欧阳光耀 高洪滨 汪 玉 黄映云 邹开凤

1海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉430033

2海军装备研究院舰船所，北京100073

3海军航空工程学院 青岛分院，山东 青岛266041

舰用柴油机抗冲击评估研究概述

欧阳光耀1高洪滨1汪 玉2黄映云1邹开凤3

1海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉430033

2海军装备研究院舰船所，北京100073

3海军航空工程学院 青岛分院，山东 青岛266041

通过对舰用设备和舰用柴油机抗冲击评估研究现状的分析，结合柴油机的自身结构特点，提出了柴油机抗冲击评估研究的框架。分析了柴油机抗冲击评估的总体研究方法：多体动力学方法和有限元方法。提出了重要研究内容：柴油机冲击动力学的非线性问题、柴油机的冲击环境以及柴油机的冲击试验研究。指出了柴油机抗冲击评估需要注意的关键环节：动力传递组件、齿轮机构、轴承、凸轮机构、重要螺栓、间隙连接、管路等。

柴油机；抗冲击性；多体动力学；有限元

1 引言

柴油机是舰艇的动力之源，在舰船设备中占有重要地位，在冲击安全级别中属A级（最高级）设备。由水下爆炸等冲击载荷引起的柴油机结构破坏或功能丧失所造成的损失将相当大，可以导致全船动力丧失、人员伤害等，因而柴油机的冲击安全性是舰船生命力的重要因素。柴油机本身结构复杂，运动方式复杂，涉及水、油、气等多种工作介质，其许多部件在正常工况下就已承受较大的机械应力和热应力，而额外的、较强的冲击载荷很可能造成柴油机重要部件的破坏和失效。舰艇空间狭小，布置紧凑，给柴油机的维修带来诸多不便，因此许多故障难以当场排除。舰艇在海上执勤尤其是执行战斗任务时，对动力的要求非常高，柴油机一旦发生故障而短时间内不能排除，是相当危险的。因此，了解舰用柴油机的抗冲击能力，在此基础上改善柴油机的冲击环境，提高柴油机的抗冲击能力，是提高舰船生命力和战斗力的必然要求。

柴油机结构复杂，运动方式复杂，难以用理论分析的方法评估柴油机的抗冲击性能。我国舰用设备抗冲击研究起步晚，试验条件和经费有限，大部分设备未经冲击试验考核直接装舰，舰艇冲击安全性存在潜在的不安全因素。目前没有较好的试验方法来考核柴油机的抗冲击性能，因此，舰用柴油机的抗冲击能力不得而知，研究还处于起步阶段。

在舰用设备抗冲击研究方面，美国和西欧海军处于领先地位。美国坚持实船水下爆炸的方法考核其舰船及设备的抗冲击能力，浮动冲击平台、冲击试验机等设备也十分齐全，通过大量的冲击试验积累，全面了解舰用设备的冲击环境和抗冲击能力，并在试验基础上开展了理论研究，美军分析设备抗冲击能力的DDAM方法，就是在大量试验数据的基础上建立的一个成熟的方法。冲击试验的方法可以全面、真实地了解船用设备的抗冲击能力，为理论研究提供基础，但需要大量的经费和时间。通过冲击仿真建模预测冲击响应，结合部分的冲击试验进行校核，适当地开展实船水下爆炸试验，是以德国为代表的西欧海军普遍采用的方法。我国海军舰艇设备的抗冲击研究处于起步阶段，冲击试验设备有限，经费有限，不可能像美国那样开展大量的冲击试验，因此，学习西欧海军经验，利用仿真计算的方法开展舰用设备的抗冲击研究适合我国国情和军情［1－5］。

