氣墊船墊升風機下蝸殼結構優(yōu)化設計方法

趙麗剛，鮑文倩，丁仕風，周 利，周亞軍，于 昊

(1.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；2.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212003；3.中國船級社上海規(guī)范研究所，上海 200135；4.中國船舶集團有限公司，北京 100097)

0 引言

氣墊船作為一種特種高性能船舶，安全性要求高、振動問題復雜[1-2]。下蝸殼結構是連接墊升風機和氣墊船的關鍵部件，承擔載荷傳遞與振動傳遞作用[3]。開展下蝸殼結構的優(yōu)化設計，對于提高氣墊船的安全性、降低振動水平具有重要的工程實際意義。

我國對于氣墊船的研究起步于20世紀90年代，其中對振動及結構響應問題的研究尤為關注[4-6]，所采取的研究方法為模型試驗和數(shù)值分析（FEM）。陳德娟等[7]針對某氣墊船推進軸系開展了振動模態(tài)、縱振振幅、振動應力研究，并與試驗結果進行了對比；劉宏亮等[8]采用褶積積分法求解了有阻尼受周期激勵作用的振動響應，并與數(shù)值模擬結果進行了比較分析。

下蝸殼結構是影響氣墊船振動和安全的關鍵，本文通過通過分析氣墊船和墊升風機的工作狀態(tài)，研究影響墊升風機設計的主要因素，提出結構優(yōu)化設計方案，并從振動、強度、剛度、疲勞等方面評估下蝸殼結構的優(yōu)化效果，可作為氣墊船墊升風機下蝸殼結構設計的技術參考。

1 下蝸殼結構狀態(tài)分析

1.1 結構特點及工作狀態(tài)分析

氣墊船下蝸殼結構為鋁合金焊接結構，兼作墊升軸系軸承座的基座和風機下蝸殼功能。下蝸殼結構的下部與氣墊船主甲板焊接，上部通過法蘭邊螺栓與風機上蝸殼法蘭邊連接，實現(xiàn)墊升風機與氣墊船之間的載荷傳遞和振動傳遞。

下蝸殼的主體設置有2道環(huán)形框架結構——底部平臺和上部水平桁，框在蝸殼端面和側面形成有效的剛性連接。風機軸承位置的橫梁采用封閉剖面的水平桁，垂直支撐的豎桁采用T型組合材。下蝸殼進風區(qū)域的支撐豎桁設置導流型線，以改善進氣流場。

由下蝸殼的結構特點和工作狀態(tài)可見，墊升風機的慣性載荷、重力載荷、風機運轉載荷通過下蝸殼結構傳遞到船體上，產(chǎn)生應力和變形響應；墊升風機的高速轉動將產(chǎn)生振動，并通過下蝸殼結構船體到船體結構上，引起船體結構的振動。

墊升風機的結構設計需要充分考慮到上述結構風險：1）需嚴格控制結構變形以穩(wěn)定支撐墊升風機的正常工作，防止出現(xiàn)變形過大打壞風葉的情況；2）需確保下蝸殼結構的應力水平在安全衡準范圍內；3）下蝸殼承受高頻交變載荷作用，其關鍵構件的疲勞強度需要滿足疲勞強度衡準要求；4）避開共振、降低振動是下蝸殼結構設計的關鍵所在，是下蝸殼結構設計的重中之重。

1.2 下蝸殼結構設計方法

為滿足氣墊船和墊升風機的設計技術指標，應分別從結構剛度、應力、疲勞和振動模態(tài)4個方面，綜合評估并提出下蝸殼結構的優(yōu)化設計方案，具體實施流程見圖1。

由圖1可知，氣墊船墊升風機的下蝸殼結構設計主要考慮“載荷傳遞”和“振動傳遞”，涉及變形、應力、疲勞和振動四方面因素。下蝸殼的設計方案需實現(xiàn)結構承載性能與減振性能的協(xié)調統(tǒng)一，存在較大的結構優(yōu)化設計空間。

