基于ANSYS的船用螺旋槳模態(tài)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

杜鵬 陳代明 馬君亭

摘 要：利用UG軟件對船用螺旋槳模型進(jìn)行處理，并用ANSYS有限元仿真軟件分析其模態(tài)振型，首先分析無支撐情況下螺旋槳單葉片的模態(tài)振型，提取振幅最大模態(tài)。設(shè)計(jì)支撐方案，確定支撐位置并進(jìn)行約束模態(tài)分析，結(jié)果顯示螺旋槳單葉片頻率有所提高，增加了加工剛度，最后確定優(yōu)化的支撐方案，顯著提高了螺旋槳的剛度，減小各階模態(tài)的振動(dòng)位移，對實(shí)際加工具有重要意義。

關(guān)鍵詞：ANSYS有限元分析；螺旋槳模態(tài)分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號：U673.38 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）24-0021-04

Abstract： The model of marine propeller is processed by UG software， and its modal mode is analyzed by ANSYS finite element simulation software. Firstly， the modal mode of single blade of propeller without support is analyzed， and the maximum amplitude mode is extracted. The results show that the frequency of single blade of propeller is increased and the machining stiffness is increased. Finally， the optimized bracing scheme is determined， and the stiffness of propeller is improved significantly. It is of great significance to reduce the vibration displacement of each mode for machining.

Keywords： ANSYS finite element analysis； propeller modal analysis； optimal design

螺旋槳是艦船的主動(dòng)力裝置，其設(shè)計(jì)與制造精度直接決定艦船運(yùn)行性能。目前，螺旋槳的設(shè)計(jì)技術(shù)我國已達(dá)到領(lǐng)先水平，但是加工制造技術(shù)還存在較大差距。我國對于船用螺旋槳現(xiàn)階段的加工一直采用手工打磨的方式，其工作環(huán)境差，對工人的身體有很大損傷，并且效率低下，精度也難以控制。為了解決這一問題，我國一些學(xué)者正在研究利用機(jī)器人進(jìn)行螺旋槳銑削加工的工藝系統(tǒng)，其具有較多的優(yōu)勢。研究發(fā)現(xiàn)，銑削加工中的振動(dòng)一直是影響加工質(zhì)量的主要因素，所以，針對螺旋槳的振動(dòng)模態(tài)分析是研究的重點(diǎn)內(nèi)容。本文主要利用有限元分析軟件ANSYS對一種型號的船用螺旋槳進(jìn)行模態(tài)振型分析，通過施加約束條件分析使用支撐時(shí)的模態(tài)變化，尋找優(yōu)化的支撐方法。

1 模型處理

利用三維建模軟件UG對現(xiàn)有的螺旋槳設(shè)計(jì)模型進(jìn)行簡單處理，避免在后續(xù)有限元分析時(shí)遇到的一些問題。如圖1所示為螺旋槳的設(shè)計(jì)模型，直徑3300mm，在葉梢位置由于建模方法的原因，存留有沒有閉合的曲線，對后續(xù)有限元的網(wǎng)格劃分會帶來影響，所以，利用一直徑為3290mm的同心圓柱面截取設(shè)計(jì)模型，截去葉梢的尖角部分，對模型整體模態(tài)的影響可以忽略不計(jì)，處理如圖2所示。另外，根據(jù)螺旋槳的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，靠近槳轂部分結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，靠近葉梢部分結(jié)構(gòu)簡單，所以為了在后續(xù)的單元?jiǎng)澐謺r(shí)保證較高精度的同時(shí)又花費(fèi)較少時(shí)間，在模型處理時(shí)將螺旋槳分割為兩部分實(shí)體，一部分是包含槳轂，另一部分包含葉片。最后將處理完成的模型導(dǎo)出x_t格式文件，以便ANSYS軟件導(dǎo)入。

2 船用螺旋槳有限元分析

2.1 網(wǎng)格劃分與載荷分析

根據(jù)查閱文獻(xiàn)，大型船用螺旋槳材料為銅3（Cu3），主要成分為3級鎳鋁青銅，彈性模量為1.177e11Pa，泊松比為0.34，密度為7800kg/m3。由于螺旋槳曲面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般的六面體單元不能滿足要求，所以此次分析單元類型選為solid187單元，即具有高階3維10節(jié)點(diǎn)的四面體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有XYZ三個(gè)方向的平移自由度，劃分網(wǎng)格時(shí)采用自由劃分網(wǎng)格方式。單個(gè)葉片網(wǎng)格劃分結(jié)果為122611個(gè)節(jié)點(diǎn)，82129個(gè)單元，網(wǎng)格生成如圖3所示。