2 柴油机抗冲击评估研究的现状

针对柴油机本身抗冲击能力的研究，目前国内外的公开资料极少。海军标准规范研究所施建荣［6］对同步发电机组进行了抗冲击分析，根据装备破坏史料确认了同步发电机组的危险部位 （机组固定螺栓、滚轴轴承、换向器、转轴），采用截止频率方法建立了机组的动力学模型，分析了危险部位的抗冲击能力。江苏科技大学刘少俊等［7］采用有限元方法和多体动力学方法对12VPA6舰用柴油机的曲柄连杆结构进行了冲击响应分析，发现了结构的冲击薄弱环节，得到了冲击极限载荷。清华大学黄国强等［8］建立了舰用发电机组及其浮筏隔振系统的三维有限元模型，分析了在冲击条件下发电机定转子的响应，并与两步法（采用多刚体简化建模计算出发电机等效刚性块响应，作为界面输入分析发电机的定转子响应）进行了对比，发现两步法的分析结果通常小于整体建模方法的结果，常导致严重的欠估计。海军工程大学黄映云、陈志敏、王勇［9，10］在多体动力学软件中建立了某型柴油机发电机组的虚拟冲击平台，并利用有限元分析软件对柴油机机脚进行了柔性体建模，形成了发电机组的刚柔多体模型。对机组的虚拟平台按BV043／85标准的双重半正弦冲击激励进行了时域动态冲击，对机脚进行了抗冲击评估。利用非线性瞬态动力学分析软件及多体动力学软件分别对某型柴油机曲柄连杆机构进行冲击动力学分析，得到了曲轴和连杆的冲击极限载荷，比较了两种方法的优缺点。

上述文献的研究为柴油机的抗冲击评估提供了有益的参考，但是这些研究或者对柴油机进行了过于简化的建模，或者只分析了柴油机的部分零部件，难以反映柴油机整机的冲击能力，无法得到柴油机整机的冲击极限载荷。

结合现有研究文献资料、试验资料、国内外舰船设备抗冲击标准和柴油机的自身特点，我们认为，舰用柴油机抗冲击评估当前需要重点解决下列问题，如图1所示。

图1 柴油机抗冲击评估研究的框架图

3 总体研究的方法

1）多体动力学在柴油机抗冲击评估中的应用

多体动力学分析在航天、机器人、高速机构、汽车等领域得到了广泛应用，在分析复杂动力机械系统时体现出了强大的能力。多体系统动力学有许多商业软件支持，美国MSC公司的ADAMS和比利时LMS公司的DADS是其中的杰出代表，配合ANSYS和MSC.Nastran等通用有限元软件，可以进行复杂机械系统的各种动力学建模和分析，可以作为柴油机抗冲击研究的一个基本工具，尤其是柴油机运动机构的建模，单纯使用有限元方法存在较大困难，刚柔混合建模是一个较好方法［11，12］。

但是刚柔混合多体动力学模型对结构的简化在于定义一定数量的“刚体”，过多的定义刚体而忽略了这些零部件的弹性，会产生较大的误差；而定义了过多的柔体将使得模型过于复杂。此外，柔性多体系统中柔体的模态选取和模态综合、柔性体大范围空间运动时的动力刚化问题都是很有难度的课题。因此，运用多体动力学软件进行柴油机抗冲击评估时，需要深入研究建模方法和模型修正方法，减少误差。

2）有限元法在柴油机抗冲击评估中的应用

对于柴油机这样的复杂结构的动力学分析，没有有限元软件支持将很难进行，尤其是机体、气缸盖、活塞等结构复杂的关键零件的动力学分析。缸盖和活塞的详尽分析还应该考虑热应力。因此，正确地利用有限元软件，尤其是有限元软件与多体动力学软件的综合应用，是柴油机抗冲击评估的基本方法。

