0 引　言

船舶发动机消声器是船舶内燃机排气系统的核心组成部件，除实现降噪、净化排气的功能外，还需长期承受复杂航行工况下的多种冲击载荷。船舶航行过程中，消声器需承受机械振动冲击、船体颠簸冲击、波浪冲击，以及排气高温引发的热冲击耦合作用，其结构完整性与抗冲击性能直接决定船舶发动机整机的运行可靠性、使用寿命及船舶航行安全性。消声器若在冲击载荷下发生壳体开裂、吊耳断裂、隔板变形等结构失效，不仅会导致排气噪声超标、排气系统泄漏，严重时还会引发发动机故障，影响船舶正常航行，造成重大经济损失。

当前船舶发动机消声器抗冲击性能评估主要依赖传统台架冲击试验，该方法虽能直观反映结构抗冲击能力，但存在试验成本高、测试周期长、工况模拟不全面、难以捕捉瞬态冲击响应细节等问题，难以满足批量产品设计校核与快速优化需求。随着数值仿真技术的快速发展，有限元仿真已成为结构抗冲击性能研究的主流手段。动态设计分析方法（Dynamic Design Analysis Method，DDAM）基于冲击谱理论，适配复杂结构，计算精度与求解效率较高，已广泛应用于航空航天、船舶等领域的结构抗冲击仿真研究，可为船舶复杂部件抗冲击设计提供高效精准的技术支撑。将DDAM方法应用于船舶发动机消声器抗冲击性能仿真，可有效解决传统试验的局限性，实现消声器冲击响应的精准模拟与薄弱部位的快速识别，对提升消声器结构设计合理性、降低研发成本、保障船舶发动机整机可靠性具有重要的理论意义与工程应用价值。

在船舶发动机消声器领域，国外研究团队重点关注多场耦合工况，基于DDAM方法建立消声器高精度有限元模型，优化冲击谱选取、边界约束建模等关键技术，形成完善的仿真、验证与优化流程，能够精准捕捉消声器在冲击载荷下的瞬态响应规律与结构失效模式，为消声器抗冲击结构设计提供可靠支撑。国内对船舶发动机消声器的研究多集中于声学性能优化、振动疲劳寿命分析，针对消声器抗冲击性能的系统性仿真研究相对滞后。云霞等^[1]研究了船用柴油机消声器的抗冲击性能，但该研究未充分考虑船舶实际航行中的复杂冲击工况，仅采用单一冲击载荷模拟，且模型简化过度，忽略了消声器壳体、隔板的结构细节与应变率效应，导致仿真结果与实际工况偏差较大，无法精准反映消声器的真实抗冲击能力；韩旭等^[2]、李泽朝等^[3]分别研究了进油工况、无进油工况下的主轴承抗冲击特性，其采用的冲击仿真分析思路与消声器抗冲击研究有一定相通之处，但主轴承与船舶发动机消声器的结构形式、受力特点差异显著，主轴承以点接触受力为主，而消声器为壳体-隔板组合结构，受冲击时呈现整体瞬态响应与局部应力集中并存的特征，因此其研究方法无法直接迁移应用于消声器抗冲击仿真；曹健等^[4]、汤传贵等^[5]提出使用DDAM方法对机械冲击方面的相关应用进行研究，为消声器抗冲击仿真提供了方法参考，但该研究未针对船舶发动机消声器的结构特殊性进行适配优化，仅直接套用通用机械部件的DDAM建模流程，未考虑消声器吊耳的连接方式、隔板的支撑约束等核心结构特性，导致DDAM方法的高精度优势未得到充分发挥。

综合可以发现，现有相关研究多采用传统瞬态动力学方法开展消声器冲击仿真，未充分考虑船舶发动机消声器结构特点与船舶实际航行冲击工况的适配性，模型简化过度、冲击工况模拟单一，且忽略应变率效应与接触关系，导致仿真结果精度不足，难以精准指导工程设计。部分研究虽引入DDAM方法，但多直接套用通用建模流程，未结合船舶发动机消声器壳体、隔板、吊耳等核心部件的结构特性，导致DDAM方法的优势未得到充分发挥，无法精准捕捉消声器在船舶复杂冲击载荷下的薄弱部位与失效机制，难以满足工程实际对船舶发动机消声器抗冲击性能的设计要求。针对当前船舶发动机消声器抗冲击仿真研究的不足，本文以DDAM动态设计分析方法为核心，对船舶发动机消声器抗冲击性能进行仿真研究，对消声器多工况冲击响应仿真与薄弱部位识别，明确消声器在不同冲击方向、不同冲击强度下的瞬态响应规律，精准定位结构薄弱区域并分析其失效模式。

