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　　為了研究磁力軸承部件在艦船中的可運(yùn)行性，采用有限元法對(duì)具有不同剛度的磁力軸承電機(jī)在水下爆炸沖擊作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和軸的受力進(jìn)行了分析；分析表明，在沖擊作用下，電機(jī)和磁力軸承上的受力同軸承剛度密切相關(guān)，因此在艦船磁力軸承部件的設(shè)計(jì)必須采用合適的力學(xué)模型來考慮沖擊作用，所得結(jié)論對(duì)磁力軸承在艦船上的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供了一定參考。
　　在艦船軸系中，軸承是其至關(guān)重要的組成，確保軸系在各種工況下正常運(yùn)行，并且應(yīng)具有隔音、減振、減噪等功能。目前艦船上多使用水潤滑橡膠軸承，但是這種軸承存在鳴音問題，并不適用于隱蔽性較高的艦船，特別是常規(guī)潛艇。磁力軸承由于具有無接觸、無需潤滑、高精度、高轉(zhuǎn)速、功耗小等優(yōu)點(diǎn)翻，在艦船上的應(yīng)用已經(jīng)得到了越來越多的重視。對(duì)于磁力軸承部件而言，軸承的剛度是影響電機(jī)系統(tǒng)可控性和穩(wěn)定性的重要因素，這在必須考慮水下爆炸沖擊作用的艦船轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備中顯得尤為重要。按照現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范，磁力軸承如要應(yīng)用到艦船上的主要設(shè)備，在設(shè)計(jì)上必須要保證在水下爆炸沖擊作用下，軸系能夠保持結(jié)構(gòu)完整性，并且能夠在沖擊后正常工作。當(dāng)前關(guān)于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的研究工作十分有限。關(guān)岱杉等㈧采用有限差分法求解動(dòng)載滑動(dòng)軸承雷諾方程，并使用接觸力學(xué)分析得到了沖擊作用下油膜壓力的分布，以及軸承與軸頸接觸表層的應(yīng)力，以此對(duì)工程設(shè)計(jì)提供參考。祝長生等采用有限元法研究了磁力軸承失效后與備用軸承的相互碰撞。在國外，關(guān)于各種轉(zhuǎn)子一軸承系統(tǒng)在地震載荷或者沖擊激勵(lì)作用下的響應(yīng)和穩(wěn)定性的研究已經(jīng)開展了很長時(shí)間，其中大部分均基于有限元方法。最近，An Sung Iee等采用有限元方法，推導(dǎo)了單轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在沖擊作用下的時(shí)程分析方程，并進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)響應(yīng)與沖擊載荷的作用時(shí)間關(guān)系密切，特別是當(dāng)沖擊頻率為1／(2×沖擊時(shí)間)時(shí)，轉(zhuǎn)子的響應(yīng)最明顯，有限元計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果吻合的也相當(dāng)好。在以上已經(jīng)開展的軸承一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的抗沖擊分析研究，大都采用專門開發(fā)的程序進(jìn)行計(jì)算，缺乏工程實(shí)用性，并且大都針對(duì)滑動(dòng)和滾動(dòng)軸承，目前少有發(fā)現(xiàn)關(guān)于磁力軸承的抗沖擊性能研究。另外，這些研究中采用的沖擊載荷多是自定義的沖擊時(shí)程，和艦船環(huán)境下規(guī)范要求使用的沖擊反應(yīng)譜有較大區(qū)別。因此，針對(duì)磁力軸承在艦船環(huán)境中的抗沖擊計(jì)算，必須根據(jù)艦船的特殊環(huán)境和要求進(jìn)行更深入全面的研究。作者通過大型商用有限元軟件ABAQUS，對(duì)某采用磁力軸承的電機(jī)在相關(guān)規(guī)范規(guī)定的水下爆炸沖擊作用下的瞬態(tài)響應(yīng)分析，計(jì)算中考慮了不同軸承剛度對(duì)沖擊結(jié)果的影響。
　　1　計(jì)算模型
　　1.1　有限元模型
