基于DDAM方法的船舶柴油機排氣消聲器抗沖擊優化研究

曹貽鵬，費景州，閆力奇，張潤澤

(1.哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國航發沈陽發動機研究所，遼寧 沈陽 110000)

0 引 言

消聲器是船舶柴油機排氣噪聲控制的主要手段，具有結構緊湊、質量輕等特點。通常情況下，為了最大限度的降低柴油機排氣噪聲，消聲器通常均采用阻抗復合式、帶有內插管的結構，這種結構確實得到了較好的噪聲抑制效果，但同時消聲器的殼體厚度較小、插管及其連接結構復雜，對結構的抗沖擊性能帶來了一定影響。

較多學者已針對船用設備的沖擊問題從沖擊響應分析方法與設備抗沖擊設計兩方面開展了研究工作。目前，沖擊評估常用的方法包括模態疊加法、沖擊因子法、多體動力學方法、瞬態有限元、沖擊響應譜[1–2]和動態設計分析方法（DDAM）[3–5]等，其中，DDAM具有計算速度快、資源要求低等優點，被廣泛用于船舶設備的抗沖擊評估。

船舶動力系統是船舶的重要組成部分，其抗沖擊性能預測與優化設計是船舶領域的重點。Yong S.Shin[6]利用顯式動力學方法對結構和流體耦合建模并進行三維船舶沖擊仿真預測，與船舶沖擊實驗數據進行比較驗證了方法的正確性。Cho-Chung Liang[7]采用響應譜分析方法，結合美國海軍采用的沖擊譜計算了桅桿的沖擊響應，為桅桿設計提供了參考。姚熊亮等[8]采用DDAM對某艦用增壓鍋爐進行抗沖擊分析，得到了增壓鍋爐抗沖擊特性。計晨[9]以柴油機模型為對象，基于DDAM方法確定了計算模型的沖擊輸入，給出了柴油機的沖擊響應特性。陳海龍等[10]采用DDAM方法對艦船動力機組各組成設備進行抗沖擊計算分析，得到沖擊載荷響應受設備本身的結構特點及沖擊加載方向的影響。

船舶動力設備抗沖擊設計通常在預測分析之后，以預測結果為參考，結合結構的特點與最大應力產生部位進行結構的優化，使結構應力滿足要求或使結構應力梯度得到緩解。王強[11]以推進電機端蓋為研究對象，給出了優化設計流程，進行了優化設計分析。耿超[12]通過改變浮筏隔振系統中可控阻尼器的阻尼狀態，優化了艦艇內部設備的抗沖擊特性。張相聞[13]采用新型負泊松比效應蜂窩腹板結構，利用減振及抗沖擊雙指標約束下的動力學設計模型，給出了具有減振與抗沖擊能力的復合基座。

船舶柴油機排氣消聲器是船舶航行中必要的設備，沖擊引起的結構破壞將導致航行舒適性與隱蔽性等問題，目前，圍繞排氣消聲器的抗沖擊設計研究較少。本文選取典型的帶有插管的排氣消聲器作為分析對象，選用動態設計分析法（DDAM）對其進行抗沖擊分析，研究消聲器的結構形式、剛度與質量分布等因素對其抗沖擊特性的影響規律，給出有效的消聲器結構抗沖擊設計方法。

1 分析模型及沖擊輸入邊界描述

1.1 分析模型描述

本文選取帶有插管的阻抗復合式排氣消聲器為研究對象，主體為雙層結構，外筒體是主要支撐結構，內筒體為穿孔板，內外筒體之間充滿吸聲棉。插管也為雙層殼體包棉結構，通過隔板與 2 個輔助隔板與內、外筒體相連，隔板與筒體夾角度5°。消聲器外筒體有 2 個180°布置的支座，通過隔振器與基礎相連。其中：外筒體長度L1，內部插管長度L2，支座肋板長度L3；外筒體直徑D1，內筒體直徑D2，進排氣管內徑D3，插管外徑D4，L2/L1=0.45，L3/L1=0.14，D1/L1=0.0.44，D2/L1=0.36，D3/L1=0.15，D4/L1=0.24。聲速340 m/s條件下，消聲器截止頻率為585.76 Hz，結構的材料為314L。

消聲器的殼體結構主要采用四節點殼單元模擬，吸聲棉采用八節點實體單元模型，消聲器模型共劃分單元8 736個，節點8 253個。

1.2 沖擊輸入方法

DDAM是基于模態迭加法的結構振動設計分析方法，該方法首先對系統動力學模型進行模態分析，得到系統模態振型和模態質量后，根據設計沖擊譜得出各階模態的模態位移和應力，以此為輸入計算結構的位移和應力。

通常，消聲器的安裝位置為甲板部位，屬于乙類設備，其設計沖擊輸入如表1所示。

表1 設計沖擊輸入Tab.1 The designing input spectra

對于甲板安裝部位，有A0、V0的表達式為：

式中ma為結構的振動模態質量。

2 結構沖擊動力學分析

基于表1所示沖擊環境，編制加載程序，基于有限元方法進行了消聲器結構的沖擊動力學響應分析，如圖3所示。

從圖3可看出，縱向沖擊情況下，結構最大應力位置在支座底板與隔振器連接處，位移最大點產生于排氣端，支座與外筒體的連接位置的位移梯度較大。橫向沖擊下，結構最大應力產生于支座底板與外筒體的連接位置的邊緣處。垂向沖擊下的結構應力最大，達到235 MPa，材料的屈服應力為250 Mpa，此時，插管垂向相對位移較大，產生的力主要由連接內外筒體的隔板與連接內筒體的輔助隔板承受，因此隔板與內外筒體連接處產生了較大的應力，同時，支座與外筒體的連接位置的應力也較大，達到150 MPa，均需在設計中采取控制措施。

