大型涡轮机组抗冲击性能数值研究

方 超 岳永威 王 超 曹冬梅

哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001

1 引 言

舰艇在其服役期内不可避免地会面临各种冲击环境问题，其冲击源有：遭受导弹、激光炸弹直接攻击时的接触性爆炸；遭受声呐鱼雷爆炸冲击时的水中非接触性爆炸；自身武器发射时由反冲击造成的冲击。众多的海上战例及实船水下爆炸冲击试验结果表明，海军战斗舰艇在水下爆炸环境中所显示出的突出问题主要表现在舰上许多重要设备及装置的抗冲击性能过差［1］。可见，舰船系统和设备的抗冲击性能直接影响着舰船的战斗力及生命力。目前，国内外对舰船设备的冲击响应计算均进行了大量研究［2-5］。美海军发展了几种抗冲击设计分析方法，其中就包括基于冲击谱的响应分析方法。欧洲各国海军使用的分析方法大多是以德海军规范BV0430-85为代表的冲击分析方法［6］。

对于一般的舰船涡轮机组，由于受其尺寸和质量的限制，不能进行冲击试验，但有必要进行抗冲击数值分析，因为通过分析，可以找出涡轮机组的薄弱环节，从而保证舰船战斗力。本文主要基于德海军规范BV0430-85中的冲击分析方法，使用ABAQUS软件对某舰用涡轮机组抗冲击能力进行时域数值分析，给出涡轮机组典型部位的冲击响应，并找到涡轮机组结构抗冲击的薄弱环节。

2 涡轮机组有限元模型

本文利用ProE软件建立了涡轮机组的三维几何实体模型，通过HyperMesh软件进行前处理，建立了有限元模型。在涡轮机组上，分布有凸台、密封盖、轴承孔和螺栓连接孔等，结构拓扑关系较复杂，因此，在对其进行六面体网格划分时，就需要对几何实体模型进行必要的处理，如分割复杂的曲面、合并尺寸较小的面和线，以及在圆角处布置足够数量的节点等。

为减小整体模型的大小，在建立齿轮轴的有限元模型时，将齿轮轮齿部分简化为分度圆柱，将齿轮和轴的过盈配合联接看成是刚性联接，并忽略键槽的影响。在子模型中，对齿轮啮合齿进行局部网格细化，以提高分析精度。图1所示为涡轮机组的整体有限元模型。本文通过对模型网格的合理划分，保证了计算结果的精确性，其模型节点总数为420 000，单元总数为530 000。图2所示为压气机内主轴与机匣的有限元模型。

涡轮机装置由大量不同的构件组成，连接关系非常复杂，而正确地定义不同构件之间的连接边界条件则是确保数值实验结果正确的关键。本文主要是通过定义各个连接件之间的接触关系来确定它们之间的连接条件。其中，双头螺栓连接结构的两个被连接件之间，以及螺柱和螺母与被连接件之间都被定义为接触，对应于ABAQUS软件，为Contact接触条件。而对于类似于沉孔螺栓的连接结构，在模拟过程中，则将其处理为束缚约束，对应于ABAQUS软件，为Tie边界条件，用于将两个面束缚在一起。此时，从属面上的每一个节点均被约束为与主控面上距它最接近的点具有相同的运动。对于结构分析，这便意味着约束了所有的平移自由度。

3 冲击载荷

在多数情况下，设备的冲击载荷都是以冲击谱的形式给出［7］，典型的冲击谱曲线示意图如图3所示，由等位移、等速度和等加速度3段曲线组成。图中，D0为位移谱，V0为速度谱，A0为加速度谱，等速度谱从频率f1到f2。

本文基于Matlab软件，利用编程手段将冲击谱转换为等效的时域加速度历程曲线，并用时域分析法对涡轮机组进行抗冲击计算。根据BV0430-85舰艇建造规范，冲击谱可以等效为双三角形或双半正弦时间历程曲线［8］。由于三角形脉冲更接近于冲击响应谱，计算机输入也较方便，因此，本文在对涡轮机组抗冲击能力进行数值仿真计算时，采用了双三角形加速度时历曲线加载。等效加速度时历曲线如图4所示。该曲线由正负两个脉冲组成，其中，正脉冲的加速度峰值大，持续时间短，负脉冲则正好与之相反，加速度峰值小，持续时间长。正脉冲的面积为V2，因两个脉冲的面积相等，致使基础最终速度为零。图中，a2和t3分别为正脉冲的加速度峰值和脉宽，a4为负脉冲的峰值，t5-t3为负脉冲的脉宽。等效加速度时历曲线经两次积分便可得到位移值，与冲击谱的位移谱值D0相比，此位移值要大一些 （约1.05倍）。根据BV0430-85舰艇建造规范，上述系数与冲击谱值之间存在下列转换关系：

对于质量大于5 t的设备冲击谱加速度和冲击谱速度，需进行折减，折减公式为：

式中，A为折减后的冲击谱加速度，m/s2；V为折减后的冲击谱速度，m/s；M0＝5 t；Mi为被检查设备的重量，t。

本文所分析的涡轮机组质量为11 t，基于BV0430-85的校核工况，可得到如图5所示的冲击加载曲线。

4 数值计算结果分析

基于上节确定的校核工况，涡轮机组冲击响应应力云图如图6所示。由应力云图可见，机组中的轴承、压气机主轴，以及压气机与底架搭接处的应力响应较剧烈，应对这些典型部位进行重点分析。