由于柴油机结构复杂，零部件多，零部件间的结合部种类多样，因此子结构分析是较好的方法。有限元软件的多级超单元分析为此提供了软件平台。子结构的合理划分和结合部的准确建模是要解决的关键问题。柴油机作为一种复杂的动力机械，其中包含大量的、不同类型的结合部。机械结构是由许多零部件按一定功能要求结合起来的整体，一般称零部件之间相互结合的部位为 “结合部”。机械结构的结合部有的是可动的，如导轨结合、齿轮啮合、轴和轴承结合等；有的是固定的，如螺纹结合、锥度配合、压配合、点焊接、铆接等；还有一些属半固定结合部，如摩擦离合器、间隙轮等。无论何种结合部，其结合均属于“柔性结合”。当结合部受到外加复杂动载荷作用时，结合部间会产生多自由度、有阻尼的微幅振动，使得结合部表现出既有弹性又有阻尼、既储存能量又消耗能量的“柔性结合”的本质和特性。接合部的这种特性将对机械结构整体的动态性能产生显著影响，表现为使机械结构的整体刚度降低、阻尼增加，从而导致结构固有频率降低，振动形态复杂化。在一些机械结构中，结合部的弹性和阻尼 （尤其是阻尼）比结构本身的弹性和阻尼还大。因此，研究机械结构整体的动力性能时，必须考虑结合部动力学特性的影响［13－16］。

3）柴油机中的冲击动力学非线性问题

间隙、油膜、螺栓连接等在冲击载荷下存在非线性特性，直接的刚性连接简化方法显然不准确，因此需要建立非线性模型或研究非线性问题的线性化方法。

4）柴油机冲击环境研究

以实船试验数据、柴油机的参数、安装方式和安装位置等参数为基础，通过试验数据分析或者理论分析，得到柴油机的冲击环境，用作柴油机的冲击输入，是柴油机抗冲击评估的重要基础。

5）柴油机的冲击试验研究

研究柴油机冲击试验的方法、柴油机冲击试验的数据处理方法和基于实际破坏形式的冲击破坏机理。柴油机冲击试验的实施要充分考虑各种因素，尤其是柴油机运转时受冲击涉及的设备、人员安全。柴油机运转时受冲击，响应信号是柴油机本身运转动力响应与冲击响应的综合，最好能分离不同响应，以利于细化分析。

4 需要细化研究的关键环节和难点

柴油机是一个复杂的运动结构，维持柴油机正常运转的必要条件很多，包含许多关键环节，任意一个环节发生破坏，都会造成严重后果。因此，不对这些具体环节进行研究，很难保证评估结果的可靠性。

1）动力传递组件的抗冲击分析

一般采用刚柔混合多体动力学方法。尤其是曲轴、连杆等运动件的抗冲击分析。将曲轴、连杆等柔化，柴油机的其它零部件定义为刚体，施加合理的约束和驱动，施加冲击载荷，就可以分析柴油机运转时曲轴、连杆等的冲击响应，结果是本身运转与冲击响应的综合结果。图2是利用三维实体建模软件、MSC.Patran、Msc.Nastran、MSC.ADAMS等软件建立柴油机刚柔混合多体动力学模型的示意图。

图2 刚柔混合多体动力学分析流程

2）齿轮传递机构的冲击动力学特性

由于齿面摩擦、齿面间隙及时变啮合刚度等因素的存在，导致齿轮传动系统成为一个复杂的强非线性动力学系统。在实验和使用过程中都发现，齿轮副在工作时会表现出典型的非线性特性，如次谐和超谐响应、极限环共存等，而且还可能出现拍击和锤击等现象，使噪声和动载增大。为了研制高精度、低噪声的齿轮传动，以及提高齿轮传动的性能，国内外许多学者在齿轮传动系统的非线性动力学方面做了许多工作［17－18］。有学者比较了静态及冲击两种载荷工况下齿轮结构的力学特性，发现冲击载荷的作用时间虽然短暂，但它的破坏性却是静止载荷的数倍，同时冲击载荷的影响范围比静态也有明显的扩大［19］，因此齿轮结构的抗冲击性能要充分重视。

