2018, Vol. 40
浮动核电站是船舶海洋工程和核能工程的有机结合体，其可在海洋资源开发、岛礁能源建设等过程中提供电力、淡水等资源保障。应急柴油发电机组作为核安全级设备，对浮动核电站反应堆的安全起着很重要的作用。由于海洋环境条件复杂，浮动电站上设备基座承受各种静、动态载荷，如设备的自重及持续外部机械载荷，风浪流引起的船体倾斜及摇摆，水下非接触爆炸对基座的冲击载荷等[1]，其中冲击载荷对基座结构产生的破坏作用尤其明显。因此，为提高设备的抗冲击性能，基座的抗冲击性能受到高度关注。吴广明等[2]采用时间历程法分析了基座面板及纵向腹板厚度对基座抗冲击能力的影响。冯维等[3]利用Ansys软件研究了用于舰船基座抗冲击计算方法。
基于上述研究，本文采用Ansys软件建立应急柴油发电机组有限元模型，并根据德国军标BV/0430冲击安全性[4]中规定的冲击谱和时间历程分析法对应急柴油发电机组基座进行抗冲击计算。
1 抗冲击分析方法目前用于结构设计的抗冲击计算方法主要有静G法、谱分析法和时间历程法。静G法是将动载荷等效为一定倍数的重力加速度载荷，并用静态方法进行强度校核。
1.1 谱分析法谱分析法是将设计冲击谱作为系统的冲击输入，并对系统数学模型进行模态分析，对模态分析结果进行合成，从而求得系统的冲击响应。根据给定的设计冲击谱、计算的参与因子、模态质量、模态振型和节点质量，即可得出设备上每阶模态的等效静载荷列向量，采用静力方法计算应力和变形，通过对各阶模态解的合成可以得出设备上的应力分布和变形。抗冲击计算常用的谱分析法有2种：BV/0430冲击安全性中规定的冲击谱和DDAM中使用的冲击谱[3]。本文采用BV/0430中的冲击谱进行谱分析，使用平方和开根号（SRSS）的模态合成方法。
BV/0430中规定的冲击谱为三折线谱，低频下冲击谱认为是等位移谱，中频冲击谱认为是等速度谱，高频下冲击谱认为是等加速度谱。常采用四维坐标描述冲击谱，其中以速度谱作为纵坐标，频率作为横坐标，与横坐标成+45°的坐标系表示位移谱值，与横坐标成–45°的坐标系表示加速度谱值[5]。
当设备重量大于5 t时，冲击响应值表示为[4]：
| $\begin{array}{l} {d_0} = 40\;{\rm{mm,}}\;\;{V_0} = 5 \times {\left( {\frac{M}{5}} \right)^{ - 0.4}}\;{\rm{m}}/{\rm{s,}}\\ {a_0} = 200 \times {\left( {\frac{M}{5}} \right)^{ - 0.537}}g. \end{array}$ | (1) |
式中：
由式（1）计算得到浮动核电站柴油发电机组基座的垂向设计冲击谱如图1所示。
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图 1 设计冲击谱（垂向） Fig. 1 Design shock spectrum (vertical) |
时间历程法是规定系统承受某一冲击的时间信号，将其作为冲击输入，以计算系统的冲击响应，该时间信号由压力、速度或加速度作为时间函数所定义。
根据BV/0430中的规定，对于机械冲击载荷，只要未规定其他的输入激励时间历程，就可用三角形变化历程进行验证计算。转换关系表示为：
| $\begin{array}{l} {a_2} = 0.6 \cdot {a_0},{V_2} = 0.75 \cdot {V_0},{t_3} = 2 \cdot {V_2}/{a_2},{t_2} = 0.4 \cdot {t_3}\\ {t_5} - {t_3} = \frac{{6 \cdot {d_0} \cdot 1.05 - 1.6 \cdot {a_2} \cdot t_3^2}}{{1.6 \cdot {a_2} \cdot {t_3}}},{a_4} = - {a_2} \cdot {t_3}/\left( {{t_5} - {t_3}} \right),\\ {t_4} = {t_3} + 0.6 \cdot \left( {{t_5} - {t_3}} \right). \end{array}$ | (2) |
根据式（2）对冲击谱进行转换，得到加速度时间历程曲线。为方便在机组模型上施加冲击激励，对加速度波形曲线进行2次时间积分，分别得到冲击速度和冲击位移时间历程曲线，如图2所示。进行瞬态动力学分析时，通过对机组下方减振器施加位移载荷，模拟环境（机组下方基础）的冲击作用。
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图 2 冲击时程曲线（竖向） Fig. 2 The shock-load time-history curve (vertical) |
基于有限元方法，分别采用Spectrum谱分析法和Transient瞬态分析法对基座进行抗冲击计算。当进行瞬态响应分析时，质量阻尼系数alpha=0.51，刚度阻尼系数beta=0.0001。
