船舶軸系靜態(tài)校中有限元模型研究

王 宇，華春梅

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

船舶軸系靜態(tài)校中有限元模型研究

王 宇，華春梅

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

以某型船舶軸系為研究對(duì)象，在實(shí)際軸系尺寸基礎(chǔ)上，基于有限元法對(duì)船舶軸系靜態(tài)校中時(shí)的建模問題進(jìn)行研究。根據(jù)有限元簡(jiǎn)化原則，對(duì)軸系載荷進(jìn)行合理處理，進(jìn)而研究軸系軸承支撐的六種組合工況，建立軸系有限元模型。通過對(duì)模型施加約束和載荷，結(jié)果表明所建模型可以作為進(jìn)一步校中計(jì)算的有限元模型。

船舶軸系；有限元；軸系校中；建模

直線校中計(jì)算是計(jì)算當(dāng)軸系各軸承垂向變位為零，軸系中心線為一條直線時(shí)，軸系的校中狀態(tài)。隨著船舶的大型化，螺旋槳的重量也越來越重，軸系直線校中一般不能滿足軸系正常運(yùn)轉(zhuǎn)的約束條件，通常都采用合理校中。因此，目前直線校中計(jì)算的主要目的是得到軸系各軸承間的負(fù)荷影響系數(shù)以及軸承直線校中時(shí)的支反力，為軸承變位的調(diào)整做準(zhǔn)備。本文主要研究軸系應(yīng)用有限元法進(jìn)行靜態(tài)校中的建模問題。

1 軸系的結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)

某船的推進(jìn)軸系由螺旋槳軸、尾軸、推力軸、中間軸和空分軸等組成，由螺旋槳導(dǎo)流帽的最前端開始，至大功率離合器為止，全長(zhǎng)26.235 m。其中各軸段的尺寸分別如表1所示，軸系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 各軸段尺寸參數(shù) （mm）

圖1 軸系結(jié)構(gòu)圖

2 軸系物理模型的建立

按照模型簡(jiǎn)化原則，根據(jù)軸系結(jié)構(gòu)軸對(duì)稱的特點(diǎn)，軸系可看作為有多個(gè)剛性支承的連續(xù)梁。由于各軸段（如螺旋槳軸、尾軸、推力軸、中間軸、空分軸等）直徑不同，將軸系作為變截面梁處理。

2.1 軸系上載荷的處理

軸系各段的質(zhì)量均視為均勻載荷。其中螺旋槳軸和尾軸浸入海水的軸段需要考慮其所受浮力影響。考慮浮力影響后，軸段自重為在空氣中重量的86.9～87.1%之間，本文螺旋槳軸和浸水段尾軸重量取各自空氣中重量的87%。

螺旋槳的質(zhì)量作為集中載荷處理，其大小應(yīng)扣除水的浮力，其作用點(diǎn)取其自槳葉中線向軸中心線所引垂線的交點(diǎn)。考慮到浮力作用，允許近似取Wp=Wa（0.869～0.871），因此本文取螺旋槳重量為Wp=0.87Wa。

鼓帽鰭的重量依據(jù)螺旋槳重量計(jì)算方法，也取為空氣中重量的87%，作為集中載荷處理。

軸系螺旋槳軸前半聯(lián)軸節(jié)重量、尾軸聯(lián)軸節(jié)重量、中間軸聯(lián)軸節(jié)重量、推力軸法蘭重量、中間軸轂輪重量、大功率離合器重量等都作為集中載荷處理，施加在相應(yīng)軸段的相應(yīng)位置。

2.2 軸系物理模型

軸系簡(jiǎn)化為放置在剛性鉸支座上的連續(xù)梁，梁的長(zhǎng)度由螺旋槳導(dǎo)流帽的最前端開始，此處邊界為自由端，至大功率離合器處軸承為止，此處邊界為固支端，軸系采用三維變截面梁?jiǎn)卧猙eam188來模擬，每個(gè)節(jié)點(diǎn)六個(gè)自由度。

軸系材料參數(shù)取彈性模量E=204 GPa，泊松比μ=0.28。

軸系施加均布載荷和集中載荷。

軸系上各軸承支承處添加實(shí)支座，實(shí)支座處為剛性支承，軸系截面發(fā)生改變處及有集中力作用處添加虛支座，虛支座處軸承負(fù)荷為零。

以螺旋槳導(dǎo)流帽的最前端為坐標(biāo)系原點(diǎn)，軸系的理論中心線為x軸，水平向右為正，過原點(diǎn)垂直軸向上作為y軸的正向，按右手法則得到z軸，z軸以由紙面朝外指向?yàn)檎?/p>

具體模型簡(jiǎn)化如圖2所示。

圖2 軸系模型圖

3 軸系軸承支撐工況的處理

考慮到螺旋槳懸臂作用使軸承實(shí)際壓力中心后移的影響，軸系校中計(jì)算時(shí)，螺旋槳軸承的支點(diǎn)距軸承襯后端的距離S螺旋槳，可在下述范圍內(nèi)選取：

式中l(wèi)螺——螺旋槳軸承的軸襯長(zhǎng)度。

尾軸軸承的有效長(zhǎng)度較長(zhǎng)，而軸承與軸段的實(shí)際接觸是分布在整個(gè)軸承長(zhǎng)度上的，從接近軸系真實(shí)的運(yùn)行情況來看，尾軸軸承的支承點(diǎn)也可以在一個(gè)范圍中選取。

