艦用柴油機抗沖擊評估研究概述

歐陽光耀 高洪濱 汪 玉 黃映云 鄒開鳳

1海軍工程大學 船舶與動力學院，湖北 武漢430033

2海軍裝備研究院艦船所，北京100073

3海軍航空工程學院 青島分院，山東 青島266041

艦用柴油機抗沖擊評估研究概述

歐陽光耀1高洪濱1汪 玉2黃映云1鄒開鳳3

1海軍工程大學 船舶與動力學院，湖北 武漢430033

2海軍裝備研究院艦船所，北京100073

3海軍航空工程學院 青島分院，山東 青島266041

通過對艦用設備和艦用柴油機抗沖擊評估研究現狀的分析，結合柴油機的自身結構特點，提出了柴油機抗沖擊評估研究的框架。分析了柴油機抗沖擊評估的總體研究方法：多體動力學方法和有限元方法。提出了重要研究內容：柴油機沖擊動力學的非線性問題、柴油機的沖擊環境以及柴油機的沖擊試驗研究。指出了柴油機抗沖擊評估需要注意的關鍵環節：動力傳遞組件、齒輪機構、軸承、凸輪機構、重要螺栓、間隙連接、管路等。

柴油機；抗沖擊性；多體動力學；有限元

1 引言

柴油機是艦艇的動力之源，在艦船設備中占有重要地位，在沖擊安全級別中屬A級（最高級）設備。由水下爆炸等沖擊載荷引起的柴油機結構破壞或功能喪失所造成的損失將相當大，可以導致全船動力喪失、人員傷害等，因而柴油機的沖擊安全性是艦船生命力的重要因素。柴油機本身結構復雜，運動方式復雜，涉及水、油、氣等多種工作介質，其許多部件在正常工況下就已承受較大的機械應力和熱應力，而額外的、較強的沖擊載荷很可能造成柴油機重要部件的破壞和失效。艦艇空間狹小，布置緊湊，給柴油機的維修帶來諸多不便，因此許多故障難以當場排除。艦艇在海上執勤尤其是執行戰斗任務時，對動力的要求非常高，柴油機一旦發生故障而短時間內不能排除，是相當危險的。因此，了解艦用柴油機的抗沖擊能力，在此基礎上改善柴油機的沖擊環境，提高柴油機的抗沖擊能力，是提高艦船生命力和戰斗力的必然要求。

柴油機結構復雜，運動方式復雜，難以用理論分析的方法評估柴油機的抗沖擊性能。我國艦用設備抗沖擊研究起步晚，試驗條件和經費有限，大部分設備未經沖擊試驗考核直接裝艦，艦艇沖擊安全性存在潛在的不安全因素。目前沒有較好的試驗方法來考核柴油機的抗沖擊性能，因此，艦用柴油機的抗沖擊能力不得而知，研究還處于起步階段。

在艦用設備抗沖擊研究方面，美國和西歐海軍處于領先地位。美國堅持實船水下爆炸的方法考核其艦船及設備的抗沖擊能力，浮動沖擊平臺、沖擊試驗機等設備也十分齊全，通過大量的沖擊試驗積累，全面了解艦用設備的沖擊環境和抗沖擊能力，并在試驗基礎上開展了理論研究，美軍分析設備抗沖擊能力的DDAM方法，就是在大量試驗數據的基礎上建立的一個成熟的方法。沖擊試驗的方法可以全面、真實地了解船用設備的抗沖擊能力，為理論研究提供基礎，但需要大量的經費和時間。通過沖擊仿真建模預測沖擊響應，結合部分的沖擊試驗進行校核，適當地開展實船水下爆炸試驗，是以德國為代表的西歐海軍普遍采用的方法。我國海軍艦艇設備的抗沖擊研究處于起步階段，沖擊試驗設備有限，經費有限，不可能像美國那樣開展大量的沖擊試驗，因此，學習西歐海軍經驗，利用仿真計算的方法開展艦用設備的抗沖擊研究適合我國國情和軍情［1－5］。