1 基于DDAM的船舶发动机消声器建模与仿真 1.1 研究对象结构与参数确定

本文为开展基于DDAM的船舶发动机消声器抗冲击性能仿真研究，选取某型船用低速柴油机消声器作为具体研究对象，明确其核心结构组成及详细参数，为后续有限元建模、仿真分析奠定坚实基础。该消声器整体为圆柱形结构，各核心部件参数及连接方式如下：壳体采用Q345钢材质，外径为$ \phi $560 mm、壁厚为8 mm、总长度为1800 mm；配备2根内插管，直径分别为$ \phi $150 mm和$ \phi $200 mm，壁厚均为6 mm，长度对应为1200 mm和1500 mm；设置3块穿孔板，厚度为5 mm、孔径为$ \phi $8 mm、孔间距为20 mm，分别安装于消声器前段、中段、后段，板间间距为500 mm；2块厚度为10 mm的隔板通过满焊与壳体连接，将消声器内部分隔为3个消声腔，腔室高度依次为400、600、800 mm；顶部焊接2个16a型槽钢吊耳，每个吊耳长度为200 mm，与壳体焊接长度为150 mm；两端配备2个DN560型法兰，法兰厚度为12 mm。梳理各部件焊接、螺栓连接的具体方式，重点保留吊耳根部、隔板与壳体焊接处等受力关键特征，明确建模核心对象，确保所建模型能够精准反映消声器实际受力特性，为后续多工况冲击响应仿真与薄弱部位识别提供可靠的模型支撑^[6]。

通过试验测试获取各部件材料力学参数，结合DDAM计算要求，消声器具体参数如表1所示。

1.2 三维几何模型构建与网格划分

基于DDAM建模要求，遵循非受力关键结构简化、受力核心区域保留的原则，利用SolidWorks软件构建船舶发动机消声器三维几何模型，采用Ansys Workbench软件进行网格划分（见图1），选取适配DDAM仿真的壳单元（SHELL181）与实体单元（SOLID185）结合的方式：壳体、穿孔板、内插管采用SHELL181壳单元，单元厚度与各部件实际壁厚一致；吊耳、隔板、法兰采用SOLID185实体单元，确保受力集中区域计算精准。网格划分采用自由网格与映射网格结合，整体网格尺寸设置为10 mm，对吊耳根部、法兰连接面、隔板焊接处等受力集中区域进行局部网格加密，加密后网格尺寸为3～5 mm，最终生成网格单元总数约12.6万个，节点总数约28.3万个。

1.3 基于DDAM的模态分析

DDAM是船舶结构抗冲击性能仿真中常用的分析方法，核心用于评估船舶设备在水下爆炸、航行冲击等动态载荷作用下的结构响应与抗冲击能力，适用于船舶发动机消声器这类舰载设备的抗冲击性能分析。该方法基于模态叠加原理，通过将冲击载荷转化为冲击谱，结合结构模态特性，求解结构在冲击载荷作用下的瞬态响应，能够精准计算结构的应力、位移分布及时间历程曲线，为薄弱部位识别、失效分析及结构优化提供可靠依据。

本文采用DDAM开展消声器抗冲击仿真，核心流程包括：首先通过模态分析获取消声器固有频率与振型特征，规避共振风险；其次结合船舶实际航行冲击场景，设计合理的冲击谱与仿真工况；最后通过Ansys Ls-dyna显式动力学求解器，求解不同工况下的冲击响应，输出应力、位移等核心数据，完成后续分析。该方法兼具计算精度与效率，能够有效模拟消声器在实际冲击环境下的受力状态，满足舰载设备抗冲击性能评估的工程需求。

