基于有限元法的全回轉吊艙殼體結構分析及優化

陳 巧

(北車船舶與海洋工程發展有限公司， 上海 201206)

基于有限元法的全回轉吊艙殼體結構分析及優化

陳 巧

(北車船舶與海洋工程發展有限公司， 上海 201206)

由于全回轉吊艙殼體在船舶航行時承受著較大的推力和重力，殼體的可靠性與整機的可靠性密不可分，因此殼體的強度是考核其可靠性的首要指標。通過采用有限元法對全回轉吊艙殼體分別進行了強度分析及結構優化。結果表明，吊艙優化后，大幅減輕了殼體的質量，減少了其他設備安裝對吊艙內部結構的限制，提升了安全系數，提高了吊艙運行指標，同時優化后的殼體其危險部位的最大應力和位移能夠滿足材料的強度及剛度要求，因此吊艙殼體的優化設計是可靠的。

全回轉吊艙；有限元法；強度；結構優化

0 引言

全回轉吊艙推進系統是目前受到全球造船業廣泛關注的一種新型推進裝置，它集推進和操舵裝置于一體，極大地增加了船舶的靈活性，充分體現了電力推進的優越性，因此，研究全回轉吊艙對電力推進系統的發展具有重要意義[1-2]。吊艙推進系統的殼體是吊艙建造過程中關鍵結構之一，殼體結構質量影響船舶航行性能。在初期設計中，為提高殼體強度、剛度、穩定性等性能，往往會增大殼體結構尺寸，從而造成殼體質量的增加，影響航行的各項指標[3]。

吊艙殼體作為整臺設備的骨架，在實際航行中承受著較大的推力和重力，其應具有足夠的強度。由于吊艙內裝載有電動機等電氣設備，在工作狀態下要求吊艙不能發生過大的變形以保護設備不出現損傷情況，因此對其剛度有著較高的要求。本文首先利用有限元法對吊艙殼體進行靜力分析，根據分析的結果確定優化部位、制定優化方案，然后對吊艙殼體結構的形式、尺寸進行多位優化，在滿足殼體結構強度、剛度、穩定性等設計要求的前提下，盡可能地減少零件尺寸，有效提升材料的綜合利用率，進而得到優化的殼體方案，滿足殼體的輕型化和高效加工的需求。

1 殼體有限元計算

有限元法是一種高效而新穎的數值計算方法，目前已經廣泛應用于船舶、航空航天、汽車、化工、工程機械等各個領域。現代機械設計理論應用有限元法能有效地解決大型復雜件難以計算的強度、剛度、穩定性等參數[4-5]。傳統理論計算需要求解各類微分方程，許多微分方程的解析一般很難得到，且計算精度較低，應用有限元法將連續的求解域離散為一組單元的組合體，每個單元作為一個單獨的計算域分別計算，最后在相鄰單元的邊界依據協調方程將所有單元的計算結果統一，即能夠得到精度較高的計算結果。

本文以吊艙殼體為分析對象，其初期設計的基本參數如表1所示。

表1 吊艙殼體基本參數

1.1 殼體有限元分析

1.1.1 殼體實體模型簡化

應用Solidwork軟件建立殼體的三維實體模型，考慮到原模型中存在較多的結構細節，如果全部保留這些結構，不但會影響有限元網格的劃分難度及效果，而且會大幅提高模型計算時間，有時甚至會因計算機性能的限制而造成計算失敗，因此為了方便有效地進行有限元分析，降低計算機的資源占用，需對初期模型進行合理的簡化。簡化過程運用布爾操作來修整，且需滿足等效性原則，簡化后的模型能夠如實反映殼體的主要力學特性，為遵循這一原則，建模時忽略了一些螺栓孔、倒角等為了滿足加工、裝配要求但屬于非主要受力結構。簡化后的模型如圖1所示。

圖1 殼體簡化實體模型

1.1.2 網格劃分

將吊艙殼體的三維模型導入到有限元軟件中，由于簡化后的模型形狀比較規整，故采用六面體實體單元進行網格劃分，能提高計算效率及結果精度。網格劃分完成后，形成的殼體有限元模型如圖2所示，其中共有267 492個模型節點、152 408個單元。殼體材料分為兩部分，上部分為ZG230-450H焊接結構用碳素鑄鋼，下部分為AH36船用高強度結構鋼，其材料機械性能如表2所示。

表2 吊艙殼體材料特性

圖2 殼體有限元模型

1.1.3 載荷及約束施加

結合實際工況的工藝參數，在殼體有限元模型的受力面上施加均布面載荷，根據前文所述，推力載荷為80 000 N，重力載荷為35 000 N，自重為20 550 N，在殼體頂部施加固定約束(fixed support)，如圖3所示。

