大轉(zhuǎn)矩復(fù)合材料推力軸設(shè)計與分析

秦 瑯 史霏霏 石 好 李良才 陳武超

(1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108；2.中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

0 前言

復(fù)合材料軸重量輕，可以降低軸承載荷，并且跨距可以做得更長，減少系統(tǒng)中傳動軸和軸承數(shù)量，從而簡化軸系布置，減少維護成本。另外，復(fù)合材料軸具有不易腐蝕，熱膨脹系數(shù)小，疲勞性能好，減振性能好等諸多優(yōu)點，在船舶動力傳動系統(tǒng)的應(yīng)用中優(yōu)勢明顯[1]。國外自20世紀80年代起，復(fù)合材料軸開始應(yīng)用在船舶上，并逐步經(jīng)歷了從小型中間軸到大型推力軸，從試驗船驗證到實船應(yīng)用的發(fā)展歷程。例如由Austal制造的大型渡輪Leonora Christina上采用了4套碳纖維傳動軸，功率9 000 kW，轉(zhuǎn)速1 000 r/min，可承載1 400人和357輛車。

目前國際上一些知名的傳動設(shè)備制造商，如CENTA、Geislinger、Emerson、Vulkan等，其復(fù)合材料軸產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用，最大額定轉(zhuǎn)矩可達5 000 kN·m。在國內(nèi)，中國船舶重工集團公司第七一一研究所實現(xiàn)了國產(chǎn)復(fù)合材料軸的實船應(yīng)用，如圖1，并形成了額定轉(zhuǎn)矩175 kN·m以下復(fù)合材料傳動軸標準產(chǎn)品型譜，非標設(shè)計的復(fù)合材料傳動軸可以達到1 000 kN·m，如圖2。

圖1 復(fù)合材料軸系Fig.1 The model of composite shaft body

圖2 1 000 kN·m復(fù)合材料軸樣機靜扭試驗Fig.2 1 000 kN·m composite shaft was tested

不同于小功率的復(fù)合材料中間軸，大轉(zhuǎn)矩復(fù)合材料推力軸在傳遞大轉(zhuǎn)矩的同時還需要承受推力，不但跨距更長、直徑更大、壁厚更厚，并且在載荷要求上更高更復(fù)雜。因此在大轉(zhuǎn)矩復(fù)合材料推力軸設(shè)計時要考慮扭轉(zhuǎn)、推力、轉(zhuǎn)速等綜合工況。同時因為復(fù)合材料軸是空心軸，長度和直徑之間、長度和壁厚之間的比值都比較大，要考慮復(fù)合材料軸的屈曲強度。另外，隨著長度的增加，復(fù)合材料軸的軸向剛度減小，臨界轉(zhuǎn)速也隨之降低，應(yīng)避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。

本文利用ABAQUS有限元分析軟件對大轉(zhuǎn)矩復(fù)合材料推力軸進行方案設(shè)計及建模分析，得到了滿足要求的大轉(zhuǎn)矩復(fù)合材料推力軸方案。

1 設(shè)計分析

1.1 設(shè)計參數(shù)

根據(jù)需求，復(fù)合材料推力軸需要滿足額定轉(zhuǎn)矩2400kN·m、額定推力2200kN，具體設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 復(fù)合材料傳動軸設(shè)計參數(shù)Tab.1 The design parameters of the composite shaft

1.2 原材料

船用動力系統(tǒng)中工作環(huán)境較為復(fù)雜，復(fù)合材料推力軸在工作環(huán)境中會同時承受大推力和大轉(zhuǎn)矩。針對此型復(fù)合材料推力軸，采用了T800級碳纖維作為增強體，改性環(huán)氧樹脂作為基體材料。該復(fù)合材料測試的性能數(shù)據(jù)見表2。其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可以滿足大轉(zhuǎn)矩復(fù)合材料推力軸工作環(huán)境溫度。

