船用柴油發(fā)電機(jī)組底座諧響應(yīng)分析

(南通迪施有限公司，江蘇 南通 226003)

0 前言

根據(jù)最新的美國船級社要求，船用柴油發(fā)電機(jī)組底座需要提供包含船舶運(yùn)行狀態(tài)的船用柴油發(fā)電機(jī)組底座的分析計(jì)算書。船用柴油發(fā)電機(jī)組中柴油機(jī)作為偏心轉(zhuǎn)動機(jī)械在運(yùn)動轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生簡諧負(fù)荷，包括離心慣性力、往復(fù)慣性矩和傾覆力矩等振動力源，船用柴油發(fā)電機(jī)組需要設(shè)置隔振器以避免共振和受迫振動帶來有害作用，通過對設(shè)置隔振器的船用柴油發(fā)電機(jī)組底座進(jìn)行諧響應(yīng)分析，預(yù)測底座隔振后的持續(xù)動力學(xué)特性和克服共振的效果。

MTU船用柴油發(fā)電機(jī)組的隔振形式采用在底座與柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)之間安裝隔振器的形式，柴油機(jī)為四行程16 V型，功率為2 080 kW，發(fā)電機(jī)功率為1 950 kW，轉(zhuǎn)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(fā)電機(jī)組模型設(shè)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(fā)電機(jī)組建模并將模型導(dǎo)入到Ansys Workbench中，然后進(jìn)行材料設(shè)定、網(wǎng)格劃分、邊界條件輸入及諧響應(yīng)分析。

船用柴油發(fā)電機(jī)組建模包括柴油機(jī)建模、發(fā)電機(jī)建模、底座建模及隔振器建模。柴油機(jī)及發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在做動力學(xué)分析建模時，保證柴油機(jī)及發(fā)電機(jī)質(zhì)量和質(zhì)心位置與原結(jié)構(gòu)相符即可，因此柴油機(jī)及發(fā)電機(jī)建模時，將柴油機(jī)簡化為長方體，發(fā)電機(jī)簡化為類圓柱體，保證其質(zhì)量和安裝后的質(zhì)心位置不變。而柴油機(jī)發(fā)電機(jī)底座則按實(shí)際結(jié)構(gòu)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(shí)際選用的此剛度隔振器時機(jī)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(shù)

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

隔振器選型，與柴油機(jī)連接的隔振器選型為柴油RD314-60shA(剛度K1為5 278 N/mm)，與發(fā)電機(jī)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(yīng)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(shù)，取泊松比為0.49，質(zhì)量密度為1 200 kg/m3。柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組各部分材料參數(shù)的設(shè)定見表1。

表1 柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組各部分材料參數(shù)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(jī)可以看成兩排單列8缸機(jī)，由于兩排之間差了1個氣缸夾角，因此在計(jì)算整臺柴油機(jī)的不平衡時需將直列發(fā)動機(jī)計(jì)算值乘上V型機(jī)的合成系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，單列8缸機(jī)的外力、外力矩完全平衡，該臺16V型柴油機(jī)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(chǎn)生的激勵力矩，包括平均扭矩和簡諧力矩。

該款船用柴油發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)功率為2 080 kW，轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，柴油機(jī)平均扭矩為11 034 N·m。

柴油發(fā)電機(jī)組在船舶運(yùn)航行過程中，在風(fēng)浪作用下產(chǎn)生的顛頗導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的慣性力，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，考慮船舶在橫傾15°和縱傾15°，以及在風(fēng)浪作用下產(chǎn)生顛頗導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)組產(chǎn)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(fù)荷即可。柴油發(fā)電機(jī)組的激勵振動頻率為30 Hz。

4 柴油發(fā)電機(jī)組諧響應(yīng)分析

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

4.1 考慮船舶在橫傾15°時的諧響應(yīng)分析情況

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

圖2 船舶橫傾15°時的頻率應(yīng)力響應(yīng)曲線

圖3 船舶橫傾15°時的頻率加速度響應(yīng)曲線

圖4 船舶橫傾15°時的頻率位移響應(yīng)曲線

圖5 激勵振動頻率270 Hz時的等效應(yīng)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(yīng)、頻率加速度響應(yīng)和頻率應(yīng)力響應(yīng)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(yīng)明顯且處于高位，其中30 Hz為柴油機(jī)激勵振動頻率，150 Hz、270 Hz、300 Hz和330 Hz為頻率位移響應(yīng)、頻率加速度響應(yīng)和頻率應(yīng)力響應(yīng)的振幅峰值點(diǎn)，提取以上5種頻率時的等效應(yīng)力和位移參數(shù)如表2。圖5、圖6分別為頻率在270 Hz時的位移與應(yīng)力云圖。

表2 船舶橫傾15°時的等效應(yīng)力和位移參數(shù)表

由表2可以看出，底座最大應(yīng)力發(fā)生在頻率為270 Hz時，其最大應(yīng)力處為252.06 MPa，最大的位移為2.38 mm，270 Hz為共振點(diǎn)。由于柴油機(jī)激勵振動頻率為30 Hz，所以該底座的共振點(diǎn)遠(yuǎn)離柴油機(jī)激勵振動頻率。

4.2 考慮船舶在縱傾15°時的諧響應(yīng)分析情況

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

圖7 船舶縱傾15°時的頻率應(yīng)力響應(yīng)曲線

圖8 船舶縱傾15°時的頻率加速度響應(yīng)曲線

圖9 船舶縱傾15°時的頻率位移響應(yīng)曲線

通過對圖7～圖9的船舶縱傾15°時的頻率位移響應(yīng)、頻率加速度響應(yīng)和頻率應(yīng)力響應(yīng)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(yīng)明顯并且處于高位，其中30 Hz為柴油機(jī)激勵振動頻率，60 Hz、90 Hz和120 Hz為頻率位移響應(yīng)、頻率加速度響應(yīng)和頻率應(yīng)力響應(yīng)的振幅峰值，提取以上4種頻率時的等效應(yīng)力和位移參數(shù)，見表3。圖10、圖11分別為頻率在90 Hz時的位移與應(yīng)力云圖。

圖10 激勵振動頻率30 Hz時的等效應(yīng)力云圖

圖11 激勵振動頻率30 Hz時的等效應(yīng)力云圖

由表3可以看出，船舶在縱傾15°時，底座最大應(yīng)力發(fā)生在頻率為30 Hz時，其最大應(yīng)力為6.25 MPa，最大的位移為0.023 mm。由于柴油機(jī)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(yuǎn)離共振點(diǎn)。

表3 船舶縱傾15°時的等效應(yīng)力和位移參數(shù)表

5 結(jié)論

應(yīng)用Ansys Workbench軟件對安裝有隔振器的MTU型柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組底座進(jìn)行諧響應(yīng)分析。通過分析，該柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組底座激勵振動頻率遠(yuǎn)離共振點(diǎn)，該型底座的持續(xù)動力學(xué)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(fā)電機(jī)組底座在船舶運(yùn)行狀態(tài)的動力學(xué)分析方法。

參 考 文 獻(xiàn)

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

[2]嚴(yán)濟(jì)寬. 機(jī)械振動隔離技術(shù)[M].上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)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(shè)計(jì)方法[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2012(35).

[5]魯琳. 某機(jī)車用柴油發(fā)電機(jī)組的隔振分析[M]. 大連理工大學(xué)，2013.

[6]林孔勇. 工業(yè)橡膠制品,橡膠工業(yè)手冊第六分冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社,1993.