燃?xì)廨啓C(jī)吊裝軌道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究

陳文戰(zhàn) 豈興明 華志剛

1海軍駐江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海201913 2中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢430064

燃?xì)廨啓C(jī)吊裝軌道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究

陳文戰(zhàn)1豈興明2華志剛2

1海軍駐江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海201913 2中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢430064

以某船為研究背景，進(jìn)行了燃?xì)廨啓C(jī)吊裝軌道的強(qiáng)度分析研究。首先開展了導(dǎo)軌系統(tǒng)的受力分析，給出了不同類型力載荷的理論計算結(jié)果；再利用有限元軟件分別建立了導(dǎo)軌的桿梁單元和實(shí)體單元三維計算模型；然后確定了10個典型計算步的載荷；經(jīng)過試算對比兩種模型，桿梁單元和實(shí)體單元模型相比具有求解速度快，效率高等特點(diǎn)。進(jìn)而確定了以桿梁單元網(wǎng)格為主要計算模型，實(shí)體單元網(wǎng)格為校核計算模型的研究思路。計算結(jié)果表明：現(xiàn)有吊裝軌道系統(tǒng)的強(qiáng)度滿足使用要求，在過渡導(dǎo)軌段是整個導(dǎo)軌系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，需要進(jìn)一步優(yōu)化吊裝軌跡或者局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

燃?xì)廨啓C(jī)；吊裝軌道；強(qiáng)度分析；有限元法

1 引言

隨著燃?xì)廨啓C(jī)在我國水面艦船上的應(yīng)用逐漸廣泛，對其保養(yǎng)和維修工作已成為必須面對的問題。由于受到艦船機(jī)艙條件的限制，采用箱裝體化設(shè)計的燃?xì)廨啓C(jī)裝船后，在船上有組織地進(jìn)行保養(yǎng)和維修工作實(shí)質(zhì)上僅限于發(fā)動機(jī)外部設(shè)備。因而需將有故障或使用壽命到期的燃?xì)廨啓C(jī)利用專業(yè)設(shè)施拆離艦船，并由合格的燃?xì)廨啓C(jī)替換。在燃?xì)廨啓C(jī)裝艦時都要考慮到燃?xì)廨啓C(jī)出艙維修的吊裝問題。國外的大、中型水面艦船中，在進(jìn)氣裝置的設(shè)計時就考慮了在船上進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)、燃?xì)獍l(fā)生器或動力渦輪通過進(jìn)氣管道吊出或吊入的問題［1］。某型艦船采用某燃?xì)廨啓C(jī)，該型機(jī)組采用箱裝體，箱裝體內(nèi)配備了比較完善的發(fā)動機(jī)換裝系統(tǒng)。

艦船系統(tǒng)設(shè)計過程中，強(qiáng)度校核計算是必不可少的環(huán)節(jié)。王建勛等［2］進(jìn)行了32000 DWT散貨船貨艙段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。郜永杰等［3］開展了軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析。雷曉燕［4］討論了軌道力學(xué)與工程新方法。李樂等［5］進(jìn)行了TLJ400連續(xù)擠壓機(jī)機(jī)架的強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究。

某型艦船現(xiàn)在采用燃?xì)廨啓C(jī)單軌道形式的吊裝軌道系統(tǒng)。而改進(jìn)后的燃?xì)廨啓C(jī)吊裝軌道為雙軌道形式。和單軌道系統(tǒng)相比，雙軌道系統(tǒng)可以避免燃?xì)廨啓C(jī)抬高400 mm，使燃?xì)廨啓C(jī)在箱裝體內(nèi)沿著軌道被直接吊出機(jī)艙，解決了在狹小空間內(nèi)的燃?xì)廨啓C(jī)吊裝難題。但是，為了更好地滿足使用要求，進(jìn)一步提高燃?xì)廨啓C(jī)吊裝軌道系統(tǒng)的可靠性、操作性，需要對某型艦船燃?xì)廨啓C(jī)吊裝雙軌道系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度分析研究。

