船舶推進(jìn)軸系沖擊建模和仿真研究

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(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

船舶推進(jìn)軸系包括主機(jī)輸出端推力軸承與螺旋槳之間的傳動軸以及軸系附屬設(shè)備。船舶軸系設(shè)備沖擊響應(yīng)是指軸系及附屬設(shè)備的沖擊強(qiáng)度、剛度問題，即沖擊作為一種動載荷對推進(jìn)軸系及軸系附屬設(shè)備材料的破壞，主要涉及材料剛度失效(大變形)和強(qiáng)度失效(材料進(jìn)入塑性屈服階段或斷裂)兩種形式。推進(jìn)軸系的抗沖擊能力直接關(guān)系到船舶動力系統(tǒng)的生存能力，但由于推進(jìn)軸系結(jié)構(gòu)尺寸大，附屬設(shè)備多，幾乎無法完成實船沖擊實驗，根據(jù)船舶建造規(guī)范-沖擊安全性要求，對于不能做沖擊試驗或爆炸試驗的沖擊安全A和B級的設(shè)備應(yīng)該進(jìn)行沖擊計算，沖擊計算要驗證設(shè)備本身和設(shè)備支撐位置(基座、局部甲板和艙壁、動力的輸入部位等)承受沖擊的能力。所以本文采用有限元法，建立船舶推進(jìn)軸系沖擊模型，使用加速度為沖擊輸入條件下，完成推進(jìn)軸系抗沖擊仿真計算研究，為推進(jìn)軸系抗沖擊計算提供一種計算思路[1]。

1 推進(jìn)軸系有限元建模

為保證推進(jìn)軸系有限元分析的準(zhǔn)確性，在建模時將軸系及附屬設(shè)備均按實際結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，另一方面為節(jié)約有限元仿真計算時間，需要對于局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的簡化。

其中軸系基本參數(shù)為軸系長度約65 m；中間軸段直徑約410 mm；螺旋槳軸直徑約510 mm；軸段材料屈服極限580 MPa；螺旋槳簡化為均質(zhì)圓盤，其質(zhì)量約12 000 kg。

根據(jù)實船情況，對軸系及其附屬設(shè)備模型簡化如下。

1)簡化模型中倒角、孔、鍵槽以及階梯過渡部位。

2)簡化推力軸承、中間軸承等外連的油管路、水管路和質(zhì)量較輕的端蓋等。

3)簡化緊固件采用螺栓孔內(nèi)部所有節(jié)點(diǎn)剛性連接的處理方式。

4)簡化軸承軸瓦與軸頸的連接處理，軸頸-軸瓦之間的非線性“接觸”關(guān)系以線性連接關(guān)系替代，另外由于沖擊作用時間較短，所以又認(rèn)為接觸之前的油膜阻尼力耗功可以忽略，忽略油膜力的作用，假設(shè)軸頸和軸瓦為一種純接觸關(guān)系，兩者之間的間隙通過ANSYS 軟件接觸計算模塊功能調(diào)整為零。

5)簡化推力軸承推力塊與平衡塊、平衡塊與套環(huán)之間連接的“接觸”模型，“推進(jìn)軸-推力塊-平衡塊-套環(huán)”子系統(tǒng)采用“接觸”連接模型。

有限元模型網(wǎng)格劃分采用六面體單元和四面體單元相結(jié)合，使得有限元分析具有較高的精度和較少的單元和節(jié)點(diǎn)總數(shù)；在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件上使用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，但是為了保證有限元仿真計算的準(zhǔn)確性，應(yīng)將細(xì)化網(wǎng)格單元比例控制在一定范圍內(nèi)。有限元網(wǎng)格尺寸和質(zhì)量的劃分情況如下。

平均單元尺寸為20 mm，最小尺寸5 mm，實體單元采用solid45單元，彈簧單元采用combin14單元，接觸單元contact173和target170。

單元采用六面體結(jié)構(gòu)，四面體單元數(shù)≤6%，除結(jié)構(gòu)外，不允許有兩個以上的四面體單元連在一起。不能出現(xiàn)奇數(shù)節(jié)點(diǎn)孔，孔周圍盡量不出現(xiàn)三角形單元。推進(jìn)軸系有限元模型及邊界處理見圖1～3。

圖1 軸承軸瓦與軸頸線性連接方式

圖2 軸段有限元模型

圖3 螺旋槳軸有限元模型

2 沖擊計算邊界輸入

沖擊仿真計算是“固定基礎(chǔ)”的運(yùn)動(沖擊激發(fā))導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)，對于推進(jìn)軸系來說，沖擊響應(yīng)計算首先得確定其“固定基礎(chǔ)”，即所有與設(shè)備相連但沒有被包含該設(shè)備沖擊動力學(xué)模型部分的部件與該設(shè)備的分界界面，所有界面的剛性連接即為“固定基礎(chǔ)”，由于整個推進(jìn)軸系為一個位置跨度大的系統(tǒng)，所以，固定基礎(chǔ)每一處激勵均相等的基本假設(shè)不適合推進(jìn)軸系，所以本文將整個推進(jìn)軸系沿軸向分成幾個部分，從而將推進(jìn)軸系沖擊計算轉(zhuǎn)換為分段沖擊計算。

(1)

(2)

(3)

令y(t)=x(t)-u，則有

(4)

(5)

(6)