2 柴油機抗沖擊評估研究的現狀

針對柴油機本身抗沖擊能力的研究，目前國內外的公開資料極少。海軍標準規范研究所施建榮［6］對同步發電機組進行了抗沖擊分析，根據裝備破壞史料確認了同步發電機組的危險部位 （機組固定螺栓、滾軸軸承、換向器、轉軸），采用截止頻率方法建立了機組的動力學模型，分析了危險部位的抗沖擊能力。江蘇科技大學劉少俊等［7］采用有限元方法和多體動力學方法對12VPA6艦用柴油機的曲柄連桿結構進行了沖擊響應分析，發現了結構的沖擊薄弱環節，得到了沖擊極限載荷。清華大學黃國強等［8］建立了艦用發電機組及其浮筏隔振系統的三維有限元模型，分析了在沖擊條件下發電機定轉子的響應，并與兩步法（采用多剛體簡化建模計算出發電機等效剛性塊響應，作為界面輸入分析發電機的定轉子響應）進行了對比，發現兩步法的分析結果通常小于整體建模方法的結果，常導致嚴重的欠估計。海軍工程大學黃映云、陳志敏、王勇［9，10］在多體動力學軟件中建立了某型柴油機發電機組的虛擬沖擊平臺，并利用有限元分析軟件對柴油機機腳進行了柔性體建模，形成了發電機組的剛柔多體模型。對機組的虛擬平臺按BV043／85標準的雙重半正弦沖擊激勵進行了時域動態沖擊，對機腳進行了抗沖擊評估。利用非線性瞬態動力學分析軟件及多體動力學軟件分別對某型柴油機曲柄連桿機構進行沖擊動力學分析，得到了曲軸和連桿的沖擊極限載荷，比較了兩種方法的優缺點。

上述文獻的研究為柴油機的抗沖擊評估提供了有益的參考，但是這些研究或者對柴油機進行了過于簡化的建模，或者只分析了柴油機的部分零部件，難以反映柴油機整機的沖擊能力，無法得到柴油機整機的沖擊極限載荷。

結合現有研究文獻資料、試驗資料、國內外艦船設備抗沖擊標準和柴油機的自身特點，我們認為，艦用柴油機抗沖擊評估當前需要重點解決下列問題，如圖1所示。

圖1 柴油機抗沖擊評估研究的框架圖

3 總體研究的方法

1）多體動力學在柴油機抗沖擊評估中的應用

多體動力學分析在航天、機器人、高速機構、汽車等領域得到了廣泛應用，在分析復雜動力機械系統時體現出了強大的能力。多體系統動力學有許多商業軟件支持，美國MSC公司的ADAMS和比利時LMS公司的DADS是其中的杰出代表，配合ANSYS和MSC.Nastran等通用有限元軟件，可以進行復雜機械系統的各種動力學建模和分析，可以作為柴油機抗沖擊研究的一個基本工具，尤其是柴油機運動機構的建模，單純使用有限元方法存在較大困難，剛柔混合建模是一個較好方法［11，12］。

但是剛柔混合多體動力學模型對結構的簡化在于定義一定數量的“剛體”，過多的定義剛體而忽略了這些零部件的彈性，會產生較大的誤差；而定義了過多的柔體將使得模型過于復雜。此外，柔性多體系統中柔體的模態選取和模態綜合、柔性體大范圍空間運動時的動力剛化問題都是很有難度的課題。因此，運用多體動力學軟件進行柴油機抗沖擊評估時，需要深入研究建模方法和模型修正方法，減少誤差。

2）有限元法在柴油機抗沖擊評估中的應用

對于柴油機這樣的復雜結構的動力學分析，沒有有限元軟件支持將很難進行，尤其是機體、氣缸蓋、活塞等結構復雜的關鍵零件的動力學分析。缸蓋和活塞的詳盡分析還應該考慮熱應力。因此，正確地利用有限元軟件，尤其是有限元軟件與多體動力學軟件的綜合應用，是柴油機抗沖擊評估的基本方法。

由于柴油機結構復雜，零部件多，零部件間的結合部種類多樣，因此子結構分析是較好的方法。有限元軟件的多級超單元分析為此提供了軟件平臺。子結構的合理劃分和結合部的準確建模是要解決的關鍵問題。柴油機作為一種復雜的動力機械，其中包含大量的、不同類型的結合部。機械結構是由許多零部件按一定功能要求結合起來的整體，一般稱零部件之間相互結合的部位為 “結合部”。機械結構的結合部有的是可動的，如導軌結合、齒輪嚙合、軸和軸承結合等；有的是固定的，如螺紋結合、錐度配合、壓配合、點焊接、鉚接等；還有一些屬半固定結合部，如摩擦離合器、間隙輪等。無論何種結合部，其結合均屬于“柔性結合”。當結合部受到外加復雜動載荷作用時，結合部間會產生多自由度、有阻尼的微幅振動，使得結合部表現出既有彈性又有阻尼、既儲存能量又消耗能量的“柔性結合”的本質和特性。接合部的這種特性將對機械結構整體的動態性能產生顯著影響，表現為使機械結構的整體剛度降低、阻尼增加，從而導致結構固有頻率降低，振動形態復雜化。在一些機械結構中，結合部的彈性和阻尼 （尤其是阻尼）比結構本身的彈性和阻尼還大。因此，研究機械結構整體的動力性能時，必須考慮結合部動力學特性的影響［13－16］。