2 導(dǎo)軌受力分析

由于燃?xì)廨啓C(jī)移動過程中對導(dǎo)軌的作用力是變化的。如圖1、圖2所示，燃?xì)廨啓C(jī)在導(dǎo)軌中的位置可以由角度α來描述；吊裝牽引力F的大小取決于牽引力角度β和角度α。在整個吊裝過程中，牽引力F基本上隨著燃?xì)廨啓C(jī)的角度α而逐漸增大；本文選取典型的10個載荷點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力計算。具體的載荷數(shù)值可以通過解析方法得到。詳細(xì)的分析過程如下。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)在導(dǎo)軌水平段的受力示意圖

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)在導(dǎo)軌垂直段的受力示意圖

在燃?xì)廨啓C(jī)的后支撐點(diǎn)有：

其中，P1為導(dǎo)軌對燃?xì)廨啓C(jī)的支反力；f1為燃?xì)廨啓C(jī)與導(dǎo)軌的摩擦力，方向與導(dǎo)軌相切；Fz1為燃?xì)廨啓C(jī)后支撐的z向等效受力；Fy1為燃?xì)廨啓C(jī)后支撐的y向等效受力；θ為摩擦力f1與水平方向的夾角；f為燃?xì)廨啓C(jī)與導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)。

求解方程組（1）可得：

燃?xì)廨啓C(jī)前支撐點(diǎn)的等效力方程組為：

其中，P2為導(dǎo)軌對燃?xì)廨啓C(jī)的支反力；f2為燃?xì)廨啓C(jī)與導(dǎo)軌的摩擦力，方向與導(dǎo)軌相切；Fz2為燃?xì)廨啓C(jī)前支撐的z向等效受力；Fy2為燃?xì)廨啓C(jī)前支撐的y向等效受力；γ為摩擦力f2與水平方向的夾角。

求解方程組（3）可得：

燃?xì)廨啓C(jī)的力學(xué)平衡方程組還包括：

求解方程組（5）和方程（2）、（4）可得：

其中：F為燃?xì)廨啓C(jī)吊裝的牽引力；β為燃?xì)廨啓C(jī)牽引力與水平方向的夾角；G為燃?xì)廨啓C(jī)的重力；L1為燃?xì)廨啓C(jī)重心到后支撐點(diǎn)的距離；L2為燃?xì)廨啓C(jī)重心到前支撐點(diǎn)的距離；L為燃?xì)廨啓C(jī)牽引力作用點(diǎn)到后支撐點(diǎn)的距離；α為燃?xì)廨啓C(jī)與水平方向的夾角。

在過渡段導(dǎo)軌，牽引力F大幅增加，分析其原因表明：在該點(diǎn)牽引力從艙內(nèi)繩索牽引改為艙外吊車牽引。牽引力角度突增，而此時前支點(diǎn)導(dǎo)軌基本垂直，牽引角接近“死鎖”角，進(jìn)而導(dǎo)致牽引力突增。此處導(dǎo)軌的應(yīng)力將會顯著增加，強(qiáng)度儲備下降。

3 桿梁單元參數(shù)化建模

由于燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)軌的截面尺寸相對于導(dǎo)軌長度而言很小，長寬比大于10。相對于實(shí)體建模而言，采用桿梁單元劃分網(wǎng)格具有節(jié)點(diǎn)數(shù)量少、計算精度高等特點(diǎn)。因此，首先將燃?xì)廨啓C(jī)吊裝導(dǎo)軌假設(shè)為由桿、梁組成的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