圖4 三質(zhì)量系統(tǒng)基礎(chǔ)沖擊模型

從基礎(chǔ)沖擊激勵下系統(tǒng)的動力學(xué)方程可以看出，基礎(chǔ)加速度沖擊激勵實際上等效于施加在各質(zhì)量點(diǎn)上。求解以上公式即可得到各質(zhì)量點(diǎn)的位移、速度和加速度響應(yīng)時間歷程。而系統(tǒng)應(yīng)力即彈簧彈性力為k2y2、k3(y3-y2)、k4(y3-y4)。基礎(chǔ)加速度運(yùn)動激勵實際上是施加在系統(tǒng)各質(zhì)量點(diǎn)上，而系統(tǒng)在界面與“激發(fā)平臺”固接。進(jìn)而延伸到有限元離散系統(tǒng)中， ANSYS軟件進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)計算時，基礎(chǔ)加速度運(yùn)動沖擊激勵施加在“Global”單元即所有單元體上，而系統(tǒng)在“固定基礎(chǔ)”處六個自由度全約束[2]。

根據(jù)沖擊標(biāo)準(zhǔn)BV0430，選沖擊設(shè)計輸入激勵選擇組合雙三角波加速度時間歷程曲線，見圖5。

圖5 BV0430沖擊規(guī)范組合雙三角波時間歷程

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對A類設(shè)備規(guī)定沖擊值進(jìn)行沖擊加速度計算，其中縮減系數(shù)a0=0.32，垂向和橫向沖擊加速度及時間見表1。

表1 沖擊輸入表

3 軸系有限元分析結(jié)果

根據(jù)ANSYS仿真計算可求得軸系在沖擊加速度作用下的應(yīng)力及變形，根據(jù)計算結(jié)果分析判斷軸系受沖擊后的情況是否滿足要求。

3.1 垂向沖擊結(jié)果

垂向沖擊結(jié)果見圖6～9。

圖6中最大應(yīng)力481 MPa，位于沿艏艉方向第二個法蘭連接處(螺栓孔內(nèi))。

圖6 中間軸段瞬時應(yīng)力

圖7 中間軸段瞬時變形

圖7中最大變形28 mm，位于沿艏艉方向第二個法蘭連接處。

圖8 最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時間歷程

圖8中應(yīng)力最大值出現(xiàn)在沖擊持續(xù)時間之外，即殘余響應(yīng)大于主響應(yīng)。

圖9 螺旋槳軸段瞬時應(yīng)力分布

圖9中最大應(yīng)力588 MPa，位于艉軸架軸承工作軸頸靠螺旋槳一側(cè)位置，這主要是由螺旋槳的大質(zhì)量引起的[3]。

3.2 橫向沖擊結(jié)果

橫向沖擊結(jié)果見圖10～圖13。

圖10 軸段最大瞬時應(yīng)力分布

圖10中最大應(yīng)力109 MPa，較大應(yīng)力位于軸段的兩端。

圖11 最大瞬時位移響應(yīng)

圖11中最大響應(yīng)位移16 mm，較大位移位于各支撐軸承之間的中間位置。

圖12 螺旋槳軸段瞬時應(yīng)力分布

圖12中最大應(yīng)力530 MPa，位于艉軸架軸承工作軸頸靠螺旋槳一側(cè)位置，這主要是由螺旋槳的大質(zhì)量引起的。

圖13 最大位移響應(yīng)位移

圖13中螺旋槳軸最大位移為8.7 mm，位于螺旋槳位置[4]。

3.3 垂向沖擊時的狀況

1)中間軸段危險截面為法蘭連接螺栓及螺栓孔處，應(yīng)力達(dá)到了481 MPa，最大變形28 mm。

2)沖擊的殘余響應(yīng)大于主響應(yīng)，所以在軸系設(shè)計時，應(yīng)考慮殘余響應(yīng)對螺栓連接強(qiáng)度的影響。

3)螺旋槳軸應(yīng)力最大值出現(xiàn)在艉軸架軸承和螺旋槳之間軸系處，最大應(yīng)力達(dá)到588 MPa。

3.4 橫向沖擊時的狀況

1)中間軸段危險截面為支撐軸承之間的軸段，應(yīng)力為109 MPa，最大變形16 mm。

2)螺旋槳軸應(yīng)力最大值出現(xiàn)在尾軸架軸承和螺旋槳之間軸系處，最大應(yīng)力達(dá)到530 MPa。

3)螺旋槳軸最大位移為8.7 mm，位于螺旋槳槳葉位置。

4 結(jié)束語

根據(jù)仿真結(jié)論可知，軸系在受沖擊作用時軸系的局部最大應(yīng)力有可能瞬時超過材料的屈服極限，而這個過程隨沖擊時間的變化而變化，因此在軸系設(shè)計過程中，在軸系關(guān)鍵性設(shè)備及零部件處應(yīng)充分考慮其抗沖擊能力。

[1] GJB1060.-91艦船環(huán)境條件要求機(jī)械環(huán)境[S].北京：國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會，1991.

[2] 孫洪軍,鄭 榮.船舶推進(jìn)軸系抗沖擊動力學(xué)建模與仿真[J].噪聲與振動控制.2003，8(4)：16-18.

[3] 高耀東，郭喜平.ANSYS機(jī)械工程應(yīng)用25例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[4] 盛和太，喻海良.ANSYS有限元原理與工程應(yīng)用實例大全[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.