表2 復(fù)合材料性能數(shù)據(jù)Tab.2 Material parameters of CFRP

2 技術(shù)設(shè)計及建模

針對大轉(zhuǎn)矩、大推力、臨界轉(zhuǎn)速等要求，開展復(fù)合材料軸結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計和外形結(jié)構(gòu)設(shè)計。在鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對軸身進行小角度纖維鋪層設(shè)計，對連接處進行插層補強設(shè)計；在外形結(jié)構(gòu)設(shè)計時，同時考慮軸徑、壁厚的影響，開展綜合設(shè)計。

大轉(zhuǎn)矩復(fù)合材料推力軸設(shè)計時忽略層間的影響，根據(jù)復(fù)合材料經(jīng)典層合理論進行鋪層設(shè)計，復(fù)合材料單層的一般三維應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為：

復(fù)合材料單層失效準則采用蔡-胡(Tsai-Wu)失效準則，Tsai-Wu失效準則具體形式如下：

式中：

根據(jù)設(shè)計輸入，開展大轉(zhuǎn)矩復(fù)合材料推力軸(以下簡稱復(fù)合材料軸)技術(shù)設(shè)計，設(shè)計流程圖如圖3所示。

圖3 大轉(zhuǎn)矩復(fù)合材料推力軸技術(shù)設(shè)計流程圖Fig.3 Technical design flow chart of the composite thrust shaft with large torque

采用有限元分析軟件ABAQUS和Tsai-Wu失效準則[5]對復(fù)合材料軸進行計算校核，有限元模型如圖4所示。在有限元模型中，計算單元采用S4R，模型單元數(shù)為13 370，節(jié)點數(shù)為13 840。

圖4 復(fù)合材料軸模型Fig.4 The model of composite shaft

3 強度分析

3.1 最大載荷工況

在2 400 kN·m轉(zhuǎn)矩、2 200 kN推力和150 r/min轉(zhuǎn)速同時作用下，復(fù)合材料軸的Tsai-Wu失效系數(shù)云圖如圖5所示。在額定轉(zhuǎn)矩、最大推力和200 r/min離心載荷同時作用狀態(tài)下，復(fù)合材料軸Tsai-Wu失效系數(shù)最大值0.236<1，因此結(jié)構(gòu)滿足額定工況強度要求。

圖5 復(fù)合材料軸的Twai-Wu失效云圖Fig.5 The nephogram of Tsai-Wu Failure factor

3.2 屈曲強度校核

在1 000 kN的推力作用下，計算得到的一階屈曲模態(tài)值為37.486，如圖6所示，從而得到導(dǎo)致軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)屈曲的推力大小為37 486 kN>2 200 kN，因此結(jié)構(gòu)滿足推力狀態(tài)下屈曲強度要求。

圖6 推力狀態(tài)下一階屈曲模態(tài)Fig.6 The first mode of thrust buckling

在1 000 kN·m的扭矩作用下，計算得到的一階屈曲模態(tài)值為41.960，如圖7所示，從而得到導(dǎo)致軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)屈曲的扭矩大小為41 960 kN·m>2 400 kN·m，因此結(jié)構(gòu)滿足扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下屈曲強度要求。

圖7 扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下一階屈曲模態(tài)Fig.7 The first mode of torsional buckling

4 模態(tài)分析

4.1 邊界條件

復(fù)合材料軸在軸向振動時只考慮軸向的位移，因此將沿軸線方向平動之外的橫向自由度進行約束，使復(fù)合材料軸只產(chǎn)生沿軸線方向的位移，垂直于軸線方向的自由度則取決于支撐結(jié)構(gòu)剛度。當復(fù)合材料軸發(fā)生橫向振動時，需要考慮垂直于軸向的位移，該位移的大小則取決于軸承的支撐剛度。復(fù)合材料軸的旋轉(zhuǎn)自由度只允許軸沿軸線方向轉(zhuǎn)動，其他方向的轉(zhuǎn)動予以限制。