2.1 机组结构特点及有限元模型某应急柴油发电机组中柴油机和发电机采用一体化基座进行弹性安装，如图3所示，柴油机与发电机采用弹性联轴器连接，柴油机通过隔振器固定在基座上，发电机通过高强度螺栓固定在基座上，整个基座通过减震器安装在船体结构上。根据机组的重心、重量分布特点，基座左右两侧各设置有10组相同刚度、阻尼的减振器，柴油机左右两侧各设置4组隔振器。减振器、隔振器、联轴器的相关技术参数如表1和表2所示。其中减振器和隔振器的垂向具有非线性特征，减振器弹性特征如图4所示，隔振器弹性特征如图5所示。
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图 3 柴油发电机组安装结构示意图 Fig. 3 Structure schematic diagram of the gen-set |
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表 1 减振器技术参数 Tab.1 Technical parameters of the buffer |
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表 2 联轴器技术参数 Tab.2 Technical parameters of the coupling |
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图 4 基座减振器弹性特征 Fig. 4 Spring characteristics of base frame buffer |
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图 5 柴油机隔振器弹性特征 Fig. 5 Spring characteristics of the gen-set buffer |
基座为箱型结构，为保证其结构强度和刚度，结构上设置有加强筋板，材料为Q345。图6为柴油发电机组有限元模型，其中发电机转子轴方向为纵向（模型中x向）；竖直方向为垂向（模型中z向）；横向（模型中y向）通过右手定则确定。由于发电机和柴油机的刚度远大于基座，发电机和柴油机采用刚体模拟，建立质量单元MASS21，赋予重量、转动惯量属性；基座为板壳式结构，采用SHELL63壳单元模拟；减振器、隔振器、联轴器均属于弹性元件，结构比较复杂，在Ansys中没有对应的单元。单个减振器、隔振器简化成垂向非线性弹簧阻尼器和2个水平方向（横向和纵向）的线弹性弹簧阻尼器，联轴器简化成具有横向、纵向、垂向拉压刚度和扭转刚度的线弹性弹簧阻尼器，线性弹簧阻尼器采用COMBIN14单元模拟，非线性弹簧阻尼器采用COMBIN39单元模拟。因此，每个减振器和隔振器均包含2个COMBIN14单元和1个COMBIN39单元，每个联轴器包含6个COMBIN40单元。连接螺栓采用BEAM189单元模拟，模型共有132 459个单元。
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图 6 柴油发电机组有限元模型 Fig. 6 Finite element model of the gen-set |
机组直接刚性的安装在船体上，有利于保证安装精度，安装简便易行。但是由于冲击载荷比静载荷大的多，冲击载荷直接加载在基座上，使基座产生巨大的应力应变。
谱分析和瞬态分析下，基座结构最大等效应力分别为708.015 MPa和586.939 MPa，远大于材料许用应力，应力较大点主要位于发电机安装机脚、箱型梁腹板上。计算结果表明，谱分析比瞬态分析下的计算结果偏保守；基座刚性安装无法满足抗冲击性能要求。
2.3 基座弹性安装分析结果 2.3.1 基座应力结果在柴油发电机组基座下方安装合适刚度和数量的减振器，并采用合理的布置形式。谱分析和瞬态分析下，基座结构最大等效应力为557.926 MPa和285.612 MPa。结果表明，谱分析下应力超过材料屈服强度，瞬态分析结果小于材料屈服强度，应力较大点主要位于柴油机安装座基座和中间腹板上，应力云图如图7和图8所示。在设计基座时应对薄弱环节处腹板、面板结构进行适当加厚，增强基座的承载能力。
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图 7 谱响应分析下基座应力云图 Fig. 7 Stress contours of base frame with spectrum response analysis |
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图 8 瞬态响应分析下58.989 ms时基座应力云图 Fig. 8 Stress contours of base frame on 58.989 ms with transient response analysis |
