基于APDL的軸系校中計算

張興濤 蔣嵐嵐

摘要：本文介紹了軸系合理校中的必要性以及基于APDL的校中計算方法，并通過對比計算結果，說明該計算方法是完全適用的。

關鍵詞：軸系校中；APDL；有限元；節點；軸承反力系數；頂舉系數

Shafting Alignment Calculation Based on APDL

ZHANG Xingtao1, JIANG Lanlan2

( 1.CCS Guangzhou Plan Approval Center, Guangzhou 510235; 2.Guangzhou Marine Engineering Corporation, Guangzhou 510250 )

Abstract: This paper introduces the necessity of shafting alignment and the calculation method based on APDL. By comparing the calculation results, it is proved that the method is completely applicable.

Key words: Shafting alignment;APDL;Finite element; Node;Bearing force reaction influence;Jack correction factor

1前言

隨著船舶的大型化及對推進效率的更高要求，螺旋槳的尺寸和重量顯著增加。如果將軸系安裝成直線，往往會使尾管后軸承的載荷非常嚴重，軸系上各軸承的負荷分配也不均勻。為改善軸系各軸承上負荷的分配，廣泛采用合理校中技術，即按限定的負荷、應力、轉角等約束條件，計算出各個軸承合理的垂向位置，人為地把軸線調整成曲線狀態，以使軸承上的負荷合理分配。

目前，軸系合理校中基本都采用靜態校中。靜態校中假定軸系各個軸承為剛性支點，推進軸系視為剛性鉸支上的連續梁。靜態校中一般考慮軸系的三種狀態——熱態、冷態、安裝狀態。常用的計算方法有三彎矩法、遷移矩陣法和有限元法。

ANSYS是大型通用有限元軟件，其APDL（即ANSYS Parametric Design Language的縮寫）功能可提供完成建立模型、施加約束和載荷、求解以及后處理的命令。它除具備一般程序語言的功能外，擴充了傳統有限元分析范圍之外的能力，如參數化建模、宏、標量、向量及矩陣運算、分支、循環、以及訪問ANSYS有限元數據庫等。利用APDL進行軸系校中計算，能充分地運用ANSYS的有限元分析、批處理、后處理等能力。具體過程，以下作詳細論述。

2建模

對軸系本體部分采用BEAM188梁單元模擬。BEAM188單元是三維梁單元，每個節點具有六個自由度：UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ，可以滿足校中計算的要求。設置不同的梁截面，可以模擬不同直徑的軸結構。

APDL 命令的編寫一般是基于TXT 文本編輯器環境下操作的。通常工程比較龐大時，要求輸入的用于生成節點、單元，定義單元屬性、邊界條件、荷載等相關命令代碼就會相當多，在 TXT文本編輯器環境下操作變得繁瑣。用Excel軟件輔助生成ANSYS中APDL代碼的方法，可提高建模效率。

按表1中的方式在EXCEL表里填寫數據。把每個雙線框里的數據和字母選取，復制到Microsoft Word->菜單“編輯（S）”->“全選（L）”->菜單“表格（A）”->“轉換（V）”->“表格轉換成文本（B）”->“逗號（M）”。對需要換行的地方進行回車操作后，即得到節點和截面的APDL代碼。以同樣的

在軸承處加載邊界條件，約束UY、ROTX、ROTZ自由度。螺旋槳、飛輪或大齒輪重量作為集中載荷施加在部件所在的節點上。對全局施加重力加速度。根據校中計算需要，在直線校中、冷態、熱態計算時，UZ自由度約束在Z軸方向的變位不盡相同，故在求解時對UZ單獨處理。本文以一艘5000噸級油船的軸系為例，用APDL進行有限元分析，模型如圖1。

根據規范要求，校中計算應包括冷態工況、熱態工況下軸系合理校中時的軸承變位值、軸截面的變矩或彎曲應力、剪力、轉角、軸承負荷。利用APDL命令或APDL中的數學計算很容易得到需要的數據。

按規范要求，安裝狀態下應提供各對法蘭的偏移和開口值。

安裝狀態下的計算，需對數據模型稍作修改。在法蘭聯接處，設置兩個節點，分別跟前一個節點和后一個節點建立沒有關聯的兩個單元。在外加集中載荷和重力的作用下，求解可得到各對法蘭的偏移和開口值。安裝狀態下，變形位移如圖2。

COMPASS是中國船級社開發的船舶工程計算軟件，廣泛應用于船舶設計和審圖工作。以5000噸級油船的軸系為例，任意選取兩組數據對比COMPASS和APDL的計算結果，如表2、表3：

[1]趙汝斌, 鄒春平. 船舶動力裝置安裝工藝學. 北京: 國防工業出版社, 1995

[2] 夏云根. Excel在ANSYS建模中的應用. 第五屆中國CAE工程分析技術論文集

[3] 博弈創作室. 編著. APDL參數化有限元分析技術及其應用實例. 北京:中國水利水電出版社, 2004