4.1 典型部位的冲击响应

涡轮机组典型部位的加速度响应时历曲线如图7、图8所示。

由图7、图8可见，在冲击作用下，压气机轴承的加速度响应峰值比压气机主轴的响应峰值要大；轴承的加速度响应衰减较快，在0.04 s后几乎衰减为0；压气机主轴的加速度响应在整个计算时间内未趋于平稳。由此可知，在冲击作用下，轴承的响应更为剧烈，压气机主轴的响应较为复杂。因此，在受到冲击载荷作用时，轴承的冲击环境较压气机主轴偏于恶劣，所以在考核涡轮机构件的抗冲击性能时，应以轴承为主。

4.2 涡轮机组冲击安全性分析

式中，σMises为考核部位单元的Mises应力峰值，MPa；σs为材料静态屈服极限，MPa。

考察涡轮机组各构件的最大Mises应力值，并根据其所对应的材料许用应力值转化为相应的失效系数，如表1所示。

在涡轮机组冲击安全性分析过程中，本文重点考虑了两个约束条件：一是从机组结构强度的角度考虑，即要求设备各个部件的Mises应力幅值小于其所对应材料的许用应力；二是从保证机组正常运作的角度考虑，即要求动叶片与定子间的间隙大于0。对于本机组，动叶片与定子间的平均安装间隙为0.6 mm，因此，当动叶片与机匣的径向相对位移小于0.6 mm时，机组便可正常运转。

为便于进行涡轮机组冲击安全性分析，引入了“失效系数”α：

表1 校核工况下重点考核部位失效系数最大值Tab.1 The maximum of the failure coefficient of major check positions in the check condition

考察动叶片与定子间的径向相对位移。在校核工况下，动叶片与定子间的径向相对位移最大值及最小间隙如表2所示。

表2 校核工况下动叶片与定子间隙Tab.2 The distance between the movable blade and the stator in the check condition

由表1可看出，涡轮机组在冲击校核工况下的“失效系数”α均小于1。由表2可见，在冲击校核工况下，动叶片与定子间的最小间隙大于0。由此可知，设备在该冲击环境下是安全的。

4.3 薄弱环节分析

为找出设备的薄弱环节，选取不同加速度峰值与脉宽的相互组合，设置多种工况并分别进行计算。同时，还分不同的方向对设备进行冲击，包括垂向、横向和纵向冲击。通过分析各工况下设备的Mises应力响应，发现涡轮机组结构在承受垂向、横向和纵向冲击载荷时，其薄弱环节的分布位置大致相同，这些薄弱环节主要集中在：

1）压气机内壳框架与底架搭接处；

2）压气机前后轴承上；

3）齿轮啮合齿处；

4）联接螺栓上。

由计算结果可看出，涡轮机的薄弱环节主要发生在构件连接处，或连续构件截面积明显减小的部位，响应峰值也大都出现在这些部位。这是因为当设备受到冲击载荷输入后会发生振动，构件连接处会受到设备在振动运动中因质量而产生的惯性力，而惯性力会在构件连接处、截面变化处产生高应力集中。

5 结论

本文基于ABAQUS软件，采用德海军规范BV04302-85中的冲击分析方法对某舰用涡轮机组抗冲击能力进行了数值模拟计算，分析了涡轮机组在校核工况下的安全性，并通过设置多种工况，分析了涡轮机组的抗冲击薄弱环节。通过对数值计算结果的分析，可得到以下结论：

1）在典型部位的响应中，轴承的响应要剧烈一些，压气机主轴的响应则较为复杂，在设计时，应对轴承结构采取保护措施。

2）在冲击校核工况下，涡轮机组各构件的Mises应力值小于许用值，动叶片与定子间的最小间隙为0.11 mm，也即涡轮机组在该冲击环境下是安全的。

3）经分析发现，由于受到设备振动时产生的惯性力的作用，薄弱环节主要集中在框架与底架搭接处，以及轴承、齿轮啮合齿和连接螺栓处等构件连接部位。

［1］姚熊亮，陈建平.水下爆炸二次脉动压力下舰船抗爆性能研究［J］.中国造船，2001，42（2）：48-55.

［2］SCAVUZZO R J，PUSEY H C.Naval shock analysis and design ［M］.HI-TEST Laboratories，Inc.，2007.

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［4］汪玉，王官祥.舰船系统的设备的抗冲击性能动力学仿真［J］.计算机仿真，1999，16（1）：27-29.

［5］柳贡民，刘志刚，张文平，等.以逐步积分法计算舰船柴油机隔振装置冲击响应［J］.哈尔滨工程大学学报，1997，18（4）：19-24.

［6］赵应龙，何琳，黄映云，等.船舶浮筏隔振系统冲击响应的时域计算［J］.噪声与振动控制，2005，25 （2）：14-17.

［7］刘建湖.舰船非接触水下爆炸动力学的理论和应用［D］.无锡：中国船舶科学研究中心，2002.

［8］BV0430-85 德国国防军舰建造规范—冲击安全性［S］.科布伦茨：联邦德国国防装备技术和采购局，1989.