3）柴油機中的沖擊動力學非線性問題

間隙、油膜、螺栓連接等在沖擊載荷下存在非線性特性，直接的剛性連接簡化方法顯然不準確，因此需要建立非線性模型或研究非線性問題的線性化方法。

4）柴油機沖擊環境研究

以實船試驗數據、柴油機的參數、安裝方式和安裝位置等參數為基礎，通過試驗數據分析或者理論分析，得到柴油機的沖擊環境，用作柴油機的沖擊輸入，是柴油機抗沖擊評估的重要基礎。

5）柴油機的沖擊試驗研究

研究柴油機沖擊試驗的方法、柴油機沖擊試驗的數據處理方法和基于實際破壞形式的沖擊破壞機理。柴油機沖擊試驗的實施要充分考慮各種因素，尤其是柴油機運轉時受沖擊涉及的設備、人員安全。柴油機運轉時受沖擊，響應信號是柴油機本身運轉動力響應與沖擊響應的綜合，最好能分離不同響應，以利于細化分析。

4 需要細化研究的關鍵環節和難點

柴油機是一個復雜的運動結構，維持柴油機正常運轉的必要條件很多，包含許多關鍵環節，任意一個環節發生破壞，都會造成嚴重后果。因此，不對這些具體環節進行研究，很難保證評估結果的可靠性。

1）動力傳遞組件的抗沖擊分析

一般采用剛柔混合多體動力學方法。尤其是曲軸、連桿等運動件的抗沖擊分析。將曲軸、連桿等柔化，柴油機的其它零部件定義為剛體，施加合理的約束和驅動，施加沖擊載荷，就可以分析柴油機運轉時曲軸、連桿等的沖擊響應，結果是本身運轉與沖擊響應的綜合結果。圖2是利用三維實體建模軟件、MSC.Patran、Msc.Nastran、MSC.ADAMS等軟件建立柴油機剛柔混合多體動力學模型的示意圖。

圖2 剛柔混合多體動力學分析流程

2）齒輪傳遞機構的沖擊動力學特性

由于齒面摩擦、齒面間隙及時變嚙合剛度等因素的存在，導致齒輪傳動系統成為一個復雜的強非線性動力學系統。在實驗和使用過程中都發現，齒輪副在工作時會表現出典型的非線性特性，如次諧和超諧響應、極限環共存等，而且還可能出現拍擊和錘擊等現象，使噪聲和動載增大。為了研制高精度、低噪聲的齒輪傳動，以及提高齒輪傳動的性能，國內外許多學者在齒輪傳動系統的非線性動力學方面做了許多工作［17－18］。有學者比較了靜態及沖擊兩種載荷工況下齒輪結構的力學特性，發現沖擊載荷的作用時間雖然短暫，但它的破壞性卻是靜止載荷的數倍，同時沖擊載荷的影響范圍比靜態也有明顯的擴大［19］，因此齒輪結構的抗沖擊性能要充分重視。

3）滑動軸承抗沖擊研究

柴油機的曲軸大部分采用滑動軸承支撐，滑動軸承的抗沖擊研究主要著眼于沖擊載荷對油膜建立的影響和油膜沖擊剛度、阻尼系數的計算。滑動軸承的油膜建立需要必要的條件，關于油膜的動力學特性研究較多，有較多的研究成果可以參考，但受沖擊載荷條件下的油膜特性研究較少，需要做進一步研究。軸承—轉子系統動力學的研究十分活躍，理論和實驗研究的結果證明，系統存在明顯的非線性特征。柴油機的滑動軸承承受著復雜的載荷，而系統本身又存在高度非線性，使得滑動軸承的抗沖擊研究難度極大［20－23］。

