大型渦輪機組抗沖擊性能數(shù)值研究

方 超 岳永威 王 超 曹冬梅

哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

1 引 言

艦艇在其服役期內(nèi)不可避免地會面臨各種沖擊環(huán)境問題，其沖擊源有：遭受導(dǎo)彈、激光炸彈直接攻擊時的接觸性爆炸；遭受聲吶魚雷爆炸沖擊時的水中非接觸性爆炸；自身武器發(fā)射時由反沖擊造成的沖擊。眾多的海上戰(zhàn)例及實船水下爆炸沖擊試驗結(jié)果表明，海軍戰(zhàn)斗艦艇在水下爆炸環(huán)境中所顯示出的突出問題主要表現(xiàn)在艦上許多重要設(shè)備及裝置的抗沖擊性能過差［1］?？梢姡灤到y(tǒng)和設(shè)備的抗沖擊性能直接影響著艦船的戰(zhàn)斗力及生命力。目前，國內(nèi)外對艦船設(shè)備的沖擊響應(yīng)計算均進行了大量研究［2-5］。美海軍發(fā)展了幾種抗沖擊設(shè)計分析方法，其中就包括基于沖擊譜的響應(yīng)分析方法。歐洲各國海軍使用的分析方法大多是以德海軍規(guī)范BV0430-85為代表的沖擊分析方法［6］。

對于一般的艦船渦輪機組，由于受其尺寸和質(zhì)量的限制，不能進行沖擊試驗，但有必要進行抗沖擊數(shù)值分析，因為通過分析，可以找出渦輪機組的薄弱環(huán)節(jié)，從而保證艦船戰(zhàn)斗力。本文主要基于德海軍規(guī)范BV0430-85中的沖擊分析方法，使用ABAQUS軟件對某艦用渦輪機組抗沖擊能力進行時域數(shù)值分析，給出渦輪機組典型部位的沖擊響應(yīng)，并找到渦輪機組結(jié)構(gòu)抗沖擊的薄弱環(huán)節(jié)。

2 渦輪機組有限元模型

本文利用ProE軟件建立了渦輪機組的三維幾何實體模型，通過HyperMesh軟件進行前處理，建立了有限元模型。在渦輪機組上，分布有凸臺、密封蓋、軸承孔和螺栓連接孔等，結(jié)構(gòu)拓撲關(guān)系較復(fù)雜，因此，在對其進行六面體網(wǎng)格劃分時，就需要對幾何實體模型進行必要的處理，如分割復(fù)雜的曲面、合并尺寸較小的面和線，以及在圓角處布置足夠數(shù)量的節(jié)點等。

為減小整體模型的大小，在建立齒輪軸的有限元模型時，將齒輪輪齒部分簡化為分度圓柱，將齒輪和軸的過盈配合聯(lián)接看成是剛性聯(lián)接，并忽略鍵槽的影響。在子模型中，對齒輪嚙合齒進行局部網(wǎng)格細化，以提高分析精度。圖1所示為渦輪機組的整體有限元模型。本文通過對模型網(wǎng)格的合理劃分，保證了計算結(jié)果的精確性，其模型節(jié)點總數(shù)為420 000，單元總數(shù)為530 000。圖2所示為壓氣機內(nèi)主軸與機匣的有限元模型。

渦輪機裝置由大量不同的構(gòu)件組成，連接關(guān)系非常復(fù)雜，而正確地定義不同構(gòu)件之間的連接邊界條件則是確保數(shù)值實驗結(jié)果正確的關(guān)鍵。本文主要是通過定義各個連接件之間的接觸關(guān)系來確定它們之間的連接條件。其中，雙頭螺栓連接結(jié)構(gòu)的兩個被連接件之間，以及螺柱和螺母與被連接件之間都被定義為接觸，對應(yīng)于ABAQUS軟件，為Contact接觸條件。而對于類似于沉孔螺栓的連接結(jié)構(gòu)，在模擬過程中，則將其處理為束縛約束，對應(yīng)于ABAQUS軟件，為Tie邊界條件，用于將兩個面束縛在一起。此時，從屬面上的每一個節(jié)點均被約束為與主控面上距它最接近的點具有相同的運動。對于結(jié)構(gòu)分析，這便意味著約束了所有的平移自由度。

