張亮 史冬巖 張成 張桐鳴 高旭文

（哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 哈爾濱 150001）

艦用主汽輪機(jī)汽缸振動特性研究

張亮 史冬巖 張成 張桐鳴 高旭文

（哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 哈爾濱 150001）

主汽輪機(jī)；低壓缸；數(shù)值仿真；掃頻試驗；對比分析

針對艦用主汽輪機(jī)汽缸振動特性研究較少的現(xiàn)象，研究主汽輪機(jī)低壓缸的振動特性，對某型艦用主汽輪機(jī)汽缸進(jìn)行數(shù)值仿真分析，并通過試驗驗證。研究表明，在1~1 000 Hz頻域內(nèi)，艦用主汽輪機(jī)汽缸整體模型只出現(xiàn)了一階振型，低壓缸結(jié)構(gòu)中的筋板、肋板、薄板等局部尺寸較小的部位易引起振動出現(xiàn)局部模態(tài)；低壓缸結(jié)構(gòu)局部尺寸較大的部位，不易引起振動；進(jìn)行掃頻試驗時，通過縱向掃頻及垂向掃頻能夠很好地彌補(bǔ)單向掃頻時出現(xiàn)的峰值點頻率的大幅跳躍。

0 引言

振動現(xiàn)象是機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)常需要面對的問題之一。由于振動會造成結(jié)構(gòu)疲勞，甚至產(chǎn)生共振，不僅會對結(jié)構(gòu)造成疲勞破壞，同時對零件的加工精度也有很大的影響［1，2］。只有了解結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，才能有效地采取措施減小振動帶來的影響［3］。

艦船設(shè)備特別是A類設(shè)備的破壞是一個關(guān)系到艦船生命力的重要問題。船體破損的情況下，艦船抗沉性要求動力設(shè)備的完好性達(dá)到生存的目的［4］。主汽輪機(jī)汽缸是艦船主動力設(shè)備的重要部分，本文以低壓汽缸為研究對象，開展其振動特性研究具有實際意義。

艦用設(shè)備的實測資料較少［5］，艦用主汽輪機(jī)汽缸振動特性的研究信息更少。為盡量使艦用主汽輪機(jī)汽缸的工作頻率和固有頻率錯開一定的范圍，達(dá)到規(guī)定的概率儲備要求，本文通過試驗分析了某艦用主汽輪機(jī)汽缸的振動特性，并與數(shù)值仿真值進(jìn)行對比研究，驗證數(shù)值仿真分析的正確性，找出艦用主汽輪機(jī)汽缸較薄弱的振動頻值，為主汽輪機(jī)汽缸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提出一些有效的技術(shù)措施。

1 有限元模型的建立

艦用主汽輪機(jī)汽缸的結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的，因此在計算前需要把設(shè)備模型化。模型建立的正確與否將直接影響計算結(jié)果準(zhǔn)確性。如果建模不當(dāng)，將使計算的工作量過大或計算結(jié)果可信度低，甚至導(dǎo)致錯誤的結(jié)論。因此研究體系的質(zhì)量、剛度、阻尼是影響動力特性的主要因素，也是建模中的主要參數(shù)。在建模的過程中要十分注意各個部分的質(zhì)量、剛度、阻尼等盡量接近實際情況。在不影響計算精度的前提下，對所建立的有限元三維模型進(jìn)行合理的模型簡化。

本文利用大型有限元前處理軟件HyperMesh對艦用主汽輪機(jī)汽缸模型進(jìn)行有限元前處理，以國際上通用的大型非線性有限元仿真軟件ABAQUS對主汽輪機(jī)低壓缸模型進(jìn)行振動特性數(shù)值仿真計算。為減少自由度數(shù)目、降低計算成本并有效地提高計算精度，對主汽輪機(jī)低壓缸模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，單元類型選擇為三維實體單元。

主汽輪機(jī)低壓缸模型中存在許多小特征結(jié)構(gòu)，雖然這些結(jié)構(gòu)對整個模型計算精度的影響可以忽略，但給計算過程帶來很大代價。在研究時將這些小特征簡化，同時用質(zhì)量單元MASS模擬簡化掉的結(jié)構(gòu)慣性作用。為了提高計算的速度和收斂性，且不影響實際計算結(jié)果，將螺栓的螺紋部分簡化成圓柱；為了真實模擬低壓缸聯(lián)接結(jié)構(gòu)，將各個汽缸接合面均設(shè)為有摩擦接觸。對于鋼或鑄鐵被聯(lián)接件摩擦系數(shù)μ=0.1～0.15［6］，本文取摩擦系數(shù)μ0=0.15，螺母和螺桿的旋緊部分采用綁定約束。圖1所示為某艦用汽輪機(jī)為母型完成六面體網(wǎng)格劃分的主汽輪機(jī)低壓缸模型。

