船用柴油发电机组底座谐响应分析

2018-07-05

汽车与新动力 2018年3期

(南通迪施有限公司，江苏南通 226003)

0 前言

根据最新的美国船级社要求，船用柴油发电机组底座需要提供包含船舶运行状态的船用柴油发电机组底座的分析计算书。船用柴油发电机组中柴油机作为偏心转动机械在运动转过程中会产生简谐负荷，包括离心惯性力、往复惯性矩和倾覆力矩等振动力源，船用柴油发电机组需要设置隔振器以避免共振和受迫振动带来有害作用，通过对设置隔振器的船用柴油发电机组底座进行谐响应分析，预测底座隔振后的持续动力学特性和克服共振的效果。

MTU船用柴油发电机组的隔振形式采用在底座与柴油机和发电机之间安装隔振器的形式，柴油机为四行程16 V型，功率为2 080 kW，发电机功率为1 950 kW，转速为1 800 r/min，缸心距235 mm，缸径170 mm，行程210 mm，气缸夹角为90°。

1 船用柴油发电机组模型设置及建模

在Ansys Workbench中，模型可以通过Autodesk Inventor三维建模软件对船用柴油发电机组建模并将模型导入到Ansys Workbench中，然后进行材料设定、网格划分、边界条件输入及谐响应分析。

船用柴油发电机组建模包括柴油机建模、发电机建模、底座建模及隔振器建模。柴油机及发电机结构比较复杂，在做动力学分析建模时，保证柴油机及发电机质量和质心位置与原结构相符即可，因此柴油机及发电机建模时，将柴油机简化为长方体，发电机简化为类圆柱体，保证其质量和安装后的质心位置不变。而柴油机发电机底座则按实际结构建模。

将隔振器模型可建模为长方形橡胶隔振器(长,宽,高)，用来模拟实际选用的此刚度隔振器时机组的振动情况，本案取长方形橡胶隔振器长为230 mm,宽为180 mm,高为147.5 mm。

2 材料参数

由于柴油机及发电机模拟为长方体和类圆柱体，为保证其总质量不变，需要按照它们的实际质量推算出柴油机及发电机模型的密度，其弹性模量和泊松比仍按钢铁材料设定。

隔振器选型，与柴油机连接的隔振器选型为柴油RD314-60shA(刚度K1为5 278 N/mm)，与发电机连接的隔振器选型为柴油RD314-50shA(刚度K1为3 515 N/mm)。接下来谐响应分析可以采用弹性模量E60sh为23.65(MPa)的长方形橡胶模拟垂向刚度K1为5 278 N/mm的RD314-60sh型隔振器，用弹性模量为E50sh为15.75(MPa)的长方形橡胶模拟垂向刚度K1为3 515 N/mm的RD314-50sh型隔振器；长方形橡胶隔振器选择常用橡胶的参数，取泊松比为0.49，质量密度为1 200 kg/m3。柴油机发电机组各部分材料参数的设定见表1。

表1 柴油机发电机组各部分材料参数表

3 边界条件

固定约束为底座与船体相连接的12个连接板平面。对于16 V型柴油机可以看成两排单列8缸机，由于两排之间差了1个气缸夹角，因此在计算整台柴油机的不平衡时需将直列发动机计算值乘上V型机的合成系数。根据文献[2]，单列8缸机的外力、外力矩完全平衡，该台16V型柴油机的外力、外力矩也完全平衡，即其不平衡惯性力(离心力)及惯性力矩(离心力)均为0。因此扰动力为气体不平衡压力产生的激励力矩，包括平均扭矩和简谐力矩。

该款船用柴油发电机组柴油机功率为2 080 kW，转速为1 800 r/min，柴油机平均扭矩为11 034 N·m。

柴油发电机组在船舶运航行过程中，在风浪作用下产生的颠颇导致柴油发电机组产生的惯性力，根据经验，考虑船舶在横倾15°和纵倾15°，以及在风浪作用下产生颠颇导致柴油发电机组产生的惯性力可分别在垂向和横向或垂向和纵向加载0.5 G负荷即可。柴油发电机组的激励振动频率为30 Hz。

4 柴油发电机组谐响应分析

运用Ansys Workbench中谐响应分析功能，对船用柴油发电机组模型进行谐响应分析。将船用柴油发电机组模型中的柴油机、发电机、底座及隔振器材料属性分别按表1设定，频率范围设定为激励振动频率30 Hz的整数倍，取0～960 Hz，设置频率间隔为10 Hz；然后将边界条件在谐响应分析功能中进行设定。分析求解包括频率位移响应、频率加速度响应和频率应力响应，以上谐响应分析的加载面均为长方形橡胶隔振器与柴油机和发电机接触的上平面。

4.1 考虑船舶在横倾15°时的谐响应分析情况

图2～图4为船舶纵倾15°时的频率位移响应、频率加速度响应和频率应力响应分析曲线。

图2 船舶横倾15°时的频率应力响应曲线

图3 船舶横倾15°时的频率加速度响应曲线

图4 船舶横倾15°时的频率位移响应曲线

图5 激励振动频率270 Hz时的等效应力云图

图6 激励振动频率270 Hz时的位移云图

通过对图2，图3，图4的船舶纵倾15°时的频率位移响应、频率加速度响应和频率应力响应曲线分析，可以看出底座激励振动频率30～390 Hz时动力特性响应明显且处于高位，其中30 Hz为柴油机激励振动频率，150 Hz、270 Hz、300 Hz和330 Hz为频率位移响应、频率加速度响应和频率应力响应的振幅峰值点，提取以上5种频率时的等效应力和位移参数如表2。图5、图6分别为频率在270 Hz时的位移与应力云图。

表2 船舶横倾15°时的等效应力和位移参数表

由表2可以看出，底座最大应力发生在频率为270 Hz时，其最大应力处为252.06 MPa，最大的位移为2.38 mm，270 Hz为共振点。由于柴油机激励振动频率为30 Hz，所以该底座的共振点远离柴油机激励振动频率。

4.2 考虑船舶在纵倾15°时的谐响应分析情况

图7～图9为船舶纵倾15°时的频率位移响应、频率加速度响应和频率应力响应分析曲线。

图7 船舶纵倾15°时的频率应力响应曲线

图8 船舶纵倾15°时的频率加速度响应曲线

图9 船舶纵倾15°时的频率位移响应曲线

通过对图7～图9的船舶纵倾15°时的频率位移响应、频率加速度响应和频率应力响应曲线分析，可以看出底座激励振动频率30 Hz到120 Hz时动力特性响应明显并且处于高位，其中30 Hz为柴油机激励振动频率，60 Hz、90 Hz和120 Hz为频率位移响应、频率加速度响应和频率应力响应的振幅峰值，提取以上4种频率时的等效应力和位移参数，见表3。图10、图11分别为频率在90 Hz时的位移与应力云图。