高浩鵬，宋敬利，馮麟涵，沈曉樂(lè)

（1.中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧 大連 116041；2.海軍裝備研究院，北京100161）

船用柴油機(jī)抗沖擊試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)布設(shè)方法研究

高浩鵬1，宋敬利1，馮麟涵2，沈曉樂(lè)1

（1.中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧 大連 116041；2.海軍裝備研究院，北京100161）

為有效評(píng)估艦船抗沖擊試驗(yàn)中柴油機(jī)的沖擊環(huán)境及其抗沖擊性能，該文選取某型柴油機(jī)為研究對(duì)象，基于計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)理論，結(jié)合有限元方法，對(duì)其依次進(jìn)行多剛體動(dòng)力學(xué)、剛?cè)峄旌隙囿w動(dòng)力學(xué)、沖擊動(dòng)力學(xué)建模?；诮⒌哪Ｐ?，計(jì)算得到艦載柴油機(jī)遭受水下爆炸沖擊時(shí)加速度、位移時(shí)程曲線及曲軸的應(yīng)力分布。結(jié)合毀傷理論，分析計(jì)算結(jié)果中不同參數(shù)的分布規(guī)律，給出柴油機(jī)抗沖擊測(cè)量中不同測(cè)量參數(shù)的測(cè)點(diǎn)位置選取，為實(shí)際測(cè)量方案的制定奠定基礎(chǔ)。整個(gè)建模和分析過(guò)程不失一般性，可應(yīng)用于其他艦載機(jī)械設(shè)備。

單船舶機(jī)械；測(cè)點(diǎn)布設(shè)；多體動(dòng)力學(xué)；抗沖擊；柴油機(jī)

0　引　言

水下爆炸時(shí)，沖擊波［1-2］、氣泡脈動(dòng)［3-4］、水射流［5-6］等載荷直接作用于船體結(jié)構(gòu)。雖然艦載柴油機(jī)不直接遭遇各種水下爆炸載荷的作用，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作方式多樣等特點(diǎn)［7］，因此抗沖擊能力更加脆弱［8］。目前開(kāi)展的船載柴油機(jī)抗沖擊研究主要集中于柴油機(jī)零部件及分系統(tǒng)的沖擊機(jī)試驗(yàn)，如分配電箱［9］、曲柄連桿機(jī)構(gòu)［10］等；對(duì)于柴油機(jī)整機(jī)的抗沖擊研究主要基于仿真計(jì)算方法［11］。隨著抗沖擊測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，基于浮動(dòng)沖擊平臺(tái)及實(shí)船的柴油機(jī)整機(jī)抗沖擊試驗(yàn)成為可能［12］。對(duì)柴油機(jī)抗沖擊性能評(píng)估主要通過(guò)測(cè)量得到的加速度、應(yīng)變、速度、位移等物理參數(shù)或衍生參數(shù)進(jìn)行［13］，但是在柴油機(jī)整機(jī)抗沖擊試驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)位置選取的不同使得測(cè)試物理參數(shù)的值不同，進(jìn)而影響對(duì)柴油機(jī)抗沖擊性能以及沖擊環(huán)境的客觀評(píng)估［14］。故艦載柴油機(jī)抗沖擊測(cè)量試驗(yàn)中如何系統(tǒng)、科學(xué)地選取測(cè)點(diǎn)是測(cè)量研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題之一。

本文選取某型柴油機(jī)為研究對(duì)象，基于計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)理論，以仿真計(jì)算方法為主，根據(jù)不同測(cè)量參數(shù)的特點(diǎn)，從機(jī)械設(shè)備在沖擊環(huán)境下不同的破壞形式為切入點(diǎn)，系統(tǒng)性地研究水下爆炸沖擊作用下測(cè)點(diǎn)的布設(shè)方法。

1　柴油機(jī)抗沖擊仿真建模

柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件較多，能否準(zhǔn)確地其進(jìn)行物理建模對(duì)計(jì)算結(jié)果有直接的影響。本文基于多體動(dòng)力學(xué)理論［15］，以參數(shù)化控制的方式對(duì)柴油機(jī)整機(jī)進(jìn)行物理和力學(xué)建模。

1.1多剛體動(dòng)力學(xué)建模

首先通過(guò)三維實(shí)體建模軟件建立了柴油發(fā)電機(jī)組的實(shí)體模型（包括柴油機(jī)、同步電機(jī)、公共底座以及隔振器等），在此基礎(chǔ)上導(dǎo)入到多體動(dòng)力學(xué)軟件中建立其多剛體動(dòng)力學(xué)模型。