3）滑动轴承抗冲击研究

柴油机的曲轴大部分采用滑动轴承支撑，滑动轴承的抗冲击研究主要着眼于冲击载荷对油膜建立的影响和油膜冲击刚度、阻尼系数的计算。滑动轴承的油膜建立需要必要的条件，关于油膜的动力学特性研究较多，有较多的研究成果可以参考，但受冲击载荷条件下的油膜特性研究较少，需要做进一步研究。轴承—转子系统动力学的研究十分活跃，理论和实验研究的结果证明，系统存在明显的非线性特征。柴油机的滑动轴承承受着复杂的载荷，而系统本身又存在高度非线性，使得滑动轴承的抗冲击研究难度极大［20－23］。

4）凸轮机构冲击动力学特性

柴油机配气机构是典型的凸轮机构。配气机构是发动机的重要组成部分，配气机构性能的好坏，直接影响到发动机的经济性和可靠性，并对发动机噪声与振动产生直接影响。配气机构的动力学研究主要有理论分析法和多体动力学仿真分析方法，后者目前应用较多［24－26］，主要研究柴油机运转时配气机构的动力学特性，对配气机构的抗冲击性能研究几乎为空白。

5）以螺栓为代表的关键紧固件和连接件的冲击动力学特性

在BV043／85标准中，专门对螺栓连接做了较详细的描述，因此螺栓等紧固件的冲击安全性需要引起我们的充分重视。在柴油机中存在许多螺栓连接结构，承受着沿螺栓轴向和径向的不同载荷，有些螺栓对柴油机的安全极其重要，需要仔细分析，如机脚螺栓、缸盖螺栓和连杆螺栓，是柴油机最为关键的连接件，它们一旦损坏可能造成严重的事故，连杆螺栓折断往往会造成机毁人亡的大事故。机脚螺栓连同机脚本身承受着柴油机的重量，柴油机的冲击载荷作用在机脚螺栓和机脚上，然后通过它们传递到机器其它部位，因此其载荷较大；缸盖螺栓、连杆螺栓本身安装时就已经承受了较大的预紧力，在工作时又承受着较大的交变载荷。因此对柴油机进行抗冲击评估时，这几处需要详细分析。螺栓连接部分对载荷的传递特性也是一个值得研究的课题。关于螺栓的静力学分析和动力学分析的研究成果较多，可以作为我们进行螺栓冲击动力学特性研究的参考［27－30］。

6）连接间隙的冲击动力学特性

间隙运动副中接触力的非光滑性及非线性特性将降低结构动力学性能。间隙连接处在冲击载荷作用时可能发生撞击，造成较大的二次冲击［31－34］。

7）大位移造成的破坏与二次冲击

管路及其连接处、支撑处的大位移造成损坏，大位移造成零部件间的撞击以及与其它机构的撞击造成二次冲击，需要引起充分重视。管路的连接方式与支撑方式对管路的抗冲击能力更为重要。实船试验表明：橡胶支撑、卡箍连接会因为不能承受过大的相对位移而破坏；一些结构间相对位置较近，由于大位移发生撞击，造成对机构的二次冲击，有时二次冲击的危害可能大于外来冲击。

在以上的几个研究方向中，在其它领域有许多值得借鉴的研究成果，但应用于柴油机的冲击评估时还需要深入细致的研究工作。上述方向有的还相互联系，由于涉及领域多，需要做大量的研究工作，相关研究人员要具有宽广的知识面。可以说，做好以上工作需要较大的工作量和较长的时间，但解决好以上问题不仅有助于柴油机抗冲击评估工作的全面提高，也可以有助于其它机械的抗冲击评估研究，因为其中的几个研究方向是许多机械设备的共性问题。

5 目前的主要研究工作

如上所述，较为准确地对柴油机进行冲击动力学评估，需要进行复杂、系统的工作，但以目前的经费、时间和人力的投入，很难按上述方法完整进行，只能由浅入深，逐步开展工作，不断加深对柴油机这种复杂动力设备的冲击动力学特点的认识，在分析与计算的实践中提高认识及分析水平。目前的已完成和正在进行的研究工作如下。

