徐稼航，亓宗磊，袁 帥，郭 鑫

（濰柴動力股份有限公司 進出口公司，山東 濰坊 261000）

隨著航海工業(yè)的進步，船用發(fā)動機工作狀態(tài)下的安全性和可靠性獲得了更多的重視。由于船用柴油機的使用環(huán)境通常比較惡劣，因此，常采用防護罩系統(tǒng)對旋轉件進行保護，設計合理的船用柴油機防護罩能夠有效阻止惡劣環(huán)境對柴油機結構的污染和損壞，同時具備良好的防雨防塵功能。不合理的船用柴油機防護罩可能產(chǎn)生諸如防護罩損壞、支撐柱斷裂或防護罩振動過大及產(chǎn)生異響等問題。某船用柴油機防護罩存在振動劇烈的問題，本文采用HyperMesh完成防護罩的前處理，使用ABAQUS對防護罩模態(tài)進行校核，分析結構振動過大的原因，并提出了一種優(yōu)化方案。優(yōu)化后的方案在滿足防護罩功能性的基礎上，還對防護罩的防護板和支撐結構進行了優(yōu)化，使本文的防護罩具有良好的模態(tài)特性。優(yōu)化后的防護罩結構簡單，造型美觀，能夠滿足輕量化的需求的同時也滿足有限元分析對模態(tài)性能的要求。

本文的柴油機防護罩采用多點固定及支架固定，支架通過螺栓將防護罩殼體和機體固連，合理的支架布置能夠有效減少應力集中，本文設計的柴油機防護罩使其安裝在機體上更牢靠穩(wěn)定。支架和防護罩之間安裝有減震墊，可有效減小由于震動產(chǎn)生的噪音。如不安裝防護罩，柴油機在工作時，柴油機皮帶輪、發(fā)電機、惰輪等旋轉件存在發(fā)生卷入雜物而導致柴油機工作異常的風險。其次，為滿足柴油機對輕量化的需求，防護罩殼體采用鏤空結構，鏤空結構同時能夠觀察到輪系旋轉件內部運動。

1 有限元計算模型

1.1 防護罩建模

為了貼合船用柴油機防護罩實際使用工況，使分析結果更加準確，除了建立了柴油機防護罩有限元分析的模型外，還對與防護罩相連的部件完成了建模。船用柴油機防護罩殼體、支撐支架和連接板的材料均為Q235-A，其彈性模量為2.12×10N/m，泊松比為0.288，質量密度為7.86×10kg/m。本文使用HyperMesh對柴油機防護罩、連接螺栓法蘭、支撐支架、連接板等完成前處理的網(wǎng)格劃分，使用ABAQUS完成防護罩模態(tài)計算，其中殼體為1.5 mm的殼單元結構，其他部件為二階四面體網(wǎng)格，整體結構有限元模型如圖1所示。

圖1 柴油機防護罩

1.2 邊界條件和接觸定義

邊界條件是為了獲得求解區(qū)域物理問題的確定解的前提條件，對于任何ABAQUS模態(tài)或強度問題，都需要給定邊界條件，并且對于邊界條件的處理，會直接影響計算結果的精度；本文在支撐支架周邊建立ENCASTRE邊界條件，約束支撐支架周邊所有的自由度。支撐支架周邊建立固定約束條件如圖2所示；模態(tài)計算時，不需要施加載荷，殼體與殼體、殼體與連接板、殼體與支撐支架接觸面之間均采用Tie連接，接觸定義如圖3所示。

圖2 邊界條件定義

圖3 接觸定義

2 模態(tài)分析

模態(tài)分析可以得到船用6缸柴油機防護罩系統(tǒng)每一個階次的模態(tài)，通過對船用6缸柴油機防護罩進行結構模態(tài)分析，可得出防護罩在易受影響的模態(tài)頻率范圍內的振動特性，當機械結構的外部激勵頻率與其固有頻率相接近時，機械結構易發(fā)生共振，導致結構損壞，影響柴油機防護罩的使用。因此，結合模態(tài)分析法和相關試驗，可以避免柴油機防護罩發(fā)生共振，也可用于6缸柴油機防護罩系統(tǒng)的重新設計。6缸發(fā)動機振動的主要激勵源為點火激勵，點火激勵頻率為