柴油機(jī)整機(jī)有上千個(gè)零部件，在建立多剛體模型時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，將整個(gè)機(jī)組簡(jiǎn)化為包括活塞、連桿、曲軸、平衡軸、凸輪軸、氣缸蓋、電機(jī)轉(zhuǎn)子、機(jī)座、主軸承、機(jī)腳等在內(nèi)的46個(gè)剛體，如圖1所示。

圖1　柴油機(jī)多剛體動(dòng)力學(xué)模型

柴油機(jī)涉及系統(tǒng)較多，邊界條件極其復(fù)雜，本文添加的柴油機(jī)邊界條件主要有：柴油機(jī)發(fā)火順序及間隔角、氣缸壓力、各個(gè)剛體之間的約束、剛體之間的力元以及運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)等。其中發(fā)火順序及間隔角與柴油機(jī)實(shí)際工作中一致；氣缸壓力通過(guò)實(shí)測(cè)曲線按照曲柄轉(zhuǎn)角進(jìn)行添加；各剛體之間的約束通過(guò)抽象構(gòu)件間關(guān)系而來(lái)［16］；運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)主要為轉(zhuǎn)速的添加；剛體之間的力元主要指整機(jī)組隔振系統(tǒng)的添加，隔振系統(tǒng)由6個(gè)橡膠隔振器組成，隔振器的參數(shù)如表1所示。

表1　隔振器參數(shù)

1.2剛?cè)峄旌隙囿w動(dòng)力學(xué)建模

柴油機(jī)剛?cè)岫囿w系統(tǒng)建模的理論基礎(chǔ)是計(jì)算多剛體系統(tǒng)理論與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)有限元方法的結(jié)合?？紤]到柴油機(jī)工作的特點(diǎn)及建模的規(guī)模，文中選取柴油機(jī)曲軸作為典型零部件對(duì)其進(jìn)行柔性化處理，并融合到多剛體系統(tǒng)模型中建立剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)分析模型。其具體過(guò)程為：生成六面體實(shí)體網(wǎng)格→添加載荷、材料屬性等→設(shè)置求解參數(shù)并計(jì)算得到模態(tài)中性文件→將該中性文件導(dǎo)入到多體動(dòng)力學(xué)軟件中進(jìn)行剛?cè)崽鎿Q。曲軸共劃分23111個(gè)單元、28041個(gè)節(jié)點(diǎn)，添加多點(diǎn)約束后進(jìn)行模態(tài)分析驗(yàn)證模型的正確性，多點(diǎn)約束有限元模型如圖2所示。

圖2　多點(diǎn)約束有限元模型

1.3沖擊動(dòng)力學(xué)建模

對(duì)于水面艦船來(lái)講，在遭遇水中兵器水下爆炸攻擊時(shí)，其沿甲板的垂向響應(yīng)較大。為了便于研究分析，工程上常將復(fù)雜的波形簡(jiǎn)化為幾種理想的、形狀規(guī)則的脈沖波形。參照德國(guó)BV043/85標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)行研究，其波形如圖3所示，圖中各參數(shù)計(jì)算如下式所示：

式中：A0——沖擊響應(yīng)譜加速度；

V0——沖擊響應(yīng)譜速度；

D0——沖擊響應(yīng)譜的相對(duì)位移。

圖3　組合半正弦波

組合半正弦波加載法的重點(diǎn)是要確定a2、a4、t1、t2這4個(gè)參數(shù)的數(shù)值。參照德國(guó)艦艇建造規(guī)范BV043/85標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)據(jù)代入式（1），求解得到4個(gè)參數(shù)數(shù)值如表2所示。

表2　組合半正弦波4個(gè)特征參數(shù)取值

在多體動(dòng)力學(xué)中通過(guò)IF函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)組合半正弦波的激勵(lì)添加，將表2中求解得到的4個(gè)特征參數(shù)代入IF函數(shù)得到具體的組合半正弦波如圖4所示（激勵(lì)開(kāi)始時(shí)刻為0.2s）。

圖4　組合半正弦波曲線

2　柴油機(jī)抗沖擊仿真結(jié)果分析

基于組合半正弦波加載法建立的柴油機(jī)沖擊動(dòng)力學(xué)模型，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組在額定工況工作時(shí)，通過(guò)求解計(jì)算得到其主要結(jié)果。

