趙麗剛，鮑文倩，丁仕風(fēng)，周 利，周亞軍，于 昊

(1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003；3.中國(guó)船級(jí)社上海規(guī)范研究所，上海 200135；4.中國(guó)船舶集團(tuán)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(dòng)問題復(fù)雜[1-2]。下蝸殼結(jié)構(gòu)是連接墊升風(fēng)機(jī)和氣墊船的關(guān)鍵部件，承擔(dān)載荷傳遞與振動(dòng)傳遞作用[3]。開展下蝸殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于提高氣墊船的安全性、降低振動(dòng)水平具有重要的工程實(shí)際意義。

我國(guó)對(duì)于氣墊船的研究起步于20世紀(jì)90年代，其中對(duì)振動(dòng)及結(jié)構(gòu)響應(yīng)問題的研究尤為關(guān)注[4-6]，所采取的研究方法為模型試驗(yàn)和數(shù)值分析（FEM）。陳德娟等[7]針對(duì)某氣墊船推進(jìn)軸系開展了振動(dòng)模態(tài)、縱振振幅、振動(dòng)應(yīng)力研究，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比；劉宏亮等[8]采用褶積積分法求解了有阻尼受周期激勵(lì)作用的振動(dòng)響應(yīng)，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了比較分析。

下蝸殼結(jié)構(gòu)是影響氣墊船振動(dòng)和安全的關(guān)鍵，本文通過通過分析氣墊船和墊升風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，研究影響墊升風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的主要因素，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并從振動(dòng)、強(qiáng)度、剛度、疲勞等方面評(píng)估下蝸殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效果，可作為氣墊船墊升風(fēng)機(jī)下蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)參考。

1 下蝸殼結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作狀態(tài)分析

氣墊船下蝸殼結(jié)構(gòu)為鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，兼作墊升軸系軸承座的基座和風(fēng)機(jī)下蝸殼功能。下蝸殼結(jié)構(gòu)的下部與氣墊船主甲板焊接，上部通過法蘭邊螺栓與風(fēng)機(jī)上蝸殼法蘭邊連接，實(shí)現(xiàn)墊升風(fēng)機(jī)與氣墊船之間的載荷傳遞和振動(dòng)傳遞。

下蝸殼的主體設(shè)置有2道環(huán)形框架結(jié)構(gòu)——底部平臺(tái)和上部水平桁，框在蝸殼端面和側(cè)面形成有效的剛性連接。風(fēng)機(jī)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(jìn)風(fēng)區(qū)域的支撐豎桁設(shè)置導(dǎo)流型線，以改善進(jìn)氣流場(chǎng)。

由下蝸殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作狀態(tài)可見，墊升風(fēng)機(jī)的慣性載荷、重力載荷、風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)載荷通過下蝸殼結(jié)構(gòu)傳遞到船體上，產(chǎn)生應(yīng)力和變形響應(yīng)；墊升風(fēng)機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)將產(chǎn)生振動(dòng)，并通過下蝸殼結(jié)構(gòu)船體到船體結(jié)構(gòu)上，引起船體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。

墊升風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要充分考慮到上述結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)：1）需嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)變形以穩(wěn)定支撐墊升風(fēng)機(jī)的正常工作，防止出現(xiàn)變形過大打壞風(fēng)葉的情況；2）需確保下蝸殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平在安全衡準(zhǔn)范圍內(nèi)；3）下蝸殼承受高頻交變載荷作用，其關(guān)鍵構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度需要滿足疲勞強(qiáng)度衡準(zhǔn)要求；4）避開共振、降低振動(dòng)是下蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，是下蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重中之重。

1.2 下蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

為滿足氣墊船和墊升風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，應(yīng)分別從結(jié)構(gòu)剛度、應(yīng)力、疲勞和振動(dòng)模態(tài)4個(gè)方面，綜合評(píng)估并提出下蝸殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，具體實(shí)施流程見圖1。

由圖1可知，氣墊船墊升風(fēng)機(jī)的下蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮“載荷傳遞”和“振動(dòng)傳遞”，涉及變形、應(yīng)力、疲勞和振動(dòng)四方面因素。下蝸殼的設(shè)計(jì)方案需實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載性能與減振性能的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，存在較大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)空間。

