船用柴油机抗冲击试验中测点布设方法研究

工作方式多样等特点[7]，因此抗冲击能力更加脆弱[8]。目前开展的船载柴油机抗冲击研究主要集中于柴油机零部件及分系统的冲击机试验，如分配电箱[9]、曲柄连杆机构[10]等；对于柴油机整机的抗冲击研究主要基于仿真计算方法[11]。随着抗冲击测试技术的发展，基于浮动冲击平台及实船的柴油机整机抗冲击试验成为可能[12]。对柴油机抗冲击性能评估主要通过测量得到的加速度、应变、速度、位移等物理参数或衍生参数进行[13]，但是在柴油机整机抗冲击试验测量过程中，测点位置选取的不同使得测试物理参数的值不同，进而影响对柴油机抗冲击性能以及冲击环境的客观评估[14]。故舰载柴油机抗冲击测量试验中如何系统、科学地选取测点是测量研究的重点和难点问题之一。

本文选取某型柴油机为研究对象，基于计算多体动力学理论，以仿真计算方法为主，根据不同测量参数的特点，从机械设备在冲击环境下不同的破坏形式为切入点，系统性地研究水下爆炸冲击作用下测点的布设方法。

1 柴油机抗冲击仿真建模

柴油机结构复杂、零件较多，能否准确地其进行物理建模对计算结果有直接的影响。本文基于多体动力学理论[15]，以参数化控制的方式对柴油机整机进行物理和力学建模。

1.1 多刚体动力学建模

首先通过三维实体建模软件建立了柴油发电机组的实体模型（包括柴油机、同步电机、公共底座以及隔振器等），在此基础上导入到多体动力学软件中建立其多刚体动力学模型。

柴油机整机有上千个零部件，在建立多刚体模型时必须对其进行简化，将整个机组简化为包括活塞、连杆、曲轴、平衡轴、凸轮轴、气缸盖、电机转子、机座、主轴承、机脚等在内的46个刚体，如图1所示。

柴油机涉及系统较多，边界条件极其复杂，本文添加的柴油机边界条件主要有：柴油机发火顺序及间隔角、气缸压力、各个刚体之间的约束、刚体之间的力元以及运动驱动等。其中发火顺序及间隔角与柴油机实际工作中一致；气缸压力通过实测曲线按照曲柄转角进行添加；各刚体之间的约束通过抽象构件间关系而来[16]；运动驱动主要为转速的添加；刚体之间的力元主要指整机组隔振系统的添加，隔振系统由6个橡胶隔振器组成，隔振器的参数如表1所示。

1.2 刚柔混合多体动力学建模

柴油机刚柔多体系统建模的理论基础是计算多刚体系统理论与结构动力学有限元方法的结合。考虑到柴油机工作的特点及建模的规模，文中选取柴油机曲轴作为典型零部件对其进行柔性化处理，并融合到多刚体系统模型中建立刚柔混合动力学分析模型。其具体过程为：生成六面体实体网格→添加载荷、材料属性等→设置求解参数并计算得到模态中性文件→将该中性文件导入到多体动力学软件中进行刚柔替换。曲轴共划分23 111个单元、28 041个节点，添加多点约束后进行模态分析验证模型的正确性，多点约束有限元模型如图2所示。

1.3 冲击动力学建模

对于水面舰船来讲，在遭遇水中兵器水下爆炸攻击时，其沿甲板的垂向响应较大。为了便于研究分析，工程上常将复杂的波形简化为几种理想的、形状规则的脉冲波形。参照德国BV043/85标准，主要有组合三角波和组合半正弦波两种波形。本文选取组合半正弦波进行研究，其波形如图3所示，图中各参数计算如下式所示：

a2=0.5A0

t1=■

V1=■V0=V2

a4=■

t2=■-t1

式中：A0——冲击响应谱加速度；

V0——冲击响应谱速度；

D0——冲击响应谱的相对位移。

组合半正弦波加载法的重点是要确定a2、a4、t1、t2这4个参数的数值。参照德国舰艇建造规范BV043/85标准，取甲板垂向冲击谱，得到等位移谱D0=0.042 m、等速度谱V0=6.0 m/s、等加速度谱A0=1 666 m/s2，将这些数据代入式（1），求解得到4个参数数值如表2所示。