在求解模塊，需要設(shè)置約束條件和載荷，根據(jù)實(shí)際螺旋槳的加工裝夾情況，選取螺旋槳下端面施加6個(gè)自由度約束。在自由模態(tài)分析階段，載荷只考慮由自重產(chǎn)生的預(yù)緊力。

即為無阻尼自由振動(dòng)的特征方程，由此式即可得到結(jié)構(gòu)的各階固有頻率。

ANSYS中的模態(tài)分析包含多種求解模塊，其中BOLCK LANCZOS方法是目前求解大型特征值問題最有效的方法，具有較高的求解精度和計(jì)算速度，所以本文選擇此種求解方法。在進(jìn)行模態(tài)仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)每五個(gè)模態(tài)頻率值相近，考慮是由于多個(gè)葉片造成的影響，故而把仿真模型改為槳轂加單個(gè)葉片。

在進(jìn)行無支撐仿真時(shí)，只考慮由重力引起的預(yù)緊力，模態(tài)仿真結(jié)果如表1所示，提取前15階中位移最大的兩階模態(tài)振型如圖4所示，從結(jié)果也可以看出，葉梢部分變形最大。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 輔助支撐設(shè)計(jì)

本文研究船用螺旋槳的模態(tài)頻率主要是為了避免在加工過程中因周期切削力的激勵(lì)而產(chǎn)生共振，進(jìn)而影響加工質(zhì)量，所以實(shí)際加工中常常采用支撐的方式減小振動(dòng)和變形。如圖5所示為實(shí)際加工中螺旋槳葉片的支撐方式，千斤頂末端放置曲面橡皮，或者采用萬向節(jié)加橡皮墊圈的形式，使螺旋槳曲面受力均勻。

本文選取支撐點(diǎn)位置為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，單個(gè)葉片對應(yīng)模態(tài)頻率的最大振幅為優(yōu)化目標(biāo)變量，通過選取不同位置的支撐結(jié)果進(jìn)行對比，得到模態(tài)頻率最合適，振幅最小的支撐位置。華中科技大學(xué)宮秀梅研究了支撐位置的優(yōu)化算法，本文參考了此種算法。

3.2 支撐位置優(yōu)化

根據(jù)支撐的橡皮與螺旋槳曲面的接觸情況以及受力分析可知，施加載荷和約束的方向應(yīng)該沿曲面的法向，但是在ANSYS中施加載荷和約束時(shí)只能沿XYZ的軸線方向或繞軸線旋轉(zhuǎn)方向，考慮到大型螺旋槳曲面曲率變化不大，故本文中使用沿Z分析施加載荷和約束，仿真結(jié)果也具有一定的參考價(jià)值。如圖6所示，在靠近葉梢部分選取了3個(gè)不同的位置設(shè)置支撐約束進(jìn)行仿真。

在施加約束時(shí)，為了逼近實(shí)際約束情況，選取直徑相同圓內(nèi)的節(jié)點(diǎn)施加Z向位移約束，頻率求解結(jié)果如表2所示。從模態(tài)頻率結(jié)果可以看出，有支撐的葉片固有頻率顯著提高，即整體剛度提高，但是從圖7中的模態(tài)振型可以看出，施加支撐后會使葉梢部分振幅增大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，只施加一個(gè)支撐效果不是很明顯，綜合各種因素后確定，同時(shí)施加3個(gè)支撐，并且將支撐點(diǎn)1向葉梢移動(dòng)，仿真結(jié)果如圖8所示。可以看到，第13階模態(tài)振型的位移顯著減小，同時(shí)振幅最大對應(yīng)的第12階振型最大位移只有0.5mm，其他大部分振型位移都在0.3mm左右，振動(dòng)優(yōu)化效果明顯。

4 結(jié)束語

本文通過對大型船用螺旋槳有支撐和無支撐的模態(tài)振型分析，對螺旋槳單葉片的支撐方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了船用螺旋槳加工時(shí)的剛度，進(jìn)而減小加工振動(dòng)。同時(shí)，本文給出的在多種支撐方案下的模態(tài)頻率，對實(shí)際加工也具有一定的參考價(jià)值，在選擇主軸加工轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)避免選擇模態(tài)頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，防止共振的發(fā)生。

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