4）凸輪機構沖擊動力學特性

柴油機配氣機構是典型的凸輪機構。配氣機構是發動機的重要組成部分，配氣機構性能的好壞，直接影響到發動機的經濟性和可靠性，并對發動機噪聲與振動產生直接影響。配氣機構的動力學研究主要有理論分析法和多體動力學仿真分析方法，后者目前應用較多［24－26］，主要研究柴油機運轉時配氣機構的動力學特性，對配氣機構的抗沖擊性能研究幾乎為空白。

5）以螺栓為代表的關鍵緊固件和連接件的沖擊動力學特性

在BV043／85標準中，專門對螺栓連接做了較詳細的描述，因此螺栓等緊固件的沖擊安全性需要引起我們的充分重視。在柴油機中存在許多螺栓連接結構，承受著沿螺栓軸向和徑向的不同載荷，有些螺栓對柴油機的安全極其重要，需要仔細分析，如機腳螺栓、缸蓋螺栓和連桿螺栓，是柴油機最為關鍵的連接件，它們一旦損壞可能造成嚴重的事故，連桿螺栓折斷往往會造成機毀人亡的大事故。機腳螺栓連同機腳本身承受著柴油機的重量，柴油機的沖擊載荷作用在機腳螺栓和機腳上，然后通過它們傳遞到機器其它部位，因此其載荷較大；缸蓋螺栓、連桿螺栓本身安裝時就已經承受了較大的預緊力，在工作時又承受著較大的交變載荷。因此對柴油機進行抗沖擊評估時，這幾處需要詳細分析。螺栓連接部分對載荷的傳遞特性也是一個值得研究的課題。關于螺栓的靜力學分析和動力學分析的研究成果較多，可以作為我們進行螺栓沖擊動力學特性研究的參考［27－30］。

6）連接間隙的沖擊動力學特性

間隙運動副中接觸力的非光滑性及非線性特性將降低結構動力學性能。間隙連接處在沖擊載荷作用時可能發生撞擊，造成較大的二次沖擊［31－34］。

7）大位移造成的破壞與二次沖擊

管路及其連接處、支撐處的大位移造成損壞，大位移造成零部件間的撞擊以及與其它機構的撞擊造成二次沖擊，需要引起充分重視。管路的連接方式與支撐方式對管路的抗沖擊能力更為重要。實船試驗表明：橡膠支撐、卡箍連接會因為不能承受過大的相對位移而破壞；一些結構間相對位置較近，由于大位移發生撞擊，造成對機構的二次沖擊，有時二次沖擊的危害可能大于外來沖擊。

在以上的幾個研究方向中，在其它領域有許多值得借鑒的研究成果，但應用于柴油機的沖擊評估時還需要深入細致的研究工作。上述方向有的還相互聯系，由于涉及領域多，需要做大量的研究工作，相關研究人員要具有寬廣的知識面?？梢哉f，做好以上工作需要較大的工作量和較長的時間，但解決好以上問題不僅有助于柴油機抗沖擊評估工作的全面提高，也可以有助于其它機械的抗沖擊評估研究，因為其中的幾個研究方向是許多機械設備的共性問題。

5 目前的主要研究工作

如上所述，較為準確地對柴油機進行沖擊動力學評估，需要進行復雜、系統的工作，但以目前的經費、時間和人力的投入，很難按上述方法完整進行，只能由淺入深，逐步開展工作，不斷加深對柴油機這種復雜動力設備的沖擊動力學特點的認識，在分析與計算的實踐中提高認識及分析水平。目前的已完成和正在進行的研究工作如下。

5.1 基于多體動力學和有限元方法的某型柴油機機腳抗沖擊評估

在多體動力學軟件MSC.ADAMS中施加復雜約束及邊界條件，建立了柴油機發電機組的虛擬平臺（圖3）。利用有限元分析軟件MSC.Nastran對機腳進行了柔性體建模，形成了發電機組的剛柔多體模型。對虛擬平臺施加了雙重半正弦沖擊激勵，對機腳進行了抗沖擊評估，結果如圖4所示。