2 下蝸殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試與優(yōu)化

2.1 下蝸殼設(shè)計(jì)方案的振動(dòng)測(cè)試評(píng)估

某氣墊船墊升風(fēng)機(jī)的下蝸殼，前期設(shè)計(jì)方案在滿足剛度和強(qiáng)度條件的前提下，出現(xiàn)了振動(dòng)超標(biāo)的現(xiàn)象。為此，針對(duì)下蝸殼周圍結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)如圖2所示的振動(dòng)測(cè)試方案：測(cè)點(diǎn)1位于風(fēng)機(jī)前軸承的振動(dòng)傳感器安裝肘板的背面；測(cè)點(diǎn)2位于測(cè)點(diǎn)1附近，且更靠近軸承支架的橫梁；測(cè)點(diǎn)3位于風(fēng)機(jī)前軸承的輸入端。

圖1 氣墊船下蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Flow chart of structural design for the volute structure of lift fans

圖2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)Fig.2 Monitoring points of vibration test

監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)的水平橫向振動(dòng)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖3。

圖3 振動(dòng)響應(yīng)烈度Fig.3 Vibration intensity

測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)3在動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速在7 400 r/min之前隨著渦輪轉(zhuǎn)速升高振動(dòng)烈度逐步緩慢增大；當(dāng)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速超過7 400 r/min時(shí)，測(cè)點(diǎn)1至測(cè)點(diǎn)3振動(dòng)烈度急劇增大超過振動(dòng)報(bào)警值25 mm/s?？梢姮F(xiàn)有下蝸殼結(jié)構(gòu)的固有頻率與墊升風(fēng)機(jī)及其軸系的固有頻率在高轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)生重疊，引起結(jié)構(gòu)共振，需優(yōu)化原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案以避免共振。

2.2 下蝸殼優(yōu)化設(shè)計(jì)方案研究

根據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，針對(duì)目標(biāo)船的下蝸殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)超標(biāo)的問題，從改變下蝸殼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)著手，對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，如圖4所示。

圖4 下蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化Fig.4 Optimal design of volute structure

對(duì)比原結(jié)構(gòu)與本優(yōu)化方案可見，主要的優(yōu)化技術(shù)措施包括：

1）將下蝸殼底部結(jié)構(gòu)與船體的連接形式改為焊接，增加部分壁板板厚，設(shè)置必要的削斜加強(qiáng)筋，達(dá)到提高下蝸殼結(jié)構(gòu)與船體結(jié)構(gòu)的連接剛度；

2）取消原下蝸殼結(jié)構(gòu)中的大撐桿構(gòu)件，采用平面桁架結(jié)構(gòu)支撐以提高振動(dòng)和載荷傳遞的連續(xù)性；

3）增設(shè)壁板加強(qiáng)筋，提高平面板架結(jié)構(gòu)的承載能力；

4）增設(shè)進(jìn)風(fēng)筒鋁合金材料連接環(huán)，提高墊升風(fēng)機(jī)定位調(diào)整能力。

經(jīng)過初步重量評(píng)估，單個(gè)下蝸殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案約增重48 kg，且處于氣墊船中間位置，對(duì)整船重量和中心影響較小，不會(huì)影響氣墊船的性能技術(shù)指標(biāo)。

3 下蝸殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案評(píng)估

3.1 振動(dòng)評(píng)估分析

1）下蝸殼結(jié)構(gòu)模型化

開展下蝸殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析，需要充分考慮墊升風(fēng)機(jī)、船體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及單臺(tái)墊升風(fēng)機(jī)；2）下蝸殼結(jié)構(gòu)、單臺(tái)墊升風(fēng)機(jī)及其所在區(qū)域的部分船體結(jié)構(gòu)；3）單舷兩臺(tái)墊升風(fēng)機(jī)、下蝸殼結(jié)構(gòu)、及其所在區(qū)域的部分主船體結(jié)構(gòu)；4）單舷兩個(gè)下蝸殼結(jié)構(gòu)、及其所在區(qū)域的部分主船體結(jié)構(gòu)，墊升風(fēng)機(jī)用質(zhì)量單元模擬。

模型的邊界約束條件設(shè)定為簡(jiǎn)支約束，4個(gè)有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元結(jié)構(gòu)模型Fig.5 The finite element models

分別計(jì)算4個(gè)模型的振動(dòng)固有頻率，包括縱向頻率和橫向頻率，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同計(jì)算模型的固有頻率對(duì)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(jié)構(gòu)對(duì)整體模型振動(dòng)特征的影響，其縱向固有頻率預(yù)報(bào)結(jié)果存在失真；模型4未考慮墊升風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的剛度，其橫向固有頻率無(wú)法模擬實(shí)際的振動(dòng)狀態(tài)。模型2和模型3的振動(dòng)預(yù)報(bào)結(jié)果較為接近，但模型2僅考慮一個(gè)墊升風(fēng)機(jī)的情況，與實(shí)際氣墊船稍有差別。因此，本文建議采用“單舷2臺(tái)墊升風(fēng)機(jī)、下蝸殼結(jié)構(gòu)、及其所在區(qū)域的部分主船體結(jié)構(gòu)”作為振動(dòng)分析的結(jié)構(gòu)模型化范圍。