3.1 導(dǎo)軌桿梁單元網(wǎng)格的劃分

ANSYS提供的幾種常用梁單元截面形式和吊裝導(dǎo)軌截面形狀相差甚遠(yuǎn)。如圖3、圖4所示，本文利用自定義截面形式來進(jìn)行復(fù)雜截面形狀的網(wǎng)格劃分。而水平導(dǎo)軌支撐簡化為空心圓柱，圓弧導(dǎo)軌連桿采用的是ANSYS提供的實(shí)心圓截面；垂直導(dǎo)軌支撐截面和過渡段導(dǎo)軌支撐截面可以等效為兩個標(biāo)準(zhǔn)的矩形截面［6］。

圖3 垂直導(dǎo)軌截面示意圖

圖4 水平導(dǎo)軌截面示意圖

燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)軌系統(tǒng)進(jìn)氣管部分由19個導(dǎo)軌段、雙聯(lián)導(dǎo)軌連接件固定板、單聯(lián)導(dǎo)軌連接件固定板及導(dǎo)軌連接件組成。燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)軌系統(tǒng)箱裝體部分由水平導(dǎo)軌、過渡圓弧導(dǎo)軌、水平支柱組件等組成。本文將導(dǎo)軌系統(tǒng)分為7個部分：水平導(dǎo)軌、垂直導(dǎo)軌、過渡導(dǎo)軌、垂直支撐、水平支撐、過渡支撐和圓弧導(dǎo)軌連桿。連接螺栓、安裝座板等已經(jīng)進(jìn)行了校核計算，此處省略了連接件，僅對導(dǎo)軌系統(tǒng)的主要構(gòu)件進(jìn)行建模分析。共生成了3 335個節(jié)點(diǎn)1 112個beam189單元網(wǎng)格（圖5）。

圖5 采用桿梁單元劃分的過渡導(dǎo)軌網(wǎng)格

3.2 導(dǎo)軌實(shí)體單元網(wǎng)格的劃分

和桿梁單元模型相比實(shí)體模型的網(wǎng)格具有節(jié)點(diǎn)數(shù)目多、操作過程復(fù)雜繁瑣、計算需求資源多、求解時間長等特點(diǎn)［7］。在建模過程中，為了減少單元格數(shù)量、提高求解速度，對模型進(jìn)行了適當(dāng)簡化：省略了導(dǎo)軌接頭、連桿接頭、螺栓、安裝座板等細(xì)節(jié)。實(shí)體模型如圖6所示，省略了各段導(dǎo)軌之間的連接組件。如果將全部的實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將占用大量內(nèi)存的內(nèi)存資源。通過桿梁單元的試算結(jié)果可以看出：施加在任意兩相鄰導(dǎo)軌支撐間的載荷對其他導(dǎo)軌的應(yīng)力影響很小。因此，本文采用solid185單元逐段劃分網(wǎng)格的方法，在進(jìn)行實(shí)體模型計算分析時，僅劃分載荷相鄰導(dǎo)軌支撐之間部分的網(wǎng)格。僅水平導(dǎo)軌段就生成了約11萬個網(wǎng)格。

圖6 采用實(shí)體單元劃分的過渡導(dǎo)軌網(wǎng)格

4 計算結(jié)果對比分析

如圖7、圖8所示，在第三載荷步桿梁單元和實(shí)體單元的計算結(jié)果都說明：過渡導(dǎo)軌處的等效應(yīng)力最大，該段導(dǎo)軌是整個導(dǎo)軌系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)。雖然桿梁單元的最大等效應(yīng)力為 δmax＝134 MPa，實(shí)體模型 δmax＝168 MPa。材料的屈服極限為δb＝235 MPa，安全系數(shù)取n＝1.25，則材料的許用應(yīng)力［δ］＝188 MPa，以上兩種方法的最大等效應(yīng)力均滿足強(qiáng)度要求 δmax＜［δ］。但是，該段導(dǎo)軌的強(qiáng)度直接關(guān)系到整個導(dǎo)軌系統(tǒng)的整體強(qiáng)度。在后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中，系統(tǒng)的最大應(yīng)力點(diǎn)均出現(xiàn)在過渡導(dǎo)軌處。實(shí)體單元模型和桿梁單元模型最大變形量分別為2.45 mm和1.56 mm。因此，該段導(dǎo)軌需要進(jìn)行相應(yīng)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)；或者調(diào)整燃?xì)廨啓C(jī)的吊裝軌跡及牽引角，通過優(yōu)化軌跡來減少吊裝過程中導(dǎo)軌系統(tǒng)的受力。