5.1 基于多体动力学和有限元方法的某型柴油机机脚抗冲击评估

在多体动力学软件MSC.ADAMS中施加复杂约束及边界条件，建立了柴油机发电机组的虚拟平台（图3）。利用有限元分析软件MSC.Nastran对机脚进行了柔性体建模，形成了发电机组的刚柔多体模型。对虚拟平台施加了双重半正弦冲击激励，对机脚进行了抗冲击评估，结果如图4所示。

图3 机组虚拟平台

图4 机脚应力云图

5.2 基于多体动力学和有限元方法的某型柴油机运动件抗冲击评估

建立了曲柄连杆机构的实体及有限元模型，利用非线性瞬态动力学分析软件MSC.Datran和多体动力学软件MSC.ADAMS及有限元分析软件MSC.Nastran，分别对曲柄连杆机构进行冲击动力学分析，结果如图5、图6所示。结果表明，连杆具有较高的安全储备系数，冲击对其影响不是很明显，能满足各项冲击标准的要求。曲轴的临界冲击载荷约为20倍的重力加速度，造成柴油机的抗冲击能力不足；刚柔混合动力学仿真，实现了多刚体动力学和有限元的耦合分析，能够快速地获得多个部件在任意工况、任意时刻的应力情况。而全有限元的动网格模型，能比较准确地模拟曲柄连杆机构实际工作中存在的大量非线性因素，节点之间力的传递比较准确，精度高，但计算时间长。图3为建立的柴油机刚柔混合模型，图4、图6为部分零件的分析结果——应力云图。

5.3 正在进行的工作

1）基于多体动力学软件和有限元软件的柴油机整机抗冲击评估

对多个柴油机重要零部件进行柔性化处理，运用仿真以及对比的方法得出柴油机的各个薄弱部位，并进行精确计算；上升到整体的动态性能，特别是要注重连接件的动态分析。

图5 连杆应力云图

图6 曲轴应力云图

2）柴油机螺纹连接结构的冲击动力学特性研究

研究螺纹连接结构对冲击信号的传递特性，以及机脚螺栓、缸盖螺栓等关键螺栓本身的抗冲击能力，考虑接合面的非线性特性，考虑螺栓预紧力的影响，建立较为准确的螺纹连接结构的冲击动力学模型，用于柴油机的整机建模和关键螺栓的抗冲击评估。

3）滑动轴承的冲击动力学特性研究

研究冲击载荷对滑动轴承油膜建立的影响，研究滑动轴承的冲击安全性。由于在柴油机上测量轴承的运转参数难以进行，建立了滑动轴承冲击试验台架，如图7所示。由电机驱动，曲轴接弹簧施加载荷，通过2个KD9002型电涡流位移传感器（扬州科动电子技术研究所生产）测量曲轴的轴心轨迹，通过KD2005型石英压力传感器测量油膜压力。

图7 滑动轴承冲击试验台架

6 结束语

柴油机结构复杂，运动方式复杂，因此，柴油机抗冲击评估是一个复杂的系统工程，既要有总体方法的研究，又要有关键环节的细化研究。目前的研究一般是做了充分的简化，利用子结构分析或刚柔混合多体动力学分析方法研究，但我们认为，要想更好地分析柴油机的抗冲击能力，必须对柴油机的冲击动力学特性进行详尽的系统分析。对柴油机的冲击动力学分析应该考虑柴油机本身运转的应力，细化柴油机的数值计算模型，适当开展理论研究，在多个方向上开展研究。这样的研究可能会耗时较长，耗资较大，但意义重大，是数字化柴油机研究的重要组成部分，也可为其它机械的抗冲击研究提供一些有益的参考。

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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

国防预研项目（4010401010101）

欧阳光耀（1964-），男，教授，博士生导师。研究方向：动力机械的结构设计与优化。E-mail：ouyanggy＠126.com

高洪滨（1978-），男，博士研究生。研究方向：噪声与振动控制。E-mail：ghb2463＠163.com