唐征明，劉現(xiàn)星，孫海軍，張 靖，劉 磊

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

浮動核電站是船舶海洋工程和核能工程的有機結合體，其可在海洋資源開發(fā)、島礁能源建設等過程中提供電力、淡水等資源保障。應急柴油發(fā)電機組作為核安全級設備，對浮動核電站反應堆的安全起著很重要的作用。由于海洋環(huán)境條件復雜，浮動電站上設備基座承受各種靜、動態(tài)載荷，如設備的自重及持續(xù)外部機械載荷，風浪流引起的船體傾斜及搖擺，水下非接觸爆炸對基座的沖擊載荷等[1]，其中沖擊載荷對基座結構產(chǎn)生的破壞作用尤其明顯。因此，為提高設備的抗沖擊性能，基座的抗沖擊性能受到高度關注。吳廣明等[2]采用時間歷程法分析了基座面板及縱向腹板厚度對基座抗沖擊能力的影響。馮維等[3]利用Ansys軟件研究了用于艦船基座抗沖擊計算方法。

基于上述研究，本文采用Ansys軟件建立應急柴油發(fā)電機組有限元模型，并根據(jù)德國軍標BV/0430沖擊安全性[4]中規(guī)定的沖擊譜和時間歷程分析法對應急柴油發(fā)電機組基座進行抗沖擊計算。

1 抗沖擊分析方法

目前用于結構設計的抗沖擊計算方法主要有靜G法、譜分析法和時間歷程法。靜G法是將動載荷等效為一定倍數(shù)的重力加速度載荷，并用靜態(tài)方法進行強度校核。

1.1 譜分析法

譜分析法是將設計沖擊譜作為系統(tǒng)的沖擊輸入，并對系統(tǒng)數(shù)學模型進行模態(tài)分析，對模態(tài)分析結果進行合成，從而求得系統(tǒng)的沖擊響應。根據(jù)給定的設計沖擊譜、計算的參與因子、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)振型和節(jié)點質(zhì)量，即可得出設備上每階模態(tài)的等效靜載荷列向量，采用靜力方法計算應力和變形，通過對各階模態(tài)解的合成可以得出設備上的應力分布和變形。抗沖擊計算常用的譜分析法有2種：BV/0430沖擊安全性中規(guī)定的沖擊譜和DDAM中使用的沖擊譜[3]。本文采用BV/0430中的沖擊譜進行譜分析，使用平方和開根號（SRSS）的模態(tài)合成方法。

BV/0430中規(guī)定的沖擊譜為三折線譜，低頻下沖擊譜認為是等位移譜，中頻沖擊譜認為是等速度譜，高頻下沖擊譜認為是等加速度譜。常采用四維坐標描述沖擊譜，其中以速度譜作為縱坐標，頻率作為橫坐標，與橫坐標成+45°的坐標系表示位移譜值，與橫坐標成-45°的坐標系表示加速度譜值[5]。

當設備重量大于5 t時，沖擊響應值表示為[4]：

由式（1）計算得到浮動核電站柴油發(fā)電機組基座的垂向設計沖擊譜如圖1所示。

圖1 設計沖擊譜（垂向）Fig.1 Design shock spectrum (vertical)

1.2 時間歷程法

時間歷程法是規(guī)定系統(tǒng)承受某一沖擊的時間信號，將其作為沖擊輸入，以計算系統(tǒng)的沖擊響應，該時間信號由壓力、速度或加速度作為時間函數(shù)所定義。

根據(jù)BV/0430中的規(guī)定，對于機械沖擊載荷，只要未規(guī)定其他的輸入激勵時間歷程，就可用三角形變化歷程進行驗證計算。轉(zhuǎn)換關系表示為：

根據(jù)式（2）對沖擊譜進行轉(zhuǎn)換，得到加速度時間歷程曲線。為方便在機組模型上施加沖擊激勵，對加速度波形曲線進行2次時間積分，分別得到?jīng)_擊速度和沖擊位移時間歷程曲線，如圖2所示。進行瞬態(tài)動力學分析時，通過對機組下方減振器施加位移載荷，模擬環(huán)境（機組下方基礎）的沖擊作用。