　　該文旨在研究軸承剛度對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子一軸承系統(tǒng)在沖擊條件下響應(yīng)的影響，為磁力軸承在艦船上的應(yīng)用提供參考。如果要考慮軸、磁力軸承、電機(jī)、基礎(chǔ)乃至艦船本身，所需要的計(jì)算模型規(guī)模巨大，采用時(shí)程分析在現(xiàn)有計(jì)算條件下幾乎不可能，因此在文中對(duì)磁力軸承系統(tǒng)進(jìn)行了一些合理的簡化。不考慮在艦船中的電機(jī)系統(tǒng)的隔振系統(tǒng)，這樣簡化的結(jié)果將使得電機(jī)的響應(yīng)比實(shí)際情況大，即結(jié)果更加保守；在轉(zhuǎn)子一軸承系統(tǒng)中，當(dāng)受到?jīng)_擊后軸與軸承、保護(hù)軸承之間的碰撞簡化不考慮。另外在沖擊過程中，沖擊載荷的作用時(shí)間一般都極短，因此在計(jì)算中忽略了系統(tǒng)的阻尼和磁力軸承剛度的非線性變化。電機(jī)抗沖擊分析的模型包括機(jī)座筒、端蓋、支座、軸、定子和轉(zhuǎn)子，如圖1(a)所示。真實(shí)結(jié)構(gòu)中，機(jī)座筒、端蓋等均使用預(yù)緊螺栓緊密連接。如果考慮連接螺栓，就需要在電機(jī)各部件之間采用接觸邊界條件、施加螺栓預(yù)緊力等，這些非線性因素將大大增加計(jì)算時(shí)間和成本。因此沒有考慮連接預(yù)緊螺栓的作用，將部件在相鄰面處連為一體，這樣建模使得結(jié)構(gòu)的整體剛度變大，但是由于軸承一轉(zhuǎn)子之間的剛度與電機(jī)匣相比要小得多，這樣的簡化不會(huì)導(dǎo)致電機(jī)系統(tǒng)前幾階自振頻率有明顯的變化，從而對(duì)結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的響應(yīng)影響不大。
　　電機(jī)軸和軸承之間的作用采用彈簧單元模擬，磁力軸承的剛度由控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，一般可以保持在設(shè)定值。阻尼的選擇則取決于剛度，由于沖擊問題中外載作用時(shí)間極短，一般可以忽略阻尼，這樣的結(jié)果也同樣保守。電機(jī)中共有3個(gè)磁力軸承，其中2個(gè)為徑向軸承，1個(gè)為軸向軸承，計(jì)算時(shí)考慮了不同的軸承剛度，包括106N／m、107N／m、108N／m和109N／m。電機(jī)軸材料為合金鋼，電機(jī)風(fēng)罩筒、風(fēng)罩窗及定子等材料為Q235A，端蓋、軸承外蓋和內(nèi)蓋及機(jī)座等材料為球墨鑄鐵QT450-10。
　　根據(jù)部件的幾何特點(diǎn)，采用實(shí)體單元建模，機(jī)座筒、端蓋、支座、軸、定子、轉(zhuǎn)子等均采用四面體單元描述。電機(jī)軸與軸承對(duì)應(yīng)點(diǎn)通過彈簧單元相連，通過設(shè)置不同彈簧單元的剛度，來模擬不同軸承剛度下電機(jī)受到?jīng)_擊作用后的響應(yīng)，阻尼不計(jì)。電機(jī)支座通過4個(gè)地腳螺栓固定在底板上，由于計(jì)算不考慮底座和隔振器，因此計(jì)算中將4個(gè)連接螺栓所在的螺栓孔約束，并在此施加沖擊載荷。這樣施加邊界條件忽略了電機(jī)與底座之間的接觸，計(jì)算結(jié)果更為保守。有限元網(wǎng)格模型如圖1(b)所示，整個(gè)模型共包含81812個(gè)四面體單元，22599個(gè)節(jié)點(diǎn)。
　　1.2　沖擊輸入
　　沖擊載荷采用設(shè)計(jì)沖擊輸入譜的等效加速度時(shí)程。譜分析按照某規(guī)范所規(guī)定的沖擊譜輸入為：小于10Hz，按等位移譜20mm；10～160Hz，按等速度譜，受橫向和垂向沖擊時(shí)為1.22m／s，縱向?yàn)?.61m／s；在計(jì)算中保守取各方向均為1.22m／s；大于160Hz，按等加速度譜125g，該設(shè)計(jì)沖擊譜可用于沖擊譜響應(yīng)分析。但是對(duì)于文中的沖擊計(jì)算，由于要考慮在沖擊過程中不同軸承剛度對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，譜響應(yīng)分析并不適用，因此需要將這個(gè)沖擊譜轉(zhuǎn)換為合適的加速度時(shí)程譜。
　　根據(jù)德國BV0430―85，可以將上述三折線沖擊譜簡化為三角形變化歷程或正弦變化歷程對(duì)設(shè)備進(jìn)行沖擊加載輸入。采用三角形變化歷程簡化。圖2是根據(jù)設(shè)計(jì)沖擊譜得到的等效加速度時(shí)程曲線，可用于時(shí)程響應(yīng)分析。該沖擊加速度譜由正負(fù)兩個(gè)面積相等的三角形組成。
　　2　計(jì)算結(jié)果
　　2.1　系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài)