圖1 汽缸有限元模型

2 艦用主汽輪機(jī)汽缸數(shù)值仿真分析

研究一個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性，首先要建立該系統(tǒng)的動力方程。多自由度的運(yùn)動方程可以應(yīng)用牛頓第二定律、達(dá)朗伯原理、拉格朗日方程或哈密頓定理來建立［7］。對于N個自由度線性系統(tǒng)，其運(yùn)動微分方程為：

式中［M］、［C］和［K］分別為系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣，{x（t）}和{F（t）}分別為系統(tǒng)各點的位移響應(yīng)向量和激勵力向量。

鑒于艦用主汽輪機(jī)汽缸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難得到低壓缸整體模型的某階振型，大多數(shù)情況下所激起的振動都是結(jié)構(gòu)的局部模態(tài)。為模擬低壓缸振動過程，計算只限于1～1 000 Hz頻域內(nèi)主汽輪機(jī)低壓缸的振動特性，本文只給出主汽輪機(jī)低壓缸幾個特定頻率值的振型圖，如圖2所示。

圖2 主汽輪機(jī)汽缸振型圖

通過數(shù)值仿真計算可知，在1~1 000 Hz頻域內(nèi)，艦用主汽輪機(jī)汽缸整體模型只出現(xiàn)了一階振型。激勵引起的振動多為主汽輪機(jī)低壓缸結(jié)構(gòu)的局部模態(tài)，且易引起振動的部位主要發(fā)生在低壓缸結(jié)構(gòu)中的筋板、肋板、薄板等局部尺寸較小的部位，而對于低壓缸結(jié)構(gòu)局部尺寸較大的部位，則不易引起振動。

3 艦用主汽輪機(jī)汽缸掃頻試驗

對于艦用主汽輪機(jī)汽缸振動特性分析，應(yīng)用數(shù)值仿真算法具有結(jié)果連續(xù)性好、計算范圍廣、效率高等優(yōu)點，只要模型簡化合理，邊界條件施加正確，通過數(shù)值仿真分析得到的結(jié)果可以達(dá)到很高的精度，且可通過數(shù)值仿真計算具體分析主汽輪機(jī)低壓缸整體模型的某階振型。為驗證數(shù)值仿真計算結(jié)果的正確性，可以通過試驗驗證，采用ES-160/180-590型試驗振動臺進(jìn)行試驗，對艦用主汽輪機(jī)汽缸分別進(jìn)行縱向掃頻和垂向掃頻實驗，掃頻范圍為1~1 000 Hz，當(dāng)試驗臺的振動頻率值達(dá)到主汽輪機(jī)低壓缸的固有頻率值時，引起試驗臺與低壓缸的激烈振動，記錄儀出現(xiàn)峰值，此時試驗臺的振動頻率即為低壓缸的固有頻率。圖3所示為主汽輪機(jī)低壓缸的掃頻試驗場景，圖4所示為試驗所測得的掃頻峰值曲線，曲線上各個峰值點處的頻率為低壓缸與沖擊臺的共振頻率，即為艦用主汽輪機(jī)汽缸的固有頻率。

圖3 艦用主汽輪機(jī)汽缸掃頻試驗場景

圖4 掃頻曲線

由圖4可知，縱向掃頻時，主汽輪機(jī)低壓缸相當(dāng)于受縱波波源激勵振動；垂向掃頻時，主汽輪機(jī)低壓缸相當(dāng)于受橫波波源激勵振動。通過縱向掃頻及垂向掃頻得到的峰值，能夠很好地彌補(bǔ)單向掃頻時出現(xiàn)的峰值點頻率大幅跳躍，提取這些峰值點處的頻率即為艦用主汽輪機(jī)汽缸的固有頻率，主汽輪機(jī)低壓缸的固有頻率如表1所示。

表1 艦用主汽輪機(jī)汽缸1～1 000 Hz內(nèi)固有頻率

4 試驗值與數(shù)值仿真值對比分析

為驗證數(shù)值仿真計算值的正確性，需將掃頻試驗測量值與數(shù)值仿真計算值進(jìn)行對比分析，表2所示為艦用主汽輪機(jī)汽缸掃頻試驗值與數(shù)值仿真值，圖5所示為主汽輪機(jī)低壓缸掃頻試驗值與數(shù)值仿真值對比曲線，見下頁。由圖5可知，數(shù)值仿真計算值與掃頻試驗測量值能很好吻合；由表2可知，數(shù)值仿真計算值與掃頻試驗值的最大相對誤差為6.7%，且相對誤差較大部分均發(fā)生在低頻階段，即主汽輪機(jī)低壓缸剛發(fā)生振動時，平均誤差為2.3%，可認(rèn)為數(shù)值仿真計算值有較高的精確性。這里規(guī)定相對誤差η為：

