柴油機耐壓排氣管段材料優選及結構優化設計分析

,四娣

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

在以往的潛艇柴油機排氣系統設計中，主要以加大耐壓部件的厚度來保證承壓能力，隨著承壓要求的提高，若不進行材料優選和結構優化設計而片面地加大耐壓部件的厚度，以承受舷外海水的壓力，勢必使排氣系統的重量大大增加。由于柴油機排氣系統的重量重心較高，對總體性能特別是穩性將造成不利的影響。為避免這一現象的出現，應對排氣耐壓管段進行材料優選及結構優化設計分析。

1 耐壓直管

柴油機排氣系統耐壓管段主要可分為：①耐壓直管;②耐壓彎管;③帶水套的球形三通管;④耐壓三通管。

耐壓直管由薄壁圓柱體管段與法蘭焊接而成。以一段通徑為DN400、長度為1.8 m的管段為對象進行分析計算。計算方案選取921A鋼(GJB1663A—2005)和鈦合金材料Ti80(Q/725—1173—2001)兩種材料，制定3種結構方案：未采取加強措施的光管結構；設置了兩道“T”形加強筋，加強筋間距離為600 mm(見圖1a))；設置了3道“T”形加強筋，加強筋間距離為450 mm(見圖1b))，共設計6個方案，對各方案進行強度及穩定性有限元分析，各個方案的主要計算結果及特點見表1。

圖1 帶加強筋的耐壓直管

方案材料壁厚/mm結構特征重量/kg說明一921A14.5 未采取加強措施的光管結構277含腐蝕余量二Ti8012.0 未采取加強措施的光管結構131三921A12.0 設置了2道加強筋(見圖1a))252含腐蝕余量四Ti808.0 設置了2道加強筋100五921A11.5 設置了3道加強筋(見圖1b))254含腐蝕余量六Ti807.5 設置了3道加強筋102

計算表明，耐壓直管結構穩定性較差，但其強度較好，當受到的海水外壓增大時，這一矛盾更加突出。在設計中應對管段進行加強結構設計，以提高其穩定性，使強度與穩定性的結構參數相匹配。在管段外壁焊接“T”形加強筋以達到提高穩定性的作用。計算結果表明，以600 mm的距離設置“T”形加強筋，可以在控制重量的前提下，最有效地提高管段的穩定性。方案四在保證使用要求的前提下，重量最輕，為優選方案。

通過分析計算，可以得出耐壓直管的材料優選和結構優化設計準則如下。

1)921A鋼與鈦合金鋼均可滿足設計要求，采用鈦合金材料的重量明顯輕于采用921鋼板的重量，并且鈦合金材料具有較好的防腐蝕性能，可達到與艇同壽命，對于腐蝕現象嚴重的排氣管路應盡量采用該種材料；在總體性能允許的前提下，對于腐蝕現象較輕的進氣管段可選用921A鋼。

2)以薄壁圓柱體管段為主體結構的耐壓直管，其結構穩定性較差，但強度較好，當受到的海水外壓增大時，這一矛盾將會更加突出，因此在安裝空間允許的前提下，在設計中應對管段進行加強結構設計，以提高其穩定性，使強度與穩定性的結構參數相匹配，避免一味地增加管段壁厚來滿足穩定性要求，并在控制重量的前提下選取最佳加強方案。

3)多方案的分析計算表明，耐壓直管進行加強穩定性結構設計具有如下特征：在管段的外壁焊接“T”形加強筋結構對提高其穩定性效果較優，“T”形加強筋結構的設置以距離控制在600 mm為佳，加強筋與法蘭間的距離也應控制在600 mm左右。

2 耐壓彎管

耐壓彎管由兩根呈一定角度的薄壁圓柱體管段焊接而成，兩端與法蘭焊接，選取一段通徑為DN400的管段進行分析計算。采用921A鋼及鈦合金板材Ti80各設計了一個不采取加強措施，僅以增加壁厚來達到承受海水外壓要求的進行強度及穩定性有限元分析，根據計算結果得出與耐壓直管相同的結論：耐壓彎管結構穩定性較差，但其強度較好，當受到的海水外壓增大時，這一矛盾更加突出。在設計中應對管段進行加強結構設計，以提高其穩定性，使強度與穩定性的結構參數相匹配。