模态分析是基于DDAM的船舶发动机消声器抗冲击性能仿真的基础环节，核心目的是获取消声器前10阶固有频率与振型特征，识别结构共振风险点，为后续DDAM冲击谱选取、冲击响应计算及仿真工况设计提供可靠依据，避免因共振现象导致结构失效，保障整个仿真过程的精准性与合理性。模态分析采用Ansys Workbench模态分析模块，求解类型设定为自由模态，求解阶数确定为前10阶，选用Lanczos算法进行求解，为确保求解精度，收敛准则设定为：位移收敛精度1×10⁻⁶，力收敛精度1×10⁻⁶，迭代次数上限100次，通过严格的求解参数设置，确保模态分析结果的可靠性。

采用上述参数设置，通过Ansys Workbench完成船舶发动机消声器模态求解，最终得到前10阶固有频率，范围为12.3～89.7Hz，各阶振型特征清晰、分布合理，可分为三大类振动形态：

1）1～3阶为消声器整体振动，分别对应纵向弯曲、横向摇摆、垂向上下振动，该类振动主要体现消声器整体结构的动态响应特性，振动范围覆盖整个消声器壳体及核心部件，是影响消声器整体抗冲击性能的关键振动形态；

2）4～6阶为壳体局部振动，涵盖前段、中段、后段的局部振动，振动主要集中在壳体表面，无明显跨部件耦合现象，反映出壳体不同区域的刚度差异；

3）7～10阶为耦合振动，重点包括吊耳与壳体连接处、隔板与内插管的耦合振动及双吊耳对称振动、隔板弯曲振动，该类振动涉及多个部件的协同响应，易在连接部位产生应力集中，是后续冲击响应分析需重点关注的振动形态。

为验证消声器结构设计的合理性及后续冲击仿真的可行性，结合船舶实际航行过程中的冲击激励频率范围进行共振风险验证，船舶常规航行状态下冲击激励频率为5～50 Hz，恶劣海况下冲击激励频率为40～100 Hz，对比消声器前10阶固有频率（12.3～89.7 Hz）可知，二者无重叠区域，表明消声器结构共振失效风险较低，无需进行共振规避优化。同时，模态分析得到的固有频率与振型数据，可为后续DDAM冲击谱的合理选取提供数据支撑，确保冲击谱频率范围与消声器固有频率避开共振区间，进一步提升冲击仿真的准确性。

2 基于DDAM的仿真结果与分析 2.1 基于DDAM结果的薄弱部位识别与失效分析

结合前文模态分析结果，冲击谱选取严格遵循《船舶设备抗冲击要求》（BV0430标准），结合船舶发动机消声器实际安装姿态与航行冲击场景，设计3个冲击方向（纵向、横向、垂向）及3种冲击强度（低强度5g、中强度10g、高强度15g）的仿真工况，通过Ansys Ls-dyna求解器完成各工况下的冲击响应仿真，基于仿真结果开展薄弱部位识别与失效分析。结合应力分布、变形结果及模态特性，基于DDAM抗冲击性能评价指标（最大Mises应力≤屈服强度345 MPa、最大位移≤4.0 mm），识别出消声器3处薄弱部位，如图2所示，核心数据及失效分析如下：

1）吊耳根部。所有工况中均为应力集中最明显区域，高强度纵向冲击下最大应力428 MPa，超出Q345钢屈服强度345 MPa，属于强度失效；中、低强度冲击下应力286～365 MPa，接近屈服强度，存在潜在失效风险，失效原因主要为吊耳与壳体焊接处受力集中，焊接面应力传递不均。

2）法兰连接处。高强度横向冲击下最大应力369 MPa，超出屈服强度，属于连接失效；中、低强度冲击下应力248～322 MPa，无明显失效，但存在应力集中，失效原因是法兰螺栓孔分布不均，冲击载荷下受力失衡。

3）隔板与壳体焊接处。高强度垂向冲击下最大应力395 MPa，超出屈服强度，属于连接失效；中、低强度冲击下应力265～338 MPa，无明显失效，失效原因是隔板厚度较薄（10 mm），冲击载荷下弯曲变形导致焊接处应力集中。