圖7 桿梁單元模型計算結(jié)果

圖8 實(shí)體單元模型計算結(jié)果

綜上所述，桿梁單元模型和實(shí)體單元模型的計算結(jié)果表明：燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)軌系統(tǒng)的強(qiáng)度均小于材料的許用應(yīng)力［δ］滿足強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

以某船為研究背景，開展了燃?xì)廨啓C(jī)吊裝軌道的強(qiáng)度分析和優(yōu)化設(shè)計研究。

通過ANSYS有限元軟件，采用以桿梁單元為主要計算模型、實(shí)體單元為校核計算模型的研究思路完成了導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計算。雖然本研究在建模時、邊界條件和載荷加載過程中均進(jìn)行了一定的簡化和假設(shè)，計算結(jié)果需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步的驗(yàn)證，但至少通過本文的有限元應(yīng)力分析可以得到如下結(jié)論：

1）導(dǎo)軌系統(tǒng)強(qiáng)度滿足要求；

2）過渡段導(dǎo)軌應(yīng)力最大，是整個導(dǎo)軌系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)；

3）過渡段導(dǎo)軌需要進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)；或優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)的吊裝軌跡進(jìn)而降低該處的應(yīng)力載荷。

［1］金濤，羅斌，陳曉洪.艦艇設(shè)計中的生命力要求［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報，2006，18（2）：37－41，68.

［2］王建勛，丁勇毅.32000 DWT散貨船貨艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析［J］.江蘇船舶，2009，26（2）：8－9，22.

［3］郜永杰，翟婉明.軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2004，4（2）：36－39.

［4］雷曉燕.軌道力學(xué)與工程新方法［M］.北京：中國鐵道出版社，2002.

［5］李樂，陳吉光.TLJ400連續(xù)擠壓機(jī)機(jī)架的強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)［J］.機(jī)械，2009，36（5）：13－15.

［6］曾攀.有限元應(yīng)力分析及應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［7］張朝暉，王富恥，王魯，等.ANSYS工程應(yīng)用范例入門與提高［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

Structure Strength Analysis of Hoisting and Installation Track System for Gas Turbine

Chen Wen-zhan1Qi Xing-ming2Hua Zhi-gang2
1 Military Representative Office of Jiangnan Shipyard（Group）Co.，Ltd，Shanghai 201913，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Strength analysis was performed on the hoisting and installation track system for the gas turbine of a ship.First，after analyzing the track system under different loading conditions computing results were provided.Then the system was further studied by FEM software package and the system was modeled by using two different element types：beam elements and 3D solid elements.The loads were computed under 10 typical steps.The computation shows that the beam element model has the advantages of less computing time and higher computing efficiency over the solid element model.Therefore，the beam element model was selected for computing while the solid element model was used for checking.The computing results show that the present hoisting and installation track system meets the strength requirement.However，the transition region is weak and needs to be improved by optimizing the installation trajectory or local strengthening.

marine gas turbine；hoisting and installation track system；strength analysis；Finite Element Method

U673.32

A

1673－3185（2009）06－26－04

2009-07-27

海裝“十一五”預(yù)研項(xiàng)目：艦用燃?xì)廨啓C(jī)新技術(shù)研究（401010201）

陳文戰(zhàn)（1969－），男，工程師。研究方向：船舶工程。

豈興明（1978－），男，工程師，博士。研究方向：流體計算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化。E鄄mail：qixm04＠m(xù)ails.tisnghua.edu.cn