針對這一計算結果，設計2種以提高管段穩定性為目的的加強措施，進行結構優化設計，與所選定的921A鋼和鈦合金材料進行組合，得到4個方案(見表2)。對這4個方案進行強度及穩定性有限元分析，各方案的主要計算結果及特點見表2。其中方案二在保證使用要求的前提下，重量最輕，為優選方案。

表2 耐壓彎管結構優化方案對比

在研究過程中，對部分尺寸如加強筋與管段連接處的距離進行多次調整，分析計算結果表明：加強筋間距的選取對加強效果的好壞起到較大的作用，當加強筋與管段連接處的距離、加強筋與法蘭之間的距離在600 mm左右時，加強效果最佳。正確選取加強筋間的距離是達到最佳結構優化設計的關鍵。

圖2 帶加強筋的耐壓彎管

分析計算得出耐壓彎管的材料優選和結構優化設計準則如下。

1)921A鋼與鈦合金鋼均可滿足設計要求，采用鈦合金材料的重量明顯輕于采用921鋼板的重量，并且鈦合金材料具有較好的防腐蝕性能，可達到與艇同壽命，對于腐蝕現象嚴重的排氣管路應盡量采用該種材料；在總體性能允許的前提下，對于腐蝕現象較輕的進氣管段可選用921A鋼。

2)以薄壁圓柱體管段為主體結構的耐壓彎管，其結構穩定性較差，但其強度較好，當受到的海水外壓增大時，這一矛盾將會更加突出。因此在安裝空間允許的前提下，在設計中應對管段進行加強結構設計，以提高其穩定性，使強度與穩定性的結構參數相匹配，避免一味地增加管段壁厚來滿足穩定性要求，并在控制重量的前提下選取最佳加強方案。

3)通過多方案的分析計算表明，耐壓彎管進行加強穩定性結構設計具有如下特征：在兩管段的連接部位兩邊各設置一道“T”形加強筋，并用肋板連接。加強筋與管子連接處的距離、加強筋與法蘭之間的距離應控制在600 mm左右。若管段長度較長，無法保證這兩個距離均為600 mm時，可再設置一道加強筋。在保證加強筋與法蘭的距離為600 mm的前提下，可將加強筋盡量靠近管段連接部位。

3 帶水套的球形排氣三通管

為保證排氣系統的安全使用，避免灼熱的排氣管段對使用者造成傷害，部分排氣管段帶有水套，選取結構較為復雜的帶水套的球形排氣三通管為例,對該類管段進行研究設計，得到帶水套的耐壓排氣管段的材料優選和結構優化設計準則，提出材料優選方案和結構優化設計方案。

根據目前的使用情況，帶水套的球形排氣三通管腐蝕現象嚴重，并且由于其管段外部焊有水套，結構較為復雜，用一般的防腐措施難以達到較理想的防腐效果，因此管段的材料應選用具有良好防腐蝕性能的鈦合金制造。

球形排氣三通管其主體為一薄壁圓球，在其表面開有3個圓孔，焊接通向各個方向的管段。目的是為滿足排氣系統設計中需將多個不在同一平面上的管路連接在一起，達到互相貫通的要求，見圖3。對球形排氣三通管進行強度及穩定性有限元分析計算。計算結果見表3。

圖3 帶水套的球形排氣三通管

計算項壁厚/mm材料計算結果重量/kg強度8ZTi60 最大應力為287 MPa,安全系數為2.05287穩定性7ZTi60 非線性臨界載荷約為10.5 MPa210

分析計算結果表明，球形排氣三通管，其主要問題為強度問題，當其強度滿足要求時，就可滿足使用要求。最大應力部位主要集中在球形頭與排氣管段的連接部位，將球形排氣三通管的結構由分段焊接改為整體鑄造，球頭與管段的連接部位采用圓弧過渡，就可以有效降低管段的最大應力，達到結構優化的目的。鈦合金配套鑄造材料ZTi60具有較好的流動性，鑄造性能較好，可以滿足整體鑄造件的要求。