本文分別將螺旋槳軸軸承簡(jiǎn)化為一點(diǎn)支承和兩點(diǎn)支承，根據(jù)式（1） 選取不同的支承位置，同時(shí)改變尾軸后軸承和尾軸前軸承的支承位置，進(jìn)行多種支承點(diǎn)分布工況下的軸系校中計(jì)算，并作比較。推力軸承、2#空分軸承和1#空分軸承均各取兩個(gè)支承點(diǎn)，分別位于各軸承襯的最前端和最后端。軸系各軸承長(zhǎng)度如表2所示。

螺旋槳軸軸承具有一個(gè)支承點(diǎn)時(shí)，螺旋槳軸軸承、尾軸后軸承和尾軸前軸承的支承點(diǎn)位置選定了六種不同的組合工況，如表3所示。表中符號(hào)如圖3所示。

圖3 螺旋槳軸承單點(diǎn)支承時(shí)支承點(diǎn)位置圖

4 軸系有限元模型

由螺旋槳導(dǎo)流帽的最前端開始，至大功率離合器（離合器沿軸系中軸線方向長(zhǎng)880 mm）為止，全長(zhǎng)26.235 m。選取坐標(biāo)系時(shí)，x軸沿軸系的軸線方向，y軸沿徑向向上為正，z軸垂直紙面向外為正。

在建模過程中采用BEAMl88三維有效應(yīng)變單元，BEAMl88單元適合分析從細(xì)長(zhǎng)的到適度短而粗的梁?jiǎn)卧錇閮晒?jié)點(diǎn)線性梁?jiǎn)卧總€(gè)節(jié)點(diǎn)除具有三個(gè)平動(dòng)和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度外，還具有表示扭曲量的第七個(gè)自由度，按照軸系物理模型對(duì)不同截面進(jìn)行創(chuàng)建，無需任何實(shí)常數(shù)定義，創(chuàng)建的有限元模型如圖4所示。設(shè)定軸系的每個(gè)單元大小為0.01 m，分布1到分布6這六種工況中每種工況劃分為2 480個(gè)單元。

表2 軸系各軸承長(zhǎng)度 （mm）

表3 螺旋槳軸承單點(diǎn)支承時(shí)螺旋槳軸尾軸軸承支承點(diǎn)位置

圖4 軸系的有限元模型

表征軸系材料性能的參數(shù)分別為彈性模量E=2.04×1011N/m2，泊松比μ=0.28。

軸系中各軸承支承處假設(shè)為剛性支座，螺旋槳軸承、尾軸后軸承、尾軸前軸承、主減速器軸承各一個(gè)支承點(diǎn)，推力軸承、空分軸承各兩個(gè)支承點(diǎn)，在各軸承的支承點(diǎn)處施加位移約束，具體是：在主減速器軸承處施加固定鉸支座約束，保證該處的x、y、z方向位移都為零，其他軸承處施加可動(dòng)鉸支座約束，保證y、z方向位移為零，而對(duì)軸線方向x方向不予約束。施加約束后軸系如圖5所示。

圖5 軸系約束圖

施加外加載荷是將各軸自重等均布載荷及聯(lián)軸節(jié)、法蘭、螺旋槳、轂帽鰭、鼓輪、大功率離合器等集中質(zhì)量。施加載荷后軸系如圖6所示。

圖6 軸系約束載荷圖

5 結(jié)論

在實(shí)際軸系尺寸基礎(chǔ)上，根據(jù)簡(jiǎn)化原則和載荷的合理處理，建立了軸系物理模型。通過對(duì)軸系軸承支撐的六種組合工況的研究，建立了軸系有限元模型，并通過對(duì)模型施加約束和載荷后的云圖可見，所建模型與實(shí)際軸系特點(diǎn)吻合，可以作為軸系校中計(jì)算模型進(jìn)行研究。

[1]周繼良,鄒鴻鈞.船舶軸系校中原理及其應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,1985.

[2]張洪信.有限元基礎(chǔ)理論與ANSYS應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[3]邢靜忠.ANSYS應(yīng)用實(shí)例與分析[M].北京:科學(xué)出版社, 2006.

[4]何友聲,王國(guó)強(qiáng).螺旋槳激振力[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1987.

［責(zé)任編輯：劉 月］

Research on the Finite Element Model of Static Ship Shafting Alignment

WANG Yu,HUA Chunmei
(Bohai Shipbuilding Vocational College,Xingcheng 125105,China)

Taking a certain type of ship shafting as the research object,based on the actual shafting size,the researchers make research on the modeling problems in static ship shafting alignment according to the finite element method.Based on the finite element simplicity principle,the researchers reasonably deal with the shafting load,study the six kinds of combined working conditions about the shafting bearing support,and establish the shafting finite element model.By applying the constraints and loads on the model,the research certifies that the model can be the finite element model for further alignment calculation.

ship shafting;finite element;shafting alignment;modeling

U661.73

A

2095-5928（2016）01-29-04

10.16850/j.cnki.21-1590/g4.2016.01.009

2015-10-11

王宇（1968-），男，黑龍江肇東人，教授，博士，研究方向：船舶控制、控制理論與應(yīng)用。

華春梅（1969-），女，黑龍江肇東人，高級(jí)講師，碩士，研究方向：電氣工程。