2.1加速度結(jié)果及分析

對(duì)于機(jī)械構(gòu)件來(lái)講，加速度是描述構(gòu)件運(yùn)動(dòng)特征的參數(shù)之一。沖擊加速度能反映水下爆炸沖擊能的大小，測(cè)量加速度是一種常用的測(cè)試方法。本文對(duì)柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)件、垂向不同高度等多處典型測(cè)點(diǎn)的加速度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)受到水下爆炸沖擊時(shí)：運(yùn)動(dòng)件加速度幅值較大；垂向沖擊激勵(lì)會(huì)耦合引起橫向和縱向的加速度響應(yīng)，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(duì)比加速度響應(yīng)和組合半正弦輸入發(fā)現(xiàn)，沖擊峰值在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上，衰減率約43%。圖5列出了沖擊條件下機(jī)腳3個(gè)方向的加速度響應(yīng)曲線。

圖5　機(jī)腳加速度響應(yīng)曲線

2.2位移結(jié)果及分析

位移測(cè)量一般主要應(yīng)用于彈性元器件，在整個(gè)柴油機(jī)組件中由于存在大量管系及彈性構(gòu)件，所以對(duì)沖擊條件下位移響應(yīng)測(cè)量是必要的。對(duì)位移結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)：垂向沖擊激勵(lì)會(huì)耦合引起橫向和縱向的位移響應(yīng)，特別是縱向較為明顯；測(cè)點(diǎn)從下到上位移量呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，在運(yùn)動(dòng)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(jī)體質(zhì)心3個(gè)方向的位移響應(yīng)曲線。

圖6　機(jī)體質(zhì)心位移響應(yīng)曲線

2.3應(yīng)力結(jié)果及分析

抗沖擊試驗(yàn)中，應(yīng)力值大小直接反映結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)，所以對(duì)沖擊條件下構(gòu)件的應(yīng)力分析十分必要。實(shí)際試驗(yàn)中通過(guò)對(duì)應(yīng)變的測(cè)量來(lái)對(duì)構(gòu)件的應(yīng)力值給出評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)及工作的特點(diǎn)分析，柴油機(jī)曲軸本身受力較大，是柴油機(jī)做功的直接輸出構(gòu)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(guò)程方法研究，文中僅選取曲軸為柔性體進(jìn)行建模。求解得到曲軸最大應(yīng)力值278.9 MPa、對(duì)應(yīng)時(shí)間為0.237 8 s、對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)號(hào)27708；沒(méi)有受到水下爆炸沖擊且正常工作時(shí)應(yīng)力最大值為232.5MPa。水下爆炸沖擊時(shí)最大應(yīng)力值產(chǎn)生時(shí)刻的曲軸應(yīng)力云圖如圖7所示，27 708號(hào)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)應(yīng)力曲線如圖8所示。

圖7　曲軸應(yīng)力云圖

圖8　節(jié)點(diǎn)27708動(dòng)態(tài)應(yīng)力曲線

對(duì)應(yīng)力結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)：曲柄臂與連桿軸頸交匯處、主軸承與曲柄臂交匯處應(yīng)力峰值較大；沖擊條件下曲軸最大應(yīng)力值沒(méi)有超過(guò)其屈服強(qiáng)度，曲軸正常工作時(shí)應(yīng)力峰值與沖擊條件下峰值比值約為83%。

3　測(cè)點(diǎn)布設(shè)方法研究

對(duì)于一般的艦載設(shè)備受到水下爆炸沖擊時(shí)其常見(jiàn)的破壞方式具體體現(xiàn)在：結(jié)構(gòu)件應(yīng)力過(guò)大引起永久變形、松脫或斷裂，造成結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度破壞；設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的碰撞、擠壓，造成設(shè)備或結(jié)構(gòu)的損壞與破壞；機(jī)械系統(tǒng)原有作用力的平衡遭到破壞，使設(shè)備性能變壞或機(jī)械系統(tǒng)功能被破壞等?；诜抡嬗?jì)算數(shù)據(jù)，結(jié)合結(jié)構(gòu)毀傷理論，本文主要從以下4個(gè)方面對(duì)艦載柴油機(jī)抗沖擊試驗(yàn)時(shí)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案進(jìn)行分析。

