡時需將直列發動機計算值乘上V型機的合成系數。根據文獻[2]，單列8缸機的外力、外力矩完全平衡，該臺16V型柴油機的外力、外力矩也完全平衡，即其不平衡慣性力(離心力)及慣性力矩(離心力)均為0。因此擾動力為氣體不平衡壓力產生的激勵力矩，包括平均扭矩和簡諧力矩。

該款船用柴油發電機組柴油機功率為2 080 kW，轉速為1 800 r/min，柴油機平均扭矩為11 034 N·m。

柴油發電機組在船舶運航行過程中，在風浪作用下產生的顛頗導致柴油發電機組產生的慣性力，根據經驗，考慮船舶在橫傾15°和縱傾15°，以及在風浪作用下產生顛頗導致柴油發電機組產生的慣性力可分別在垂向和橫向或垂向和縱向加載0.5 G負荷即可。柴油發電機組的激勵振動頻率為30 Hz。

4 柴油發電機組諧響應分析

運用Ansys Workbench中諧響應分析功能，對船用柴油發電機組模型進行諧響應分析。將船用柴油發電機組模型中的柴油機、發電機、底座及隔振器材料屬性分別按表1設定，頻率范圍設定為激勵振動頻率30 Hz的整數倍，取0～960 Hz，設置頻率間隔為10 Hz；然后將邊界條件在諧響應分析功能中進行設定。分析求解包括頻率位移響應、頻率加速度響應和頻率應力響應，以上諧響應分析的加載面均為長方形橡膠隔振器與柴油機和發電機接觸的上平面。

4.1 考慮船舶在橫傾15°時的諧響應分析情況

圖2～圖4為船舶縱傾15°時的頻率位移響應、頻率加速度響應和頻率應力響應分析曲線。

圖2 船舶橫傾15°時的頻率應力響應曲線

圖3 船舶橫傾15°時的頻率加速度響應曲線

圖4 船舶橫傾15°時的頻率位移響應曲線

圖5 激勵振動頻率270 Hz時的等效應力云圖

圖6 激勵振動頻率270 Hz時的位移云圖

通過對圖2，圖3，圖4的船舶縱傾15°時的頻率位移響應、頻率加速度響應和頻率應力響應曲線分析，可以看出底座激勵振動頻率30～390 Hz時動力特性響應明顯且處于高位，其中30 Hz為柴油機激勵振動頻率，150 Hz、270 Hz、300 Hz和330 Hz為頻率位移響應、頻率加速度響應和頻率應力響應的振幅峰值點，提取以上5種頻率時的等效應力和位移參數如表2。圖5、圖6分別為頻率在270 Hz時的位移與應力云圖。

表2 船舶橫傾15°時的等效應力和位移參數表

由表2可以看出，底座最大應力發生在頻率為270 Hz時，其最大應力處為252.06 MPa，最大的位移為2.38 mm，270 Hz為共振點。由于柴油機激勵振動頻率為30 Hz，所以該底座的共振點遠離柴油機激勵振動頻率。

4.2 考慮船舶在縱傾15°時的諧響應分析情況

圖7～圖9為船舶縱傾15°時的頻率位移響應、頻率加速度響應和頻率應力響應分析曲線。

圖7 船舶縱傾15°時的頻率應力響應曲線

圖8 船舶縱傾15°時的頻率加速度響應曲線

圖9 船舶縱傾15°時的頻率位移響應曲線

通過對圖7～圖9的船舶縱傾15°時的頻率位移響應、頻率加速度響應和頻率應力響應曲線分析，可以看出底座激勵振動頻率30 Hz到120 Hz時動力特性響應明顯并且處于高位，其中30 Hz為柴油機激勵振動頻率，60 Hz、90 Hz和120 Hz為頻率位移響應、頻率加速度響應和頻率應力響應的振幅峰值，提取以上4種頻率時的等效應力和位移參數，見表3。圖10、圖11分別為頻率在90 Hz時的位移與應力云圖。

圖10 激勵振動頻率30 Hz時的等效應力云圖

圖11 激勵振動頻率30 Hz時的等效應力云圖

由表3可以看出，船舶在縱傾15°時，底座最大應力發生在頻率為30 Hz時，其最大應力為6.25 MPa，最大的位移為0.023 mm。由于柴油機激勵振動頻率為30 Hz，所以船舶縱傾15°時，底座最大位移振幅峰值僅為0.023 mm，底座激勵振動頻率遠離共振點。

表3 船舶縱傾15°時的等效應力和位移參數表

5 結論

應用Ansys Workbench軟件對安裝有隔振器的MTU型柴油機發電機組底座進行諧響應分析。通過分析，該柴油機發電機組底座激勵振動頻率遠離共振點，該型底座的持續動力學特性和克服共振的效果良好。同時也提供了一種船用柴油發電機組底座在船舶運行狀態的動力學分析方法。

參 考 文 獻

[1]倪振華．振動動力學(第一版)[M]．西安：西安電子科技大學出版社，1989.

[2]嚴濟寬. 機械振動隔離技術[M].上海科學技術文獻出版社，1986.

[3]船上振動控制指南[C].中國船級社，2000.

[4]孟凡明.一種橡膠隔振器的設計方法[J]. 艦船科學技術, 2012(35).

[5]魯琳. 某機車用柴油發電機組的隔振分析[M]. 大連理工大學，2013.

[6]林孔勇. 工業橡膠制品,橡膠工業手冊第六分冊[M].化學工業出版社,1993.