4.2 支撐方案

根據(jù)復(fù)合材料軸的支撐結(jié)構(gòu)和功能特性，復(fù)合材料軸的支撐為兩端依靠軸承進行支撐，在本文計算中采用彈簧單元模擬軸承對軸的支撐作用。復(fù)合材料軸的兩端采用參考點耦合斷面來模擬斷面與外接法蘭的連接，通過對參考點建立兩個相互垂直且與軸線垂直的彈簧單元，來模擬復(fù)合材料軸受到軸承的支撐作用。彈簧單元剛度取為1×109N/m[3]。

4.3 分析結(jié)果

對模型進行固有頻率的計算，計算得到的復(fù)合材料軸的前兩階振形計算結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 一階振形(固有頻率：14.595 Hz)Fig.8 The first mode of vibration

圖9 二階振形(固有頻率：39.536 Hz)Fig.9 The second mode of vibration

根據(jù)復(fù)合材料軸一階振動模態(tài)及其固有頻率，可以算其一階臨界轉(zhuǎn)速：

Ncr=60f=875.7 r/min

通過計算結(jié)果可以看出，復(fù)合材料軸的一階臨界轉(zhuǎn)速大于許用轉(zhuǎn)速150 r/min，不會在許用轉(zhuǎn)速下發(fā)生共振。因此在許用轉(zhuǎn)速下復(fù)合材料軸是安全的。

5 試驗驗證

在此型大轉(zhuǎn)矩復(fù)合材料推力軸設(shè)計制造之前，國內(nèi)尚無相應(yīng)試驗臺位可以同時進行大轉(zhuǎn)矩和大推力加載的驗證試驗。因此依據(jù)此型復(fù)合材料軸設(shè)計參數(shù)，自行設(shè)計并搭建了國內(nèi)首臺船用大型推扭試驗臺，用以進行試驗驗證。試驗中進行了最大載荷工況驗證和屈曲強度驗證，試驗結(jié)果均與ABAQUS仿真結(jié)果吻合，證明此型大轉(zhuǎn)矩復(fù)合材料推力軸設(shè)計制造成功。

圖10 大轉(zhuǎn)矩復(fù)合材料推力軸試驗照片F(xiàn)ig.10 Photograph of the test of thecomposite thrust shaftwith large torque

6 結(jié)論

本文根據(jù)設(shè)計輸入，提出大轉(zhuǎn)矩復(fù)合材料推力軸設(shè)計方案并進行有限元建模。對大轉(zhuǎn)矩復(fù)合材料推力軸方案額定工況下強度和屈曲強度進行分析，該方案的額定工況下強度、推力下的屈曲強度和扭轉(zhuǎn)下的屈曲強度均滿足設(shè)計要求。對出大轉(zhuǎn)矩復(fù)合材料推力軸工況狀態(tài)的邊界條件和支撐方案進行分析，結(jié)果顯示大轉(zhuǎn)矩復(fù)合材料推力軸方案的一階臨界轉(zhuǎn)速大于設(shè)計輸入要求的150 r/min，滿足設(shè)計要求。根據(jù)設(shè)計結(jié)果，自行設(shè)計并搭建了國內(nèi)首臺可同時進行大轉(zhuǎn)矩與大推力加載的船用大型推扭試驗臺位，并進行試驗驗證，試驗結(jié)果與ABAQUS仿真結(jié)果吻合，大轉(zhuǎn)矩復(fù)合材料推力軸設(shè)計制造成功。以上設(shè)計、分析、試驗驗證結(jié)果顯示，大轉(zhuǎn)矩復(fù)合材料推力軸方案滿足設(shè)計要求，方案可行，據(jù)此可為后續(xù)的研制工作提供支撐。

隨著綠色船舶的理念逐步深入人心，船舶動力系統(tǒng)的輕量化要求也隨之逐漸提高。大轉(zhuǎn)矩復(fù)合材料推力軸與金屬軸相比重量輕，可以減少軸系中間支撐的使用，完美契合了船舶動力系統(tǒng)的輕量化需求。本文中大轉(zhuǎn)矩復(fù)合材料推力軸研制經(jīng)驗，為復(fù)合材料在船舶動力系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持，同時也為復(fù)合材料在船舶領(lǐng)域的推廣應(yīng)用夯實了基礎(chǔ)。