公共底座对柴油机缸体变形影响的计算

（1.海军驻江南船厂军事代表室，上海 200011；2.上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

柴油发电机组是船舶的重要设备，其主要作用是为船舶提供所需的电力。因此，保证柴油发电机组安全可靠的运行是十分必要的。柴油机作为柴油发电机组重要设备之一，其本身结构较复杂、零部件较多，并且由于国内加工以及工艺水平的限制，很多关键部件主要依托进口，这就要求在运行中需特别注意其可靠性。在设计过程中，无论是柴油机结构本身还是与之相连接的设备都应该严格遵守设计规程[1]。

1 柴油发电机组的结构形式

当前，柴油发电机组主要由柴油机、发电机、高弹性联轴器和公共底座组成。柴油机通过联轴器与发电机连接，进而将动力转化为电能，其具体结构形式如图1所示。

公共底座的作用是支撑柴油机与发电机，其结构形式对柴油机和发电机都有一定的影响，应该按照设计规程以及工程经验等对公共底座进行系统设计。

图1 柴发机组示意图

2 研究过程

某型柴油发电机组的研究设计过程分为科研样机和交付设备两个阶段。样机设计阶段是为了充分验证机组的性能以及暴露设计生产过程中存在的问题，进而在装备上进行改进和完善。发电机、柴油机和联轴器等都是选型产品，其本身的总体结构不会发生很大的改变，仅在一些细节方面会有一定的改善。公共底座属于结构件，只要保证连接接口可以对应，在满足设计原则的前提下，其他位置的结构形式是可以进行调整的。样机的公共底座结构形式如图2所示。

由于总体设计单位的要求，对于交付设备的柴油发电机组提出了新的安装要求。因此，公共底座在结构上有比较大的改变，具体结构形式如图3所示。

对比图2和图3可以看出：两种公共底座在结构形式上有比较大的差异。因此，需要着重分析两种形式对整个机组的影响，本文以对柴油机的影响为例进行分析。

图2 样机底座模型

图3 交付设备底座模型

2.1 模态分析

模态分析是结构动力学分析不可或缺的一个环节，模态分析的作用主要有以下三个方面：1）使结构避免共振或使结构按特定频率振动；2）了解结构对不同类型的动力载荷的响应；3）有助于在其他动力学分析中估算求解控制参数，如时间步长等。在很多场合，模态分析都起着举足轻重的作用，如很多机械都要求避免共振，进行模态分析后，可以了解结构的固有振动频率和振型，并采取必要的措施，避免机械在使用中产生共振[2-5]。

计算采用大型有限元商用分析软件ANSYS。采用一种单元：SOLID185单元；划分网格时采用了网格自由划分，计算参数如表1所示。

表1 计算参数

对两种形式的公共底座进行具体分析，确定结构形式改变对模态的影响，具体计算结果如图4所示，图中数值代表自由模态振动频率。

图4 计算结果

由图4可以看出：公共底座在结构改变以后，其模态的阵型和频率均有很大的改变，根据设计原则和工程经验，两种形式的振动频率均有效规避了机组的共振频率，满足机组的使用要求。

2.2 柴油机机体变形计算

该型柴油发电机组的柴油机在结构上相对比较软，容易产生机体变形。对于样机的底座机构形式，已经经过试验验证其结构可以满足使用要求。对于更改后的公共底座是否可以满足要求，需要经过计算方可最终确定。

为了验证底座刚度对柴油机机脚以及缸体变形的影响，先对整机机组进行建模处理，整体模型包括柴油机缸体、发电机和公共底座。柴油机发火顺序以及发火间隔角度如图5所示，由图5可以看出：柴油机在工作过程中有两个缸间隔12°进行工作，由于相隔时间比较短，可以认为其是同时进行发火（工作状态更严苛）。

图5 发火顺序

柴油机工作时的爆发压力主要作用在相应的支撑轴瓦上，采用相同的约束方式和边界条件对样机底座和装备底座继续约束，对模型分别进行静力学分析和计算，具体计算结果如表2所示。

由表2可以看出：对于样机底座和装备底座两种情况，在A10-B4缸发火的时候，柴油机机体变形最大，变形量分别为0.036 6 mm与0.032 3 mm（缸口变形最大值约为0.024 4 mm）。由此可见，两种底座对柴油机机体变形影响比较小，并且量值相当。所以，公共底座结构形式的改变对柴油机机体变形的影响并不大，可以满足机组的使用要求。

表2 对比分析

3 结论

根据总体设计单位的要求，对柴油发电机组公共底座的结构形式进行了比较大的改动，为了验证不同形式的公共底座对整个设备的影响，从公共底座自由模态以及机体变形两个方面对其机组进行了分析，得出以下结论：

1）不同形式的公共底座模态振型和频率均有较大的差异，但均满足机组的使用要求；

2）公共底座结构形式的改变对柴油机机体变形的影响并不大，根据样机的使用经验，可以确定改型后的公共底座可以满足使用要求。

[1] 柯常忠, 索海波.ANSYS 优化技术在结构设计中的应用[J].煤矿机械, 2005(1)： 9-11.

[2] 傅志方.振动模态分析与参数识别[M].北京： 机械工业出版社, 1990.

[3] 张海华.冲击载荷作用下船用设备与构件强度评估数值实验研究[D].哈尔滨： 哈尔滨工程大学,2009.

[4] 赵新.船用大型设备抗冲击数值模拟研究[D].哈尔滨： 哈尔滨工程大学, 2008.

[5] 胡仁喜, 徐东升, 李亚东.ANSYS13.0 机械与结构有限元分析从入门到精通[M].北京： 机械工业出版社, 2011.