在多体动力学中通过IF函数来实现组合半正弦波的激励添加，将表2中求解得到的4个特征参数代入IF函数得到具体的组合半正弦波如图4所示（激励开始时刻为0.2 s）。

2 柴油机抗冲击仿真结果分析

基于组合半正弦波加载法建立的柴油机冲击动力学模型，当柴油发电机组在额定工况工作时，通过求解计算得到其主要结果。

2.1 加速度结果及分析

对于机械构件来讲，加速度是描述构件运动特征的参数之一。冲击加速度能反映水下爆炸冲击能的大小，测量加速度是一种常用的测试方法。本文对柴油机运动件、垂向不同高度等多处典型测点的加速度进行分析，发现柴油机受到水下爆炸冲击时：运动件加速度幅值较大；垂向冲击激励会耦合引起横向和纵向的加速度响应，特别是纵向较为明显；加速度峰值从下到上有一定的衰减；对比加速度响应和组合半正弦输入发现，冲击峰值在同一个数量级上，衰减率约43%。图5列出了冲击条件下机脚3个方向的加速度响应曲线。

2.2 位移结果及分析

位移测量一般主要应用于弹性元器件，在整个柴油机组件中由于存在大量管系及弹性构件，所以对冲击条件下位移响应测量是必要的。对位移结果分析可以发现：垂向冲击激励会耦合引起横向和纵向的位移响应，特别是纵向较为明显；测点从下到上位移量呈现递增趋势，在运动件附近由于缸压作用位移量较大。图6列出了冲击条件下机体质心3个方向的位移响应曲线。

2.3 应力结果及分析

抗冲击试验中，应力值大小直接反映结构的力学状态，所以对冲击条件下构件的应力分析十分必要。实际试验中通过对应变的测量来对构件的应力值给出评价。通过对柴油机结构及工作的特点分析，柴油机曲轴本身受力较大，是柴油机做功的直接输出构件，水下爆炸冲击条件下其安全性尤为重要。由于建模工作量大，且本文更注重过程方法研究，文中仅选取曲轴为柔性体进行建模。求解得到曲轴最大应力值278.9 MPa、对应时间为0.237 8 s、对应节点号27 708；没有受到水下爆炸冲击且正常工作时应力最大值为232.5 MPa。水下爆炸冲击时最大应力值产生时刻的曲轴应力云图如图7所示，27 708号节点动态应力曲线如图8所示。

对应力结果分析可以发现：曲柄臂与连杆轴颈交汇处、主轴承与曲柄臂交汇处应力峰值较大；冲击条件下曲轴最大应力值没有超过其屈服强度，曲轴正常工作时应力峰值与冲击条件下峰值比值约为83%。

3 测点布设方法研究

对于一般的舰载设备受到水下爆炸冲击时其常见的破坏方式具体体现在：结构件应力过大引起永久变形、松脱或断裂，造成结构件强度破坏；设备与设备、设备与结构之间的相对运动引起的碰撞、挤压，造成设备或结构的损坏与破坏；机械系统原有作用力的平衡遭到破坏，使设备性能变坏或机械系统功能被破坏等。基于仿真计算数据，结合结构毁伤理论，本文主要从以下4个方面对舰载柴油机抗冲击试验时测点布设方案进行分析。

1）加速度测点选取

基座和机脚处：基座处的加速度测量用于分析冲击输入，机脚处测量结合基座处测量结果可以对隔振器的固有频率和缓冲效率进行分析，并作为柴油机自身冲击能量的输入参考。机体上靠近曲轴处：仿真分析表明该处加速度值较大，测量结果可用于研究分析柴油机自身激励与冲击激励的耦合作用，当柴油机在可能存在水下爆炸冲击情况时给出使用方面的建议。一些电子设备的外挂件：这些部位的加速度测量可对外挂件的固有频率进行分析，判断其结构的合理性，并为结构改进奠定基础，同时可以考核电子设备的抗冲击能力。

2）位移测点选取

隔振器处：主要测量隔振器的变形，判断冲击条件下隔振器的工作性能。柴油机与其他设备连接处：仿真计算结果表明柴油机受到冲击时上部的横向和纵向位移较大，因为管系（如海水冷却管系、淡水冷却管系、燃油管系等）主要导通液体和气体，其固有频率和脉动频率较为复杂，位移过大容易引起的撕裂破坏，另外这种低频的位移响应容易引起同舱室其他设备的共振。柴油机与电机弹性联轴节：仿真计算结果表明，冲击条件下柴油机与电机结构的差异性导致冲击响应在幅值和相位上都有较大差异，测量联轴节的位移可以判断冲击时柴油发电机组冲击条件下的匹配性。强受力部位的螺栓连接处：如连杆大端的连接螺栓，该处主要受较大的往复载荷，在冲击时主要判断螺栓是否松脱。