2 下蝸殼結構振動測試與優(yōu)化

2.1 下蝸殼設計方案的振動測試評估

某氣墊船墊升風機的下蝸殼，前期設計方案在滿足剛度和強度條件的前提下，出現(xiàn)了振動超標的現(xiàn)象。為此，針對下蝸殼周圍結構，設計如圖2所示的振動測試方案：測點1位于風機前軸承的振動傳感器安裝肘板的背面；測點2位于測點1附近，且更靠近軸承支架的橫梁；測點3位于風機前軸承的輸入端。

圖1 氣墊船下蝸殼結構設計流程圖Fig.1 Flow chart of structural design for the volute structure of lift fans

圖2 振動監(jiān)測點設計Fig.2 Monitoring points of vibration test

監(jiān)測各測點的水平橫向振動，監(jiān)測結果見圖3。

圖3 振動響應烈度Fig.3 Vibration intensity

測點1～測點3在動力渦輪轉速在7 400 r/min之前隨著渦輪轉速升高振動烈度逐步緩慢增大；當動力渦輪轉速超過7 400 r/min時，測點1至測點3振動烈度急劇增大超過振動報警值25 mm/s。可見現(xiàn)有下蝸殼結構的固有頻率與墊升風機及其軸系的固有頻率在高轉速時發(fā)生重疊，引起結構共振，需優(yōu)化原結構設計方案以避免共振。

2.2 下蝸殼優(yōu)化設計方案研究

根據(jù)圖1所示的結構設計方法，針對目標船的下蝸殼結構振動超標的問題，從改變下蝸殼結構的振動模態(tài)著手，對原結構進行設計優(yōu)化，如圖4所示。

圖4 下蝸殼結構設計優(yōu)化Fig.4 Optimal design of volute structure

對比原結構與本優(yōu)化方案可見，主要的優(yōu)化技術措施包括：

1）將下蝸殼底部結構與船體的連接形式改為焊接，增加部分壁板板厚，設置必要的削斜加強筋，達到提高下蝸殼結構與船體結構的連接剛度；

2）取消原下蝸殼結構中的大撐桿構件，采用平面桁架結構支撐以提高振動和載荷傳遞的連續(xù)性；

3）增設壁板加強筋，提高平面板架結構的承載能力；

4）增設進風筒鋁合金材料連接環(huán)，提高墊升風機定位調整能力。

經(jīng)過初步重量評估，單個下蝸殼結構的優(yōu)化方案約增重48 kg，且處于氣墊船中間位置，對整船重量和中心影響較小，不會影響氣墊船的性能技術指標。

3 下蝸殼結構優(yōu)化方案評估

3.1 振動評估分析

1）下蝸殼結構模型化

開展下蝸殼結構振動分析，需要充分考慮墊升風機、船體結構的影響，因此確定合理的模型范圍非常重要，為此，本研究考慮4種有限元模型范圍：1）下蝸殼結構及單臺墊升風機；2）下蝸殼結構、單臺墊升風機及其所在區(qū)域的部分船體結構；3）單舷兩臺墊升風機、下蝸殼結構、及其所在區(qū)域的部分主船體結構；4）單舷兩個下蝸殼結構、及其所在區(qū)域的部分主船體結構，墊升風機用質量單元模擬。

模型的邊界約束條件設定為簡支約束，4個有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元結構模型Fig.5 The finite element models

分別計算4個模型的振動固有頻率，包括縱向頻率和橫向頻率，計算結果如圖6所示。

圖6 不同計算模型的固有頻率對比Fig.6 The comparison of natural frequency among differents FE models

由圖6可知，模型1未考慮船體結構對整體模型振動特征的影響，其縱向固有頻率預報結果存在失真；模型4未考慮墊升風機結構的剛度，其橫向固有頻率無法模擬實際的振動狀態(tài)。模型2和模型3的振動預報結果較為接近，但模型2僅考慮一個墊升風機的情況，與實際氣墊船稍有差別。因此，本文建議采用“單舷2臺墊升風機、下蝸殼結構、及其所在區(qū)域的部分主船體結構”作為振動分析的結構模型化范圍。