式中，為發(fā)動機轉速；為缸數(shù)；為沖程數(shù)。

該4沖程6缸船用柴油機的額定轉速是2 000 r/min，故其最大點火頻率值為100 Hz。

如表1所示，6缸柴油機防護罩模態(tài)一階頻率數(shù)值為64.6 Hz，二階頻率數(shù)值為78.1 Hz，三階頻率數(shù)值為102.1 Hz，前三階如圖4—圖6所示，低于6缸柴油機額定轉速（2 000 r/min）下點火激勵頻率 的1.2倍，即120 Hz，防護罩模態(tài)不滿足要求，存在共振風險，因此，需要對防護罩進行改進。

表1 防護罩前三階約束模態(tài)頻率

圖4 一階約束模態(tài)振型圖（64.6 Hz）

圖5 二階約束模態(tài)振型圖（78.1 Hz）

圖6 三階約束模態(tài)振型圖（102.1 Hz）

3 優(yōu)化設計及校核

3.1 結構優(yōu)化

根據(jù)防護罩前三階振型有限元分析結果，對防護罩進行結構優(yōu)化，由于防護罩整體模態(tài)頻率數(shù)值較低，與常用轉速對應的點火激勵相差較大，因此，需要增加6缸柴油機防護罩的整體模態(tài)頻率，本文將防護罩殼體的板厚由原方案的1.5 mm增加至2 mm，提升防護罩的整體剛度；其次根據(jù)防護罩系統(tǒng)模態(tài)振型增加支撐支架和連接板的數(shù)量。由防護罩一階模態(tài)振型可知，防護罩左側振型較大，因此，在防護罩左側增加一根支撐柱，加強局部結構的剛度；通過對原方案二階、三階模態(tài)振型分析后，調整防護罩側板和上板之間的連接片的位置，加強防護罩上端結構的剛度，優(yōu)化后的防護罩有限元模型如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的柴油機防護罩

3.2 優(yōu)化后結果

使用ABAQUS對優(yōu)化后的船用柴油機防護罩重新計算模態(tài)，圖8—圖10為優(yōu)化后的船用柴油機防護罩一到三階約束模態(tài)振型圖。優(yōu)化后的防護罩一階固有頻率值為120.93 Hz，二階固有頻率值為159.83 Hz，三階固有頻率值為169.67 Hz，可見合理地通過增加防護罩厚度，有效地提高了6缸柴油機防護罩整體模態(tài)頻率，6缸柴油機防護罩前三階模態(tài)大于120 Hz，滿足設計要求。同時分析6缸柴油機防護罩模態(tài)振型可知，通過增加防護罩左側的支撐柱結構和調整側板和上板之間連接片的位置，6缸柴油機防護罩左部結構和上部結構的振型得到了顯著的優(yōu)化，證明優(yōu)化后的支撐結構對6缸柴油機防護罩模態(tài)的改善有良好的效果。

圖8 優(yōu)化后一階約束模態(tài)振型圖（120.93 Hz）

圖9 優(yōu)化后二階約束模態(tài)振型圖（159.83 Hz）

圖10 優(yōu)化后三階約束模態(tài)振型圖（169.67 Hz）

4 結論

（1）通過應用HyperMesh及ABAQUS軟件對存在振動過大問題的船用發(fā)動機防護罩進行模態(tài)計算，結果表明，優(yōu)化前的船用柴油機防護罩前三階模態(tài)低于發(fā)動機額定轉速對應激勵頻率的1.2倍，模態(tài)不滿足設計要求，設計存在缺陷，存在防護罩與發(fā)動機共振的風險。

（2）根據(jù)計算結果，找出了發(fā)動機防護罩模態(tài)振型較大處進行了加固，并增加了防護罩殼體厚度，提高了防護罩強度，優(yōu)化了防護罩結構。優(yōu)化后的船用柴油機防護罩一階固有頻率值為120.93 Hz，高于柴油機額定轉速（2 000 r/min）下點火激勵頻率的1.2倍，即120 Hz，優(yōu)化后防護罩模態(tài)滿足要求。