潜液泵模态分析

　　某型号潜液泵顶部甲板连接部件安装在液货船体上，主管路部件和泵头部件安装在液货舱里。主管路和泵头部分通过 3 个支撑圈与舱体内壁连接。受液货船的结构限制，主管路分为5 段，各段之间通过法兰连接。主管路由同心管和液货管组成，见图 1。

　　图 1 潜液压主管路

　　同心管内层为高压管，通液压马达高压腔; 中间层为回油管，通液压马达回油腔; ***外层为隔离管，与外界隔离，起密封监测作用; 货油管输送液货。隔离管、回油管在分段处法兰连接; 各段高压管之间有套管; 回油管与高压管之间有置导向支撑环。在主管路外部布置监测管和扫舱管，通过管夹连接于货油管外壁。潜液压载泵叶轮轴系转速 1 850 r /min，潜液泵载荷为重力、叶轮轴转矩、叶轮轴向力和径向力、高压管压力、回油管压力、监测管应力、液货管压力等。

　　各部分的材料属性见表 1。

　　划分网格施加约束载荷

　　采用前处理软件 SpaceClaim 对三维模型进行几何清理和简化以后导入 ANSYS 软件，划分网格。得到的有限元模型见图 2。

　　图 2 潜液泵有限元模型

　　采用笛卡尔座标系，X、Z 方向为潜液泵横向，Y 方向为纵向。潜液泵的甲板连接部件和支撑圈的下表面全约束; 支撑圈内部隔套板仅约束横向平移自由度，释放轴向平移自由度和轴向转动自由度; 叶轮传动轴部分与轴承座之间以转动副连接，见图 3。

　　图 3 边界条件示意

　　潜液压泵叶轮轴转速为 1 850 r /min，载荷为结构部分的重力，叶轮力矩 1 018 N·m，叶轮载荷为 Fx = 229. 67 N，Fz = 57. 05 N，Fy = 9 051 N，高压管压力 30 MPa，回油管压力 1. 5 MPa，隔离管压力 0. 15 MPa，见图 4。

　　模态计算

　　有载荷作用的工况下，结构处于应力状态，此时计算的模态成为预应力模态，预应力模态为式中: K 为刚度矩阵; M 为质量矩阵; ωi 为振动频率; φi 为模态。

　　用有限元法计算潜液泵的模态，得到固有频率和振型结果。

　　由于驱动马达的额定转速为 1 850 r /min，此转速下的工作频率为 30. 833 Hz。

　　额定工作频率 ± 10% ( 27. 75 ～ 33. 916 7 Hz)范围内潜液泵结构可能发生共振。取潜液泵在额定工作频率附近的 10 阶振型进行对比，得到振型结果见表 2。

　　为了突出重点，表中列出频率数值和产生振动的部位，振型部位采用零部件的***字作为简称。经分析可知，在额定工作频率 ± 10% 范围内潜液泵有 8 阶振型，高压管上有 2 阶振型，货油管有 1阶振型，监测管有 5 阶振型。监测管振型对潜液泵正常运转影响很小，不予考虑。但高压管和货油管的共振会可能会对潜液泵正常运行产生不利影响，应尽量避免。

　　频率为 30. 48 Hz 和 31. 48 Hz 时，同心管的振型发生在高压管上; 频率为 32. 91 Hz 时，虽然监测管振动位移***大，但同时在管夹部位的货油管局部位移较大，该现象是由于监测管通过管夹将振动传递给货油管产生的。高压管、监测管、货油管振型见图 5。

　　图 5 高压管、监测管、货油管处的振型