3 消聲器結構抗沖擊設計研究

插管消聲器的沖擊動力學響應結果表明，沖擊方向與插管消聲器的結構特點對其應力分布影響較大，可以通過結構的優化，對消聲器的抗沖擊特性進行有針對性的控制。

3.1 基座墊板

由分析結果可知，對于橫向與縱向沖擊激勵，支座與外筒體相交的位置應力較大，這對消聲器結構的抗沖擊設計很不利。根據結構特點，本文在支座與外筒體之間布置與外筒體厚度相同的支座墊板，如圖4所示，它是一個中間開減重孔的圓環，相當于在支座位置進行加強，相同沖擊邊界條件下的計算結果如圖5所示。

圖5和表3的分析結果表明，增加支座墊板可以使最大應力值產生一定變化，橫向與縱向沖擊條件下的應力降低約20%，應力最大的位置不變。因此，在消聲器支座位置安裝支座墊板對橫向與縱向抗沖擊設計比較有效。

3.2 隔板剛度

隔板的主要作用是以外筒體為基礎支撐插管，它是插管消聲器最重要的受力結構之一。由圖5可見，垂向沖擊條件下，結構最大應力出現在隔板與內、外筒體連接位置，隔板彎曲剛度將對抗沖擊設計起到重要作用，因此，本節將隔板厚度增加20%，此時帶來的消聲器總質量增量小于5%。計算結果如圖6所示。

計算結果表明，增加隔板彎曲剛度對垂向沖擊下的結構應力可以起到控制作用，最大應力由235 Mpa降至190 Mpa，應力降低效果明顯，可以考慮適當增加隔板的彎曲剛度。此外，增加隔板剛度對結構橫向、縱向沖擊下的應力幾乎無影響。

表2 消聲器的沖擊應力結果Tab.2 The stress results of the silencer

表3 消聲器的最大應力變化情況Tab.3 The comparison of the maximum stress

3.3 隔板角度

在工程應用中，隔板及輔助隔板與內外筒體通常不是直角連接，而是呈一定的角度，且保持其方向與氣流方向一致，如圖1所示，這樣可以保證較好的力學效果，本節主要分析隔板角度對結構沖擊響應的影響趨勢。

鑒于原始模型中隔板及輔助隔板與內外筒體角度為5°，本例選用0°角和10°角分別進行分析。

如圖6和表4所示，隔板安裝角度對垂向沖擊條件下的結構應力分布、最大應力結果影響很大。增加角度后，插管結構的位移逐步與內筒體的位移相同，此時的應力由隔板與內外筒體連接處逐漸平穩過渡至外筒體、支座，應力最大值出現在支座底板，總體來看，整個消聲器結構的應力分布均勻，結構的整體應力情況較好。隔板安裝角度不能改善橫向、縱向沖擊環境下的結構應力。

表4 消聲器的最大應力變化情況Tab.4 The comparison of the maximum stress

3.4 支座布置位置

消聲器的主體結構形式與尺寸取決于安裝位置、消聲量等參數，在安裝位置沒有明確要求的情況下，為保證安裝平穩，通常會選取消聲器的結構質心作為支座的安裝平面，本節即改變支座布置位置，選取支座分別安裝在結構質心的上方、質心、質心的下方 3種情況，分析其變化對結構沖擊的影響規律。

表5 消聲器的最大應力變化情況Tab.5 The comparison of the maximum stress

結果表明，支座安裝位置對應力分布、最大應力值與產生位置有復雜的影響。支座安裝在質心平面后，消聲器對橫向沖擊、縱向沖擊的應力響應最小，此規律在縱向沖擊中尤為明顯；基座安裝位置變化對于垂向沖擊影響較大，總體來看，安裝在質心偏上方對降低消聲器的綜合沖擊應力最有效。

4 結 語

本文以帶有內插管的船舶柴油機排氣消聲器為研究對象，基于動態設計分析方法，對其進行抗沖擊的優化設計研究，分析了結構在三向沖擊設計值作用下的應力與位移情況，結合消聲器結構特點與應力分布規律，從局部剛度增強、結構形式優化等方面，提出了消聲器抗沖擊設計的規律，具體如下：

1）垂向沖擊環境下的結構應力最大，應力出現在插管與外筒體連接位置。

2）增加基座墊板可以較好的用于緩解縱向與橫向的沖擊應力，對設備的質量增量不大，也可以增強插管與外筒體連接位置的剛度，此方法可以在消聲器設計中優先采用。

3）對垂向沖擊下結構應力的優化設計方法，可考慮從隔板剛度和角度兩方面開展。適當增強插管與外筒體的隔板剛度可以有效地降低應力，此情況下結構的質量稍增加；隔板的角度對結構最大應力影響很大，可在保證結構靜載強度的前提下，適當增大隔板角度。

4）支座的位置對縱向與橫向沖擊下的結構響應影響明顯，結構的支座位置盡量圍繞質心位置布置，同時，從緩解垂向沖擊應力的角度，支座的位置可設在消聲器質心偏上的位置。

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