通過分析計算可以得出帶水套的球形耐壓排氣三通管的材料優選和結構優化設計準則如下。

1)為提高防腐蝕性能，借鑒目前現有的使用經驗，采用鈦合金材料設計制造。

2)耐壓球形三通管在結構設計中主要需解決的問題是保證管段的強度要求，當強度滿足要求時，穩定性也滿足使用要求。

3)耐壓球形三通管的應力集中部位主要在球形頭與排氣管段的連接處。為有效降低該部位的應力集中現象，使管段的最大應力減小，達到結構優化的目的，將耐壓球體與排氣管段由分段焊接改為整體鑄造成型，球頭與排氣管連接部位采用圓弧過渡。

4 耐壓三通管

耐壓三通管由兩根直徑為400、450 mm的圓椎管和一根直徑為450 mm圓柱管焊接而成，各端與法蘭焊接，耐壓三通管的結構復雜，僅憑管段本身的結構滿足使用要求將會使管段重量過大，應在耐壓三通管外部設置加強筋結構。見圖4。

圖4 耐壓三通管

采取這種加強結構后的耐壓三通管其穩定性得到了較好的改善。按圖4的結構，采用921A鋼及鈦合金板材Ti80各設計了一個耐壓三道管，進行強度及穩定性有限元分析。

分析計算結果表明，采用圖4加強結構的耐壓三通管，其主要問題為強度問題，當其強度滿足要求時，穩定性也可滿足使用要求。耐壓三通管的應力主要集中在管段的分叉部位。針對這一現象，設計了多種結構優化方案，通過計算比較，在管段的分叉部位加3個襯板(局部模型見圖5)，可以有效地減小該處的應力，達到結構優化的目的，并且結構簡單、工藝可行。

圖5 優化后的三通管局部模型

綜上所述，耐壓三通管的材料優選和結構優化設計準則如下。

1)921A鋼與鈦合金鋼均可滿足設計要求，采用鈦合金材料的重量明顯輕于采用921A鋼板的重量，并且鈦合金材料具有較好的防腐蝕性能，可達到與艇同壽命，對于腐蝕現象嚴重的排氣管路應盡量采用該種材料；在總體性能允許的前提下，對于腐蝕現象較輕的進氣管段可選用921A鋼。

2)借鑒現有的設計經驗，對耐壓三通管采取如圖4的結構設計，以提高其穩定性，并對其應力集中部位進行結構優化設計，見圖5。

5 結論

1)以薄壁圓柱體管段為主體結構的耐壓排氣直管、彎管、三通管，均承受外壓，結構穩定性較差，但其強度較好，當受到的海水外壓增大時，這一矛盾將會更加突出。在設計中應對管段進行加強結構設計，以提高其穩定性，使強度與穩定性的結構參數相匹配，在控制重量的前提下選取最佳加強方案。耐壓直管可在外壁焊接“T”形加強筋結構，耐壓彎管在兩管段的連接部位兩邊各設置一道“T”形加強筋，耐壓三通管目前現有的結構設計已較好地解決了強度與穩定性設計之間的矛盾，隨著承壓要求的增加，須對應力集中部位進行結構優化設計，降低應力集中現象。

2)球形耐壓結構(如球形排氣三通管)結構設計中應須解決的是球頭與管段連接部位應力集中而造成的強度問題，在設計中采用整體鑄造成型，球頭與排氣管連接部位采用圓弧過渡的結構優化措施，減小應力集中現象。

3)921A鋼與鈦合金鋼均可滿足設計要求，采用鈦合金材料的重量明顯輕于采用921A鋼板的重量，并且鈦合金材料具有較好的防腐蝕性能，可達到與艇同壽命，但經濟性較差。對于腐蝕現象嚴重的帶水套的排氣管路應采用鈦合金鋼制造；在總體性能允許的前提下，對于腐蝕現象較輕的管段可選用921A鋼設計。