2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案振動(dòng)評(píng)估對(duì)比

根據(jù)不同模型范圍的振動(dòng)評(píng)估對(duì)比，選擇圖5中的模型3作為研究對(duì)象，分別開展下蝸殼結(jié)構(gòu)的橫向和縱向固有頻率計(jì)算，并與原下蝸殼結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)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(jì)算精度，與實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)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(jì)算結(jié)果可信。通過對(duì)下蝸殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，橫向固有頻率為37.94 Hz，避開風(fēng)機(jī)的最高工作軸頻（25.5 Hz）達(dá)48%，垂向固有頻率在400 Hz內(nèi)無(wú)振形，可滿足振動(dòng)儲(chǔ)備衡準(zhǔn)要求；縱向固有頻率較原結(jié)構(gòu)降低約4.26%，基本相當(dāng)。

圖7 優(yōu)化結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率對(duì)比Fig.7 The comprision of natural frequency between the origin structure and the optimized structure

對(duì)比原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)優(yōu)化后的下蝸殼結(jié)構(gòu)的橫向固有頻率提高30%以上，合理地避開了墊升風(fēng)機(jī)的工作軸頻，有效了避免了共振現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了減振的目的，有助于提高墊升風(fēng)機(jī)以及相連傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性。

3.2 強(qiáng)度評(píng)估對(duì)比

考慮墊升風(fēng)機(jī)的作業(yè)工況和極限工況，進(jìn)一步對(duì)優(yōu)化后的下蝸殼結(jié)構(gòu)開展強(qiáng)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(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在極限工況下：前后端壁的最大應(yīng)力為42.9 MPa，蝸殼圈板為60.0 MPa，舷側(cè)支撐壁板為26.7 MPa，均滿足CCS《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范》中的強(qiáng)度衡準(zhǔn)要求。

經(jīng)優(yōu)化的下蝸殼結(jié)構(gòu)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(duì)最大位移由原結(jié)構(gòu)的2.76 mm降低到0.948 mm，橫向相對(duì)最大位移為0.13 mm，垂向相對(duì)最大位移0.54 mm，滿足變形衡準(zhǔn)2 mm的要求；壁板由原結(jié)構(gòu)的7.07 mm降低到最大變形為2.18 mm，滿足變形衡準(zhǔn)6 mm的要求?？梢?，結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施使得下蝸殼的剛度得到明顯加強(qiáng)。

參考《航空結(jié)構(gòu)連接件疲勞分析手冊(cè)》對(duì)下蝸殼結(jié)構(gòu)主要連接件開展結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析，經(jīng)計(jì)算，連接構(gòu)件的最小疲勞裕度FM為1.45，滿足大于零的疲勞衡準(zhǔn)要求，有相當(dāng)大的疲勞儲(chǔ)備。

經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，墊升風(fēng)機(jī)下蝸殼結(jié)構(gòu)的橫向固有頻率儲(chǔ)備、強(qiáng)度與剛度儲(chǔ)備均滿足設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)，且結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力與變形均可下降一半以上，實(shí)現(xiàn)了較好的結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

下蝸殼結(jié)構(gòu)是氣墊船與墊升風(fēng)機(jī)之間的關(guān)鍵連接部件，其設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣影響船舶的振動(dòng)、強(qiáng)度、剛度、疲勞等多個(gè)方面。本文以某氣墊船墊升風(fēng)機(jī)下蝸殼結(jié)構(gòu)為對(duì)象，分析下蝸殼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作狀態(tài)，研究提出其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，主要結(jié)論如下：

1）為準(zhǔn)確模擬“船體-墊升風(fēng)機(jī)-下蝸殼”三者之間的振動(dòng)傳遞規(guī)律，通過對(duì)比4種不同的有限元模型，提出下蝸殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析的建模方法，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合度高；

2）以某氣墊船的下蝸殼設(shè)計(jì)為例，針對(duì)振動(dòng)超標(biāo)的問題，研究提出優(yōu)化下蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)解決措施，并從振動(dòng)、強(qiáng)度、剛度、疲勞方面對(duì)比評(píng)估了優(yōu)化效果，驗(yàn)證了本文所提下蝸殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的可行性。