2 基座抗沖擊計算

基于有限元方法，分別采用Spectrum譜分析法和Transient瞬態(tài)分析法對基座進行抗沖擊計算。當進行瞬態(tài)響應分析時，質(zhì)量阻尼系數(shù)alpha=0.51，剛度阻尼系數(shù)beta=0.0001。

2.1 機組結構特點及有限元模型

某應急柴油發(fā)電機組中柴油機和發(fā)電機采用一體化基座進行彈性安裝，如圖3所示，柴油機與發(fā)電機采用彈性聯(lián)軸器連接，柴油機通過隔振器固定在基座上，發(fā)電機通過高強度螺栓固定在基座上，整個基座通過減震器安裝在船體結構上。根據(jù)機組的重心、重量分布特點，基座左右兩側(cè)各設置有10組相同剛度、阻尼的減振器，柴油機左右兩側(cè)各設置4組隔振器。減振器、隔振器、聯(lián)軸器的相關技術參數(shù)如表1和表2所示。其中減振器和隔振器的垂向具有非線性特征，減振器彈性特征如圖4所示，隔振器彈性特征如圖5所示。

圖3 柴油發(fā)電機組安裝結構示意圖Fig.3 Structure schematic diagram of the gen-set

表1 減振器技術參數(shù)Tab.1 Technical parameters of the buffer

表2 聯(lián)軸器技術參數(shù)Tab.2 Technical parameters of the coupling

基座為箱型結構，為保證其結構強度和剛度，結構上設置有加強筋板，材料為Q345。圖6為柴油發(fā)電機組有限元模型，其中發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸方向為縱向（模型中x向）；豎直方向為垂向（模型中z向）；橫向（模型中y向）通過右手定則確定。由于發(fā)電機和柴油機的剛度遠大于基座，發(fā)電機和柴油機采用剛體模擬，建立質(zhì)量單元MASS21，賦予重量、轉(zhuǎn)動慣量屬性；基座為板殼式結構，采用SHELL63殼單元模擬；減振器、隔振器、聯(lián)軸器均屬于彈性元件，結構比較復雜，在Ansys中沒有對應的單元。單個減振器、隔振器簡化成垂向非線性彈簧阻尼器和2個水平方向（橫向和縱向）的線彈性彈簧阻尼器，聯(lián)軸器簡化成具有橫向、縱向、垂向拉壓剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的線彈性彈簧阻尼器，線性彈簧阻尼器采用COMBIN14單元模擬，非線性彈簧阻尼器采用COMBIN39單元模擬。因此，每個減振器和隔振器均包含2個COMBIN14單元和1個COMBIN39單元，每個聯(lián)軸器包含6個COMBIN40單元。連接螺栓采用BEAM189單元模擬，模型共有132 459個單元。

圖4 基座減振器彈性特征Fig.4 Spring characteristics of base frame buffer

圖5 柴油機隔振器彈性特征Fig.5 Spring characteristics of the gen-set buffer

圖6 柴油發(fā)電機組有限元模型Fig.6 Finite element model of the gen-set

2.2 基座剛性安裝分析結果

機組直接剛性的安裝在船體上，有利于保證安裝精度，安裝簡便易行。但是由于沖擊載荷比靜載荷大的多，沖擊載荷直接加載在基座上，使基座產(chǎn)生巨大的應力應變。

譜分析和瞬態(tài)分析下，基座結構最大等效應力分別為 708.015 MPa 和 586.939 MPa，遠大于材料許用應力，應力較大點主要位于發(fā)電機安裝機腳、箱型梁腹板上。計算結果表明，譜分析比瞬態(tài)分析下的計算結果偏保守；基座剛性安裝無法滿足抗沖擊性能要求。