1）加速度測(cè)點(diǎn)選取

基座和機(jī)腳處：基座處的加速度測(cè)量用于分析沖擊輸入，機(jī)腳處測(cè)量結(jié)合基座處測(cè)量結(jié)果可以對(duì)隔振器的固有頻率和緩沖效率進(jìn)行分析，并作為柴油機(jī)自身沖擊能量的輸入?yún)⒖?。機(jī)體上靠近曲軸處：仿真分析表明該處加速度值較大，測(cè)量結(jié)果可用于研究分析柴油機(jī)自身激勵(lì)與沖擊激勵(lì)的耦合作用，當(dāng)柴油機(jī)在可能存在水下爆炸沖擊情況時(shí)給出使用方面的建議。一些電子設(shè)備的外掛件：這些部位的加速度測(cè)量可對(duì)外掛件的固有頻率進(jìn)行分析，判斷其結(jié)構(gòu)的合理性，并為結(jié)構(gòu)改進(jìn)奠定基礎(chǔ)，同時(shí)可以考核電子設(shè)備的抗沖擊能力。

2）位移測(cè)點(diǎn)選取

隔振器處：主要測(cè)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(jī)與其他設(shè)備連接處：仿真計(jì)算結(jié)果表明柴油機(jī)受到?jīng)_擊時(shí)上部的橫向和縱向位移較大，因?yàn)楣芟担ㄈ绾Ｋ鋮s管系、淡水冷卻管系、燃油管系等）主要導(dǎo)通液體和氣體，其固有頻率和脈動(dòng)頻率較為復(fù)雜，位移過(guò)大容易引起的撕裂破壞，另外這種低頻的位移響應(yīng)容易引起同艙室其他設(shè)備的共振。柴油機(jī)與電機(jī)彈性聯(lián)軸節(jié)：仿真計(jì)算結(jié)果表明，沖擊條件下柴油機(jī)與電機(jī)結(jié)構(gòu)的差異性導(dǎo)致沖擊響應(yīng)在幅值和相位上都有較大差異，測(cè)量聯(lián)軸節(jié)的位移可以判斷沖擊時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組沖擊條件下的匹配性。強(qiáng)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(fù)載荷，在沖擊時(shí)主要判斷螺栓是否松脫。

3）應(yīng)變測(cè)點(diǎn)選取

曲柄臂與連桿軸頸連接處：數(shù)值計(jì)算表明曲柄臂與連桿軸頸連接處應(yīng)力峰值較大，在此處應(yīng)對(duì)其應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量。柴油機(jī)機(jī)腳螺栓：通過(guò)仿真計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)工作時(shí)受到一個(gè)可示意為以機(jī)腳為支點(diǎn)的扭矩，沖擊條件時(shí)可能會(huì)放大這個(gè)扭矩，使得機(jī)腳螺栓產(chǎn)生剪切破壞。一些負(fù)重大的懸臂梁結(jié)構(gòu)的連接螺栓（如冷凝器連接螺栓）：冷凝器懸掛于柴油機(jī)頂部，當(dāng)受到垂向沖擊時(shí)，由于慣性力較大容易使得連接螺栓產(chǎn)生剪切或拉伸破壞。

4）其他參數(shù)選取

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速：柴油機(jī)調(diào)速器是一個(gè)精度要求較高的系統(tǒng)，沖擊條件下若調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)故障容易產(chǎn)生柴油機(jī)飛車失速，甚至產(chǎn)生大的事故；另外，沖擊條件下容易使得柴油機(jī)動(dòng)力傳遞組件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律產(chǎn)生瞬時(shí)變化，容易使得柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，進(jìn)而使得發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)斷電等影響。

4　結(jié)束語(yǔ)

對(duì)柴油機(jī)抗沖擊能力研究主要有試驗(yàn)和計(jì)算兩種方法，試驗(yàn)方法較為準(zhǔn)確但成本高。文中基于計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)理論，結(jié)合沖擊動(dòng)力學(xué)理論和有限元方法，對(duì)艦載柴油機(jī)依次進(jìn)行多剛體動(dòng)力學(xué)、剛?cè)峄旌隙囿w動(dòng)力學(xué)、沖擊動(dòng)力學(xué)建模，在此基礎(chǔ)上對(duì)加速度、位移、應(yīng)變等參數(shù)進(jìn)行求解分析，結(jié)果表明仿真建模及分析計(jì)算的可行性，為實(shí)際測(cè)量方案的制定奠定基礎(chǔ)。整個(gè)建模和分析過(guò)程不失一般性，可應(yīng)用于其他艦載機(jī)械設(shè)備。雖然文中對(duì)柴油機(jī)建模較為精確，但較少地考慮了構(gòu)件間的接觸、油膜、螺栓連接等關(guān)系，故仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性還需要進(jìn)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，F(xiàn)ENG 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(guó)家自然科學(xué)基金（51209215）

高浩鵬（1986-），男，陜西楊凌示范區(qū)人，工程師，博士，研究方向?yàn)樗卤ㄔ囼?yàn)測(cè)量與數(shù)值仿真。