由于掃頻試驗具有局限性，不可能考察到所有頻域段而得到艦用主汽輪機(jī)汽缸的所有固有頻率，也不能精確考察主汽輪機(jī)低壓缸整體模型的某階振型。通過表2和圖5可以看出，數(shù)值仿真計算值與掃頻試驗值能夠很好地吻合，驗證了數(shù)值仿真計算法的正確性，故可通過數(shù)值仿真計算來考察主汽輪機(jī)低壓缸容易引起激振的部位，或通過數(shù)值仿真計算具體考察主汽輪機(jī)低壓缸整體模型的某階振型，進(jìn)而對艦用主汽輪機(jī)汽缸提出一些有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)措施。

表2 主汽輪機(jī)低壓缸掃頻試驗值與數(shù)值仿真值

圖5 主汽輪機(jī)汽缸掃頻試驗值與數(shù)值仿真值曲線

5 結(jié)語

本文以某型艦用主汽輪機(jī)汽缸為計算研究對象，分別通過數(shù)值仿真和掃頻試驗來研究主汽輪機(jī)低壓缸的振動特性，通過對比分析驗證了數(shù)值仿真算法的正確性。通過仿真模擬研究，得到的結(jié)論主要如下：

（1）在1~1 000 Hz頻域內(nèi)，艦用主汽輪機(jī)汽缸整體模型只出現(xiàn)了一階振型，激勵引起的振動多為主汽輪機(jī)低壓缸結(jié)構(gòu)的局部模態(tài)；主汽輪機(jī)低壓缸結(jié)構(gòu)中的筋板、肋板、薄板等局部尺寸較小的部位易引起振動而出現(xiàn)局部模態(tài)；主汽輪機(jī)低壓缸結(jié)構(gòu)局部尺寸較大的部位，不易引起振動。

（2）進(jìn)行縱向掃頻試驗時，主汽輪機(jī)低壓缸相當(dāng)于受縱波波源激勵振動；進(jìn)行垂向掃頻試驗時，主汽輪機(jī)低壓缸相當(dāng)于受橫波波源激勵振動。通過縱向及垂向掃頻能夠很好地彌補(bǔ)單向掃頻時出現(xiàn)的峰值點頻率大幅跳躍，掃頻試驗所測得的峰值點處的頻率即為艦用主汽輪機(jī)汽缸的固有頻率。

（3）掃頻試驗具有局限性，不可能考察所有頻域段而測出艦用主汽輪機(jī)汽缸的所有固有頻率，也不能精確考察主汽輪機(jī)低壓缸整體模型的某階振型。通過掃頻試驗驗證數(shù)值仿真算法的正確性后，可通過數(shù)值仿真分析來研究主汽輪機(jī)低壓缸結(jié)構(gòu)中較薄弱的部位或通過數(shù)值仿真具體分析研究主汽輪機(jī)低壓缸整體模型的某階振型，進(jìn)而對艦用主汽輪機(jī)汽缸提出一些有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)措施。

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Research on vibration characteristics of ship main turbine cylinder

ZHANG Liang SHI Dong-yan ZHANG Cheng ZHANG Tong-ming GAO Xu-wen
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

main turbine；low pressure cylinder；numerical simulation；experiment of sweeping frequency；comparative analyze

This paper focuses on the rare researched issue of the main turbine cylinder low frequency vibration characteristics.The main turbine cylinder of one shipboard is studied by numerical simulation and experiment.The results show that only the first order vibration mode was observed for the whole cylinder model within the frequency between 1 Hz to 1 000 Hz，the metal plate，reinforcing rid，shin plate and other small parts in the low pressure cylinder are more easier to induce vibration and local mode than the large parts.In the frequency sweeping experiment，the sharply jumping of the peak by one-way frequency-sweeping can be offset by the alternation of vertical frequency-sweeping and horizontal frequency-sweeping.

U664.113

A

1001-9855（2011）06-0050-04

國際科技合作項目（2007DFR80340）資助課題；哈爾濱市科技創(chuàng)新專項基金（RC2008QN013001）。

2011-05-06；

2011-07-13

張亮（1986-），男，漢族，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計及理論。

史冬巖（1965-），女，漢族，教授/博導(dǎo)，研究方向：機(jī)械設(shè)計及理論。

張成（1987-），男，漢族，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計及理論。

張桐鳴（1986-），男，漢族，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計及理論。

高旭文（1987-），男，漢族，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計及理論。