3）应变测点选取

曲柄臂与连杆轴颈连接处：数值计算表明曲柄臂与连杆轴颈连接处应力峰值较大，在此处应对其应变进行测量。柴油机机脚螺栓：通过仿真计算可以发现，柴油机工作时受到一个可示意为以机脚为支点的扭矩，冲击条件时可能会放大这个扭矩，使得机脚螺栓产生剪切破坏。一些负重大的悬臂梁结构的连接螺栓（如冷凝器连接螺栓）：冷凝器悬挂于柴油机顶部，当受到垂向冲击时，由于惯性力较大容易使得连接螺栓产生剪切或拉伸破坏。

4）其他参数选取

柴油机转速：柴油机调速器是一个精度要求较高的系统，冲击条件下若调速系统出现故障容易产生柴油机飞车失速，甚至产生大的事故；另外，冲击条件下容易使得柴油机动力传递组件的运动规律产生瞬时变化，容易使得柴油机曲轴转速波动较大，进而使得发电机组出现断电等影响。

4 结束语

对柴油机抗冲击能力研究主要有试验和计算两种方法，试验方法较为准确但成本高。文中基于计算多体动力学理论，结合冲击动力学理论和有限元方法，对舰载柴油机依次进行多刚体动力学、刚柔混合多体动力学、冲击动力学建模，在此基础上对加速度、位移、应变等参数进行求解分析，结果表明仿真建模及分析计算的可行性，为实际测量方案的制定奠定基础。整个建模和分析过程不失一般性，可应用于其他舰载机械设备。虽然文中对柴油机建模较为精确，但较少地考虑了构件间的接触、油膜、螺栓连接等关系，故仿真计算结果的准确性还需要进一步提高。

参考文献

[1] 王军，郭君，杨棣，等. 水下爆炸冲击波作用下船体舱段变形试验研究[J]. 船舶力学，2015，19（4）：428-435.

[2] SAITO T， MARUMOTO M， YAMASHITA H.Experimental

and numerical studies of underwater shock wave attenuation[J]. Shock Waves，2003，13（2）：86-120.

[3] 牟金磊，朱石坚，刁爱民. 边界条件对水下爆炸气泡运动特性的影响分析[J]. 振动与冲击，2014，33（13）：92-97.

[4] KLASEBOER E， HUNG K C， WANG C， et al.Experi-

mental and numerical investigation of the dynamics of an underwater explosion bubble near a resilient/rigid structure[J]. J Fluid Mech，2005（537）：387-413.

[5] ZHANG A M， YANG W S， YAO X L. Numerical simulation of underwater contact explosion[J]. Applied Ocean Research，2011（34）：10-20.

[6] WANG C， KHOO B C. An indirect boundary element method for three-dimensional explosion bubbles[J]. Journal of Computational Physics，2004（194）：451-480.

[7] MIKALSCN R， ROSKILLY A P. A review of free piston engine history and applications[J]. Applied Thermal

Engineering，2007（27）：2339-2352.

[8] 张晓阳，刘建湖，潘建强，等. 各主要海军国家设备抗冲击标准之评述[J]. 船舶力学，2011，15（11）：1322-1334.

[9] 李亚璘，欧阳光耀. 分配电箱冲击试验与数值仿真[J]. 中国舰船研究，2011，6（4）：34-36.

[10] 易太连，欧阳光耀，朱石坚，等. 运用小波函数对曲轴冲击响应中不同特征信号的提取[J]. 内燃机工程，2011，32（5）：74-78.

[11] 汪玉，赵建华，杜俭业，等. 基于多体动力学有限元计算的一种舰用柴油机抗冲击性能仿真[J]. 振动与冲击，2011，

28（11）：87-90.

[12] 计晨，王志刚，汪玉，等. 柴油机抗冲击性能实船水下爆炸冲击试验研究[J]. 舰船科学技术，2010，32（5）：28-30.

[13] 冯麟涵，汪玉，张磊. 舰船设备抗冲击能力的可靠性分析[J]. 振动与冲击，2013，32（1）：140-144.

[14] 王川. 测试中测量点的最优分布[J]. 中国测试技术，2007，

33（3）：13-15.

[15] LIU J Y， HONG J Z. Geometric stiffening effect on rigid-flexible coupling dynamics of an elastic beam[J]. Journal of Sound and Vibration，2004，278（4）：1147-1162.

[16] 刘晓日，李国祥，陆健，等. 柴油机单缸停油主轴承润滑分析[J]. 内燃机工程，2014，35（6）：25-30.

（编辑：李妮）

推荐访问:布设 柴油机 船用 试验 抗冲击