2.2 冲击参数影响规律分析

为系统分析船舶发动机消声器在不同冲击方向、不同冲击强度下的瞬态响应规律，本次选取消声器两处核心应力集中部位开展冲击参数影响规律对比分析，分别为吊耳根部（纵向冲击下薄弱部位）和法兰连接处（横向冲击下薄弱部位），通过对比二者在对应冲击方向、不同冲击强度下的位移响应规律，明确冲击参数对不同薄弱部位的影响差异，为后续针对性优化提供依据。

本次分析均输出两处部位在对应冲击方向3种不同冲击强度（低强度80g、中强度150g、高强度220g）下的位移-时间历程曲线数据，数据均为连续采集，图3为吊耳根部在不同纵向冲击强度下的位移随时间变化曲线，图4为法兰连接处在不同横向冲击强度下的位移随时间变化曲线。

结合图3和图4曲线，可清晰看出法兰连接处的位移变化规律与吊耳根部存在显著差异，主要表现在：

1）峰值出现时间差异。法兰连接处位移峰值出现时间为3.2 ms左右，远早于吊耳根部（4.0～6.0 ms），表明法兰连接处对横向冲击的响应更灵敏，受冲击后能快速达到最大位移，这与法兰为连接部件、刚度分布不均的结构特性相关。

2）位移增长及回落速率差异。法兰连接处位移增长速率更快，低强度冲击下2.0 ms即可达到0.703 mm，接近吊耳根部4.0 ms的位移值（1.003 mm）；卸载阶段回落速率更缓，20.0 ms时仍有0.187～0.618 mm的残余位移，而吊耳根部20.0 ms时位移已降至0.075～1.108 mm，且无明显残余位移，这是由于法兰螺栓连接存在一定间隙，冲击后易产生残余变形。

3）强度相关性差异。法兰连接处位移与冲击强度的正相关性更显著，高强度横向冲击下最大位移2.803 mm，是低强度冲击下最大位移（0.835 mm）的3.36倍；而吊耳根部高强度冲击最大位移仅为低强度的2.13倍，表明法兰连接处的位移响应受冲击强度影响更明显。

4）抗冲击裕度差异。法兰连接处在3种冲击强度下的最大位移均未超出允许范围，但高强度冲击下最大位移（2.803 mm）已接近吊耳根部高强度冲击位移（2.314 mm），法兰连接处虽位移未超标，但结合应力状态，其抗冲击裕度低于吊耳根部，进一步验证了法兰连接处作为薄弱部位的合理性。

3 结　语

本文针对船舶发动机消声器抗冲击性能传统评估方法的局限性，将DDAM动态设计分析方法应用于消声器抗冲击仿真研究，对提升消声器结构设计合理性、降低研发成本、保障船舶发动机整机运行可靠性具有重要的理论意义与工程应用价值。研究成果可广泛应用于船用发动机消声器的抗冲击设计、薄弱部位优化、批量产品校核等场景，为船舶动力系统核心部件的抗冲击性能提升提供技术支撑。

1）通过构建适配DDAM仿真的船舶发动机消声器有限元模型，结合模态分析明确了消声器的固有频率与振型特征，验证了该消声器结构共振风险较低，为后续抗冲击仿真的精准开展奠定了可靠基础。

2）基于DDAM方法完成了消声器在多冲击方向、多冲击强度工况下的瞬态响应仿真，仿真结果表明消声器核心薄弱部位的应力与位移响应规律呈现显著差异性，分析认为这与该处结构形式、连接方式及受力特性的差异直接相关，精准识别出吊耳根部与法兰连接处等关键危险区域，明确了各薄弱部位的失效模式及动态响应特征。

3）仿真结果显示吊耳根部在纵向冲击工况下与法兰连接处在横向冲击工况下的位移响应规律差异显著，分析认为该差异由二者结构形式、连接方式及受力特性不同共同导致。上述差异为后续针对性优化消声器抗冲击性能提供了明确方向：针对吊耳根部应重点优化焊接工艺以缓解应力集中，针对法兰连接处应优先优化螺栓分布及连接刚度，以减少残余变形与应力失衡。