3 沖擊載荷

在多數(shù)情況下，設(shè)備的沖擊載荷都是以沖擊譜的形式給出［7］，典型的沖擊譜曲線示意圖如圖3所示，由等位移、等速度和等加速度3段曲線組成。圖中，D0為位移譜，V0為速度譜，A0為加速度譜，等速度譜從頻率f1到f2。

本文基于Matlab軟件，利用編程手段將沖擊譜轉(zhuǎn)換為等效的時域加速度歷程曲線，并用時域分析法對渦輪機組進行抗沖擊計算。根據(jù)BV0430-85艦艇建造規(guī)范，沖擊譜可以等效為雙三角形或雙半正弦時間歷程曲線［8］。由于三角形脈沖更接近于沖擊響應(yīng)譜，計算機輸入也較方便，因此，本文在對渦輪機組抗沖擊能力進行數(shù)值仿真計算時，采用了雙三角形加速度時歷曲線加載。等效加速度時歷曲線如圖4所示。該曲線由正負兩個脈沖組成，其中，正脈沖的加速度峰值大，持續(xù)時間短，負脈沖則正好與之相反，加速度峰值小，持續(xù)時間長。正脈沖的面積為V2，因兩個脈沖的面積相等，致使基礎(chǔ)最終速度為零。圖中，a2和t3分別為正脈沖的加速度峰值和脈寬，a4為負脈沖的峰值，t5-t3為負脈沖的脈寬。等效加速度時歷曲線經(jīng)兩次積分便可得到位移值，與沖擊譜的位移譜值D0相比，此位移值要大一些 （約1.05倍）。根據(jù)BV0430-85艦艇建造規(guī)范，上述系數(shù)與沖擊譜值之間存在下列轉(zhuǎn)換關(guān)系：

對于質(zhì)量大于5 t的設(shè)備沖擊譜加速度和沖擊譜速度，需進行折減，折減公式為：

式中，A為折減后的沖擊譜加速度，m/s2；V為折減后的沖擊譜速度，m/s；M0＝5 t；Mi為被檢查設(shè)備的重量，t。

本文所分析的渦輪機組質(zhì)量為11 t，基于BV0430-85的校核工況，可得到如圖5所示的沖擊加載曲線。

4 數(shù)值計算結(jié)果分析

基于上節(jié)確定的校核工況，渦輪機組沖擊響應(yīng)應(yīng)力云圖如圖6所示。由應(yīng)力云圖可見，機組中的軸承、壓氣機主軸，以及壓氣機與底架搭接處的應(yīng)力響應(yīng)較劇烈，應(yīng)對這些典型部位進行重點分析。

4.1 典型部位的沖擊響應(yīng)

渦輪機組典型部位的加速度響應(yīng)時歷曲線如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可見，在沖擊作用下，壓氣機軸承的加速度響應(yīng)峰值比壓氣機主軸的響應(yīng)峰值要大；軸承的加速度響應(yīng)衰減較快，在0.04 s后幾乎衰減為0；壓氣機主軸的加速度響應(yīng)在整個計算時間內(nèi)未趨于平穩(wěn)。由此可知，在沖擊作用下，軸承的響應(yīng)更為劇烈，壓氣機主軸的響應(yīng)較為復(fù)雜。因此，在受到?jīng)_擊載荷作用時，軸承的沖擊環(huán)境較壓氣機主軸偏于惡劣，所以在考核渦輪機構(gòu)件的抗沖擊性能時，應(yīng)以軸承為主。

4.2 渦輪機組沖擊安全性分析

式中，σMises為考核部位單元的Mises應(yīng)力峰值，MPa；σs為材料靜態(tài)屈服極限，MPa。

考察渦輪機組各構(gòu)件的最大Mises應(yīng)力值，并根據(jù)其所對應(yīng)的材料許用應(yīng)力值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的失效系數(shù)，如表1所示。