圖3 機組虛擬平臺

圖4 機腳應力云圖

5.2 基于多體動力學和有限元方法的某型柴油機運動件抗沖擊評估

建立了曲柄連桿機構的實體及有限元模型，利用非線性瞬態動力學分析軟件MSC.Datran和多體動力學軟件MSC.ADAMS及有限元分析軟件MSC.Nastran，分別對曲柄連桿機構進行沖擊動力學分析，結果如圖5、圖6所示。結果表明，連桿具有較高的安全儲備系數，沖擊對其影響不是很明顯，能滿足各項沖擊標準的要求。曲軸的臨界沖擊載荷約為20倍的重力加速度，造成柴油機的抗沖擊能力不足；剛柔混合動力學仿真，實現了多剛體動力學和有限元的耦合分析，能夠快速地獲得多個部件在任意工況、任意時刻的應力情況。而全有限元的動網格模型，能比較準確地模擬曲柄連桿機構實際工作中存在的大量非線性因素，節點之間力的傳遞比較準確，精度高，但計算時間長。圖3為建立的柴油機剛柔混合模型，圖4、圖6為部分零件的分析結果——應力云圖。

5.3 正在進行的工作

1）基于多體動力學軟件和有限元軟件的柴油機整機抗沖擊評估

對多個柴油機重要零部件進行柔性化處理，運用仿真以及對比的方法得出柴油機的各個薄弱部位，并進行精確計算；上升到整體的動態性能，特別是要注重連接件的動態分析。

圖5 連桿應力云圖

圖6 曲軸應力云圖

2）柴油機螺紋連接結構的沖擊動力學特性研究

研究螺紋連接結構對沖擊信號的傳遞特性，以及機腳螺栓、缸蓋螺栓等關鍵螺栓本身的抗沖擊能力，考慮接合面的非線性特性，考慮螺栓預緊力的影響，建立較為準確的螺紋連接結構的沖擊動力學模型，用于柴油機的整機建模和關鍵螺栓的抗沖擊評估。

3）滑動軸承的沖擊動力學特性研究

研究沖擊載荷對滑動軸承油膜建立的影響，研究滑動軸承的沖擊安全性。由于在柴油機上測量軸承的運轉參數難以進行，建立了滑動軸承沖擊試驗臺架，如圖7所示。由電機驅動，曲軸接彈簧施加載荷，通過2個KD9002型電渦流位移傳感器（揚州科動電子技術研究所生產）測量曲軸的軸心軌跡，通過KD2005型石英壓力傳感器測量油膜壓力。

圖7 滑動軸承沖擊試驗臺架

6 結束語

柴油機結構復雜，運動方式復雜，因此，柴油機抗沖擊評估是一個復雜的系統工程，既要有總體方法的研究，又要有關鍵環節的細化研究。目前的研究一般是做了充分的簡化，利用子結構分析或剛柔混合多體動力學分析方法研究，但我們認為，要想更好地分析柴油機的抗沖擊能力，必須對柴油機的沖擊動力學特性進行詳盡的系統分析。對柴油機的沖擊動力學分析應該考慮柴油機本身運轉的應力，細化柴油機的數值計算模型，適當開展理論研究，在多個方向上開展研究。這樣的研究可能會耗時較長，耗資較大，但意義重大，是數字化柴油機研究的重要組成部分，也可為其它機械的抗沖擊研究提供一些有益的參考。

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Overview of Shock Analysis of Shipboard Diesel Engine

Ouyang Guang－yao1Gao Hong－bin1Wang Yu2Huang Ying－yun1Zou Kai－feng3
1 College of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China 2 Ship Institute，Navy Equipment Academy，Beijing 100073，China 3 Qingdao Campus of Naval Aeronautical Engineering Institute，Qingdao 266041，China

Shock analysis framework of shipboard diesel engine was set up，based on shock analysis methods development of shipboard equipments and diesel engine as well as structural features of diesel engine.Two important shock analysis methods of diesel engine，which were multi－body dynamics method and finite element method，were analyzed.There were some important contents of shock analysis of diesel engine which were nonlinear problem，shock environment and shock trials.Some key components should be studied in detail were mentioned，which were movement assemblies，gear，bearing，cam，important screws，clearance and pipe.

diesel engine；shock resistance；multi-body dynamics；finite element

TK431

A

1673－3185（2009）02－01－06

2008-11-24

國防預研項目（4010401010101）

歐陽光耀（1964-），男，教授，博士生導師。研究方向：動力機械的結構設計與優化。E-mail：ouyanggy＠126.com

高洪濱（1978-），男，博士研究生。研究方向：噪聲與振動控制。E-mail：ghb2463＠163.com