2）結構優(yōu)化方案振動評估對比

根據(jù)不同模型范圍的振動評估對比，選擇圖5中的模型3作為研究對象，分別開展下蝸殼結構的橫向和縱向固有頻率計算，并與原下蝸殼結構的實測結果進行比較，包括縱向固有頻率和橫向固有頻率，如圖7所示。

由圖7可知，本文所采用的數(shù)值分析方法具有較好的計算精度，與實測結構相比，固有頻率和縱向固有頻率的誤差分別為1.40%和1.29%，計算結果可信。通過對下蝸殼結構的優(yōu)化，橫向固有頻率為37.94 Hz，避開風機的最高工作軸頻（25.5 Hz）達48%，垂向固有頻率在400 Hz內無振形，可滿足振動儲備衡準要求；縱向固有頻率較原結構降低約4.26%，基本相當。

圖7 優(yōu)化結構的振動頻率對比Fig.7 The comprision of natural frequency between the origin structure and the optimized structure

對比原結構設計方案，經(jīng)優(yōu)化后的下蝸殼結構的橫向固有頻率提高30%以上，合理地避開了墊升風機的工作軸頻，有效了避免了共振現(xiàn)象，實現(xiàn)了減振的目的，有助于提高墊升風機以及相連傳動機構的可靠性。

3.2 強度評估對比

考慮墊升風機的作業(yè)工況和極限工況，進一步對優(yōu)化后的下蝸殼結構開展強度、剛度、疲勞分析，主要載荷成分包括橫向載荷、軸向載荷和垂向載荷。

在多種載荷聯(lián)合作用條件下，下蝸殼結構的最大應力出現(xiàn)在極限工況下：前后端壁的最大應力為42.9 MPa，蝸殼圈板為60.0 MPa，舷側支撐壁板為26.7 MPa，均滿足CCS《海上高速船入級與建造規(guī)范》中的強度衡準要求。

經(jīng)優(yōu)化的下蝸殼結構的變形情況也有所改善，在極限工況下前后端壁軸承基座橫梁的軸向相對最大位移由原結構的2.76 mm降低到0.948 mm，橫向相對最大位移為0.13 mm，垂向相對最大位移0.54 mm，滿足變形衡準2 mm的要求；壁板由原結構的7.07 mm降低到最大變形為2.18 mm，滿足變形衡準6 mm的要求。可見，結構優(yōu)化措施使得下蝸殼的剛度得到明顯加強。

參考《航空結構連接件疲勞分析手冊》對下蝸殼結構主要連接件開展結構疲勞強度分析，經(jīng)計算，連接構件的最小疲勞裕度FM為1.45，滿足大于零的疲勞衡準要求，有相當大的疲勞儲備。

經(jīng)結構優(yōu)化，墊升風機下蝸殼結構的橫向固有頻率儲備、強度與剛度儲備均滿足設計衡準，且結構最大應力與變形均可下降一半以上，實現(xiàn)了較好的結構優(yōu)化效果。

4 結 語

下蝸殼結構是氣墊船與墊升風機之間的關鍵連接部件，其設計方案的優(yōu)劣影響船舶的振動、強度、剛度、疲勞等多個方面。本文以某氣墊船墊升風機下蝸殼結構為對象，分析下蝸殼結構特點和工作狀態(tài)，研究提出其結構優(yōu)化設計方法，主要結論如下：

1）為準確模擬“船體-墊升風機-下蝸殼”三者之間的振動傳遞規(guī)律，通過對比4種不同的有限元模型，提出下蝸殼結構振動分析的建模方法，其計算結果與實測值吻合度高；

2）以某氣墊船的下蝸殼設計為例，針對振動超標的問題，研究提出優(yōu)化下蝸殼結構設計的技術解決措施，并從振動、強度、剛度、疲勞方面對比評估了優(yōu)化效果，驗證了本文所提下蝸殼結構優(yōu)化設計方法的可行性。