冲击作用下，应保证各个减振器的变形偏差值较小并在工作行程内工作。基座下方20个减振器在4个时刻点（t2，t3，t4，t5）下变形曲线如图9所示。可知，各个减振器冲击下的变形、受力较为均匀，且减振器的变形一直处于工作行程内（–25 mm/+10.0 mm），不会发生“触底”或损坏，满足隔振器安全工作要求。
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图 9 各减振器变形曲线 Fig. 9 Deformation curve of 1th-20th buffers on 4 time points |
为了分析减振器刚度对基座抗冲击强度的影响，分别对减振器取不同刚度进行对比分析。在相同的冲击载荷、相同的基座结构，不同的减振器垂向刚度下，基座最大应力值如表3所示。
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表 3 不同刚度减振器下基座最大应力值 Tab.3 Maximum stress value of the mounting under different stiffness buffer |
计算结果表明，减振器的刚度对基座抗冲击强度有较大的影响。相同条件下，减振器垂向刚度越大，则基座承受的应力越大，刚度过小会导致机组在冲击中振动幅度过大，影响机组运行安全。
2.5 隔冲系统对隔冲效率的影响消极隔冲系统被设计用来防止周围环境的冲击传到设备及其附件上。合理的隔冲系统能隔离绝大部分冲击，使传递到设备上的加速度大幅度减小。
隔冲系统加速度传递率表示为：
| ${T_A} = \frac{{{\varGamma _M}}}{{{\varGamma _0}}}{\text{，}}$ | (3) |
隔冲效率表达式为：
| $I = 1 - {T_A}{\text{。}}$ | (4) |
式中：
本节对比柴油机单层隔振（柴油机刚性安装在基座上）和双层隔振（柴油机弹性安装在基座上）下系统的隔冲效率。2种情形下，柴油机的加速度响应曲线分别如图10和图11所示。
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图 10 单层隔冲系统下柴油机加速度曲线 Fig. 10 Diesel acceleration curve under single layer shock isolation system |
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图 11 双层隔冲系统下柴油机加速度曲线 Fig. 11 Diesel acceleration curve under double layer shock isolation system |
分析可知，计算得到单层和双层隔冲系统的隔冲效率分别为10.6%和18.3%。采用双层隔冲系统，可以进一步减小柴油机及其附件的加速度幅值，有利于柴油机的安全运行。
3 结 语本文采用谱分析法和时间历程分析法对浮动核电站某应急柴油发电机组的基座进行抗冲击计算。根据分析结果，得出如下结论：
1）安装减振器可以有效降低基座结构应力，提高机组的抗冲击性能；
2）减振器的刚度大小对基座的抗冲击强度有较大影响，应根据结构特点选择合理刚度的减振器；
3）通过双层减振，可以进一步降柴油机及其附件的冲击加速度，有利于柴油机的安全运行；
4）根据BV/0430规范对基座进行抗冲击分析设计，计算结果可以为浮动核电站应急柴油发电机组基座结构优化设计、减振器选型、减振器布置设计提供一定参考。
| [1] |
张强, 何朝勋, 杨建军. 应用ANSYS的DDAM方法进行舰船设备的抗冲击计算[J]. 舰船科学技术, 2011, 33(12): 42-50. DOI:10.3404/j.issn.1672-7649.2011.12.009 |
| [2] |
吴广明, 梅永娟, 朱新进, 等. 某柴油机基座结构抗冲击计算[J]. 中国舰船研究, 2006, 1(4): 41-43. DOI:10.3969/j.issn.1673-3185.2006.04.009 |
| [3] |
冯维, 李为, 吴广明. 基于ANSYS的舰船基座抗冲击计算方法研究[J]. 上海造船, 2009, 2(78): 7-13. |
| [4] |
BV/0430, 冲击安全性(前联邦德国国防军舰艇建造规范)[S]. 北京: 中国舰船研究院科技发展部, 1998.
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| [5] |
王珂, 尹群, 嵇春艳. 典型水面舰船冲击环境仿真研究[C]//船舶结构力学学术会议, 2005.
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