　　在進(jìn)行沖擊作用下的時(shí)程分析之前，首先對(duì)各個(gè)軸承剛度下電機(jī)系統(tǒng)的自振頻率進(jìn)行了計(jì)算，以此確定主要振動(dòng)模式。不同軸承剛度下的電機(jī)系統(tǒng)模態(tài)如表1所示，當(dāng)外界激勵(lì)輸入接近電機(jī)的各階固有頻率，將導(dǎo)致共振，電機(jī)響應(yīng)會(huì)很大，因此在設(shè)計(jì)磁力軸承電機(jī)的隔振器時(shí)應(yīng)避開這些頻率。
　　當(dāng)軸承剛度較低時(shí)(106N／m和107N／m)，前5階均為電機(jī)軸在電機(jī)內(nèi)的擺動(dòng)，電機(jī)殼體本身的振動(dòng)頻率為226.21Hz。當(dāng)軸承剛度較大時(shí)(109N／m)，電機(jī)軸的擺動(dòng)并不明顯，即電機(jī)軸與電機(jī)殼體、底座之間的連接強(qiáng)度很大，接近于一個(gè)整體。
　　2.2　沖擊作用下有限元計(jì)算結(jié)果
　　在受到沿電機(jī)軸軸向沖擊時(shí)，電機(jī)與軸的相互作用主要由軸向磁力軸承承擔(dān)；對(duì)于整個(gè)電機(jī)而言，其底座處的變形和應(yīng)力比較明顯。當(dāng)軸承剛度為106N／m時(shí)，電機(jī)最大應(yīng)力如圖3(a)所示。電機(jī)上的最大Tresca應(yīng)力為521 MPa，該應(yīng)力包含集中應(yīng)力，電機(jī)底座上的應(yīng)力大部分均小于150MPa。軸承剛度增加到109N／m時(shí)，電機(jī)最大應(yīng)力如圖3(b)所示。電機(jī)上的最大Tresca應(yīng)力為788MPa，同樣位于底座上，為集中應(yīng)力。比較這兩個(gè)結(jié)果，當(dāng)軸承剛度增大，沖擊條件下電機(jī)上的最大應(yīng)力也有較為明顯的增加，應(yīng)力最大位置均位于電機(jī)端座處的結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，這一部分的應(yīng)力主要是集中應(yīng)力，而工程中較為關(guān)注的一次應(yīng)力很小。但是當(dāng)軸承剛度為106N／m時(shí)，軸向軸承上的應(yīng)力較大，在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意此處的強(qiáng)度校核。軸承剛度為109N／m和108N／m的結(jié)果介于上述兩種情況之間。
　　通過計(jì)算用于模擬軸承剛度的彈簧上的受力，可以得到軸與軸承的相互作用力。圖4為4種軸承剛度下，在受到?jīng)_擊后0.1s內(nèi)各軸承和軸的相互作用力，從圖4中可以看到，在軸承剛度很小(106N／m)或者很大(109N／m)的情況下，軸承與軸相互作用力較��；當(dāng)軸承剛度在107N／m時(shí)，該作用力最大。
　　雖然在使用較小的軸承剛度時(shí)，電機(jī)和電機(jī)軸在沖擊載荷作用下的應(yīng)力變形均較小，但是電機(jī)軸的位移較大，計(jì)算結(jié)果顯示在軸承剛度為106N／m和107N／m時(shí)，軸承與電機(jī)軸的相對(duì)位移大于實(shí)際間隙，同時(shí)也大于保護(hù)軸承與軸的間隙。在電機(jī)基礎(chǔ)上安裝隔振器將會(huì)很明顯地減小軸承與軸的相對(duì)位移，在這種情況下，軸承受力與軸承剛度的關(guān)系依然保持上述規(guī)律。
　　3　結(jié)論
　　通過對(duì)某磁力軸承電機(jī)進(jìn)行一定簡化，建立其實(shí)體模型，考慮不同軸承剛度的影響，在時(shí)域上對(duì)其進(jìn)行沖擊加載計(jì)算，分析其結(jié)果可得到以下結(jié)論：
　　a.不同的軸承剛度會(huì)導(dǎo)致不同的沖擊計(jì)算結(jié)果，隨著軸承剛度的增大，電機(jī)和軸上的應(yīng)力也隨之增大，但是軸承一轉(zhuǎn)子的相對(duì)位移變形減��；另外軸承一轉(zhuǎn)子的相互作用力與軸承剛度、沖擊載荷形式和電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，因此艦船中的磁力軸承設(shè)計(jì)必須采用合適的整體來考慮沖擊作用的影響。
　　b.通過增加軸承剛度，或者在電機(jī)底座下安裝隔振器的方法，可以減小軸承與軸的相對(duì)變形。在以后的工作中，應(yīng)考慮保護(hù)軸承的作用和磁力軸承剛度在沖擊過程中的非線性變化；另外應(yīng)選擇具有合適質(zhì)量和剛度的柔性基礎(chǔ)。

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