在渦輪機組沖擊安全性分析過程中，本文重點考慮了兩個約束條件：一是從機組結(jié)構(gòu)強度的角度考慮，即要求設(shè)備各個部件的Mises應(yīng)力幅值小于其所對應(yīng)材料的許用應(yīng)力；二是從保證機組正常運作的角度考慮，即要求動葉片與定子間的間隙大于0。對于本機組，動葉片與定子間的平均安裝間隙為0.6 mm，因此，當(dāng)動葉片與機匣的徑向相對位移小于0.6 mm時，機組便可正常運轉(zhuǎn)。

為便于進行渦輪機組沖擊安全性分析，引入了“失效系數(shù)”α：

表1 校核工況下重點考核部位失效系數(shù)最大值Tab.1 The maximum of the failure coefficient of major check positions in the check condition

考察動葉片與定子間的徑向相對位移。在校核工況下，動葉片與定子間的徑向相對位移最大值及最小間隙如表2所示。

表2 校核工況下動葉片與定子間隙Tab.2 The distance between the movable blade and the stator in the check condition

由表1可看出，渦輪機組在沖擊校核工況下的“失效系數(shù)”α均小于1。由表2可見，在沖擊校核工況下，動葉片與定子間的最小間隙大于0。由此可知，設(shè)備在該沖擊環(huán)境下是安全的。

4.3 薄弱環(huán)節(jié)分析

為找出設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)，選取不同加速度峰值與脈寬的相互組合，設(shè)置多種工況并分別進行計算。同時，還分不同的方向?qū)υO(shè)備進行沖擊，包括垂向、橫向和縱向沖擊。通過分析各工況下設(shè)備的Mises應(yīng)力響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)渦輪機組結(jié)構(gòu)在承受垂向、橫向和縱向沖擊載荷時，其薄弱環(huán)節(jié)的分布位置大致相同，這些薄弱環(huán)節(jié)主要集中在：

1）壓氣機內(nèi)殼框架與底架搭接處；

2）壓氣機前后軸承上；

3）齒輪嚙合齒處；

4）聯(lián)接螺栓上。

由計算結(jié)果可看出，渦輪機的薄弱環(huán)節(jié)主要發(fā)生在構(gòu)件連接處，或連續(xù)構(gòu)件截面積明顯減小的部位，響應(yīng)峰值也大都出現(xiàn)在這些部位。這是因為當(dāng)設(shè)備受到?jīng)_擊載荷輸入后會發(fā)生振動，構(gòu)件連接處會受到設(shè)備在振動運動中因質(zhì)量而產(chǎn)生的慣性力，而慣性力會在構(gòu)件連接處、截面變化處產(chǎn)生高應(yīng)力集中。

5 結(jié)論

本文基于ABAQUS軟件，采用德海軍規(guī)范BV04302-85中的沖擊分析方法對某艦用渦輪機組抗沖擊能力進行了數(shù)值模擬計算，分析了渦輪機組在校核工況下的安全性，并通過設(shè)置多種工況，分析了渦輪機組的抗沖擊薄弱環(huán)節(jié)。通過對數(shù)值計算結(jié)果的分析，可得到以下結(jié)論：

1）在典型部位的響應(yīng)中，軸承的響應(yīng)要劇烈一些，壓氣機主軸的響應(yīng)則較為復(fù)雜，在設(shè)計時，應(yīng)對軸承結(jié)構(gòu)采取保護措施。

2）在沖擊校核工況下，渦輪機組各構(gòu)件的Mises應(yīng)力值小于許用值，動葉片與定子間的最小間隙為0.11 mm，也即渦輪機組在該沖擊環(huán)境下是安全的。

3）經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于受到設(shè)備振動時產(chǎn)生的慣性力的作用，薄弱環(huán)節(jié)主要集中在框架與底架搭接處，以及軸承、齒輪嚙合齒和連接螺栓處等構(gòu)件連接部位。

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