2.3 基座彈性安裝分析結果

2.3.1 基座應力結果

在柴油發(fā)電機組基座下方安裝合適剛度和數(shù)量的減振器，并采用合理的布置形式。譜分析和瞬態(tài)分析下，基座結構最大等效應力為 557.926 MPa和 285.612 MPa。結果表明，譜分析下應力超過材料屈服強度，瞬態(tài)分析結果小于材料屈服強度，應力較大點主要位于柴油機安裝座基座和中間腹板上，應力云圖如圖7和圖8所示。在設計基座時應對薄弱環(huán)節(jié)處腹板、面板結構進行適當加厚，增強基座的承載能力。

圖7 譜響應分析下基座應力云圖Fig.7 Stress contours of base frame with spectrum response analysis

圖8 瞬態(tài)響應分析下 58.989 ms 時基座應力云圖Fig.8 Stress contours of base frame on 58.989 ms with transient response analysis

2.3.2 減振器變形結果

沖擊作用下，應保證各個減振器的變形偏差值較小并在工作行程內(nèi)工作?；路?0個減振器在4個時刻點（t2，t3，t4，t5）下變形曲線如圖9所示?？芍鱾€減振器沖擊下的變形、受力較為均勻，且減振器的變形一直處于工作行程內(nèi)（-25 mm/+10.0 mm），不會發(fā)生“觸底”或損壞，滿足隔振器安全工作要求。

圖9 各減振器變形曲線Fig.9 Deformation curve of 1th-20th buffers on 4 time points

2.4 減振器剛度對抗沖擊性能影響

為了分析減振器剛度對基座抗沖擊強度的影響，分別對減振器取不同剛度進行對比分析。在相同的沖擊載荷、相同的基座結構，不同的減振器垂向剛度下，基座最大應力值如表3所示。

表3 不同剛度減振器下基座最大應力值Tab.3 Maximum stress value of the mounting under different stiffness buffer

計算結果表明，減振器的剛度對基座抗沖擊強度有較大的影響。相同條件下，減振器垂向剛度越大，則基座承受的應力越大，剛度過小會導致機組在沖擊中振動幅度過大，影響機組運行安全。

2.5 隔沖系統(tǒng)對隔沖效率的影響

消極隔沖系統(tǒng)被設計用來防止周圍環(huán)境的沖擊傳到設備及其附件上。合理的隔沖系統(tǒng)能隔離絕大部分沖擊，使傳遞到設備上的加速度大幅度減小。

隔沖系統(tǒng)加速度傳遞率表示為：

本節(jié)對比柴油機單層隔振（柴油機剛性安裝在基座上）和雙層隔振（柴油機彈性安裝在基座上）下系統(tǒng)的隔沖效率。2種情形下，柴油機的加速度響應曲線分別如圖10和圖11所示。

圖10 單層隔沖系統(tǒng)下柴油機加速度曲線Fig.10 Diesel acceleration curve under single layer shock isolation system

圖11 雙層隔沖系統(tǒng)下柴油機加速度曲線Fig.11 Diesel acceleration curve under double layer shock isolation system

分析可知，計算得到單層和雙層隔沖系統(tǒng)的隔沖效率分別為10.6%和18.3%。采用雙層隔沖系統(tǒng)，可以進一步減小柴油機及其附件的加速度幅值，有利于柴油機的安全運行。

3 結 語

本文采用譜分析法和時間歷程分析法對浮動核電站某應急柴油發(fā)電機組的基座進行抗沖擊計算。根據(jù)分析結果，得出如下結論：

1）安裝減振器可以有效降低基座結構應力，提高機組的抗沖擊性能；

2）減振器的剛度大小對基座的抗沖擊強度有較大影響，應根據(jù)結構特點選擇合理剛度的減振器；

3）通過雙層減振，可以進一步降柴油機及其附件的沖擊加速度，有利于柴油機的安全運行；

4）根據(jù)BV/0430規(guī)范對基座進行抗沖擊分析設計，計算結果可以為浮動核電站應急柴油發(fā)電機組基座結構優(yōu)化設計、減振器選型、減振器布置設計提供一定參考。