1.2 結構分析

設置吊艙殼體邊界條件、施加外部載荷、自重完成后，對吊艙殼體進行靜力分析。殼體的應力、形變云圖如圖4 所示，其中最大等效應力在鑄件頂面處，為43.8 MPa，遠小于鑄鋼材料屈服強度230 MPa，最大形變為0.54 mm，滿足鑄鋼材料剛度要求。吊艙殼體優化前應力、形變符合設計要求，安全系數約為2.6。

1.3 優化設計

對初始設計進行有限元分析的結果表明，吊艙殼體結構的強度和剛度都有富余，其值遠小于安全值，且殼體質量影響吊艙的整體性能，故對殼體進行結構優化。利用有限元法對吊艙殼體進行優化時，先定義結構殼體的優化變量和常量，這里選取壁厚為優化變量，而殼體的外形尺寸為不變化的常量，在保證最大應力小于屈服強度、變形量滿足材料剛度要求的前提下，盡可能地減薄殼體壁，進而為殼體減重，得到優化后的模型。

對修改后的模型施加相同的約束和載荷，經過分析得到的應力、變形量如圖5所示。由圖中可知，優化后的殼體在同樣工況下其危險截面發生了改變，現位于中段的過渡圓角處，其最大等效應力為58.5 MPa，最大形變為1.05 mm，安全系數約為3，安全系數高于優化前，滿足設計要求，而殼體的質量減輕至1 357 kg。

圖5 吊艙殼體優化后云圖

2 結論

通過對吊艙殼體進行有限元分析，直觀地展現了殼體應力和形變分布，發現了初期設計時的不足。此有限元分析可以得到以下結論：

(1) 通過對殼體整體結構的有限元優化，殼體的質量減少至1 357 kg，與初期設計方案相比減輕了33.9%，一方面增大了殼體的內部空間，降低了對其他設備的安裝尺寸和質量的限制，另一方面可以間接提高吊艙運行時的各項指標，同時由于節省了大量的材料，因而降低了成本，具有十分明顯的經濟效益。

(2) 有限元法計算結果表明：殼體優化前和優化后殼體的最大應力發生處發生了改變，由結構頂端的鑄件處變更為結構中部鋼板的過渡圓角處，最大位移都出現在結構的底端。最大應力位置由鑄件變為鋼板處，因材料的改變，安全系數也有所提升。其最大應力和位移均滿足材料的強度及剛度要求，因此吊艙殼體的優化設計是可靠的。

(3) 采用有限元法計算得到的是吊艙殼體的應力云圖與變形圖，可以查看任意細節的應力和位移狀態，對吊艙殼體結構參數確定和優化設計具有較好的指導意義。

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[1] 馬騁, 張旭, 錢正芳，等.POD推進器技術發展及其應用前景[J]. 船舶工程, 2007, 29(6): 25-29.

[2] 高海波, 高孝洪, 陳輝，等. 吊艙式電力推進裝置的發展及應用[J]. 武漢理工大學學報(交通科學與工程版), 2006, 30(1): 77-80.

[3] 蔣偉, 李世蕓. 基于ANSYSWorkbench的水下航行體殼體結構優化[J]. 魚雷技術, 2014, 22(4): 245-248.

[4] 曾志華, 虞偉建.ANSYS結構優化技術在機械設計中的應用[J]. 中國制造業信息化(學術版), 2009 (7): 33-37.

[5]YANGL.StudyontheapplicationoffiniteelementmethodandCAEtechnologyinmodernmechanicalengineering[C]//Proceedingsofthe2014IMSSInternationalConferenceonFutureManufacturingEngineering, 2015TaylorandFrancisGroup,London, 2014, 325-327.

Structure Analysis and Optimization for Rotary Pod Shell Based on Finite Element Method

CHEN Qiao

(CNR Ship and Offshore Engineering Development Co.,Ltd., Shanghai 201206, China)

Due to be subjected to large gravity and thrust, the reliability of the rotary pod shell is closely related to the reliability of the whole machine. The strength of the shell is the primary index of reliability assessment. The finite element method is used for the strength analysis and the structure optimization of the rotary pod shell. The following conclusions can be obtained: the optimization can lighten the mass of shell, eliminate the internal structure limitation of pod for equipment installation, improve the safety coefficient and increase the operation index.Maximum stresses and displacements of the shell risk parts can all satisfy the requirements of the strength and rigidity of the materials after optimization, thus the optimal design of the pod shell is reliable.

rotary pod; finite element method; strength; structure optimization

陳 巧(1986-)，女，工程師，主要從事機電設計專業的相關工作。

1000-3878(2017)01-0018-05

U662

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