大型絞吸挖泥船絞刀齒輪箱箱體結構仿真及優化研究

龔春全，劉長云，嚴忠勝，江瑞田，李 強，趙 飛

（1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 200090; 2. 中交天津航道局有限公司，天津 300461）

大型絞吸挖泥船絞刀齒輪箱箱體結構仿真及優化研究

龔春全1，劉長云2，嚴忠勝1，江瑞田1，李 強1，趙 飛1

（1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 200090; 2. 中交天津航道局有限公司，天津 300461）

以某大型挖泥船絞刀齒輪箱箱體為研究對象，運用Pro/E軟件進行參數化結構設計和建模，導入到有限元仿真分析軟件MSC.MARC中，對其進行結構仿真分析。研究方法縮短了絞刀齒輪箱的設計周期，同時提高了設計質量。這為大型挖泥船絞刀齒輪箱箱體的優化設計提供了一種有效的新方法。

絞刀齒輪箱；結構仿真；MARC軟件；絞吸挖泥船

0 引言

絞吸挖泥船廣泛應用于江河湖庫的清淤整治、港口航道的建設與維護、填海造地、海洋油氣基礎設施、城鄉現代化建設等國民經濟基礎設施建設領域。絞刀齒輪箱作為大型絞吸挖泥船技術難度最高、工況最惡劣且復雜、承受大沖擊的關鍵設備，以前一直依賴進口。近幾年，七一一研究所為天津航道局、上海航道局、長江航道局等提供了數十套絞刀齒輪箱，逐步改變了其長期依賴進口的局面。如何快速響應市場，設計開發具有高可靠性、高壽命、重量輕的絞刀齒輪箱依舊是亟需解決的關鍵難題。絞刀齒輪箱的箱體是承載所有載荷的重要部件，是設計開發絞刀齒輪箱的關鍵之一。隨著計算機技術的飛速發展，三維實體造型技術和有限元仿真技術逐步代替傳統的“試錯”方法，能夠在物理樣機制造之前對樣機進行結構建模、仿真、分析及優化，可大幅縮短新產品的研制周期和加工成本，因而獲得了廣泛的應用。

戚金業[1]在船用齒輪箱箱體的有限元模擬分析方面進行了研究；而楊成云[2]等在中心傳動齒輪箱有限元分析及結構優化設計方面進行了探索。利用三維建模軟件進行復雜產品建模，再利用有限元仿真分析軟件進行仿真，分析結果再優化產品結構設計必將逐步成為新產品開發的一種重要方法。為此，本文介紹了一種運用Pro/E軟件建立了絞刀齒輪箱箱體的三維模型，而后轉化到MSC.MARC軟件中添加復雜的約束和力等，形成其虛擬樣機，再進行有限元仿真和分析，為設計及優化提供依據。

1 參數化建模及結構仿真步驟

利用Pro/E軟件和MARC軟件對絞刀齒輪箱箱體進行參數化建模及結構仿真的主要步驟為：1）利用Pro/E建立絞刀齒輪箱箱體的三維實體參數化模型；2）將建立的CAD模型轉換成IGES格式文件；3）MARC把IGES格式文件轉換成有限元模型，定義邊界條件、添加載荷等；4）利用MARC進行仿真分析；5）分析仿真結果(如與理論計算結果或材料特性對比等)，若不符合要求，再對模型進行優化，重新進行仿真分析直至得到理想的仿真結果。絞刀齒輪箱箱體參數化建模及結構仿真流程如圖1所示。

圖1 絞刀齒輪箱箱體參數化建模及結 構仿真過程

2 建立箱體有限元模型

某大型絞吸挖泥船絞刀齒輪箱的結構為雙機并車、三級減速傳動；箱體采用焊接結構，主要由下箱體、中箱體和上箱體三部分組成。其結構和受力十分復雜，采用力學理論和解析公式很難得出準確的應力，故采用有限元進行精確分析是非常必要的。

2.1 箱體幾何模型

絞刀齒輪箱箱體組件是整個齒輪箱的外殼，同時是軸承的支承體，承受來自絞刀的雙向巨大推力和齒輪傳動時產生的反力。箱體各部件由軸承座和鋼板通過焊接連接，其中在下箱體部件上設計有獨立的推力軸承座并與底板焊接在一起?？紤]到計算效率，忽略不影響強度的細節，如聯接螺栓沉頭孔、各種油孔、視窗孔、軸承軸向定位槽等。

2.2 Pro/E與MARC之間的模型轉換

從Pro/E到MARC的模型轉換方法主要有兩種：1）MARC軟件通過MENTAT的子目錄bin直接調用，自動轉換成MENTAT的模型文件；2）通過標準圖形格式轉換，即將Pro/E創建的模型轉換成標準中間格式文件(如IGES格式)，再導入到MARC中，轉換成MENTAT的模型文件。實際應用中筆者發現采用IGES中間格式轉化的模型效果更好，本文采用第二種方法進行模型數據轉換。

2.3 定義材料屬性參數和聯接關系

在進行有限元分析時，必須定義材料的主要屬性參數，包括：彈性模量、泊松比、密度、抗拉強度及屈服強度。絞刀齒輪箱箱體為焊接件，軸承座及其他鋼板材料應按其各自材料分別定義。

考慮到實際工作過程中，下箱體、中箱體和上箱體通過分箱面螺栓緊密地聯接在一起，不允許有任何相對運動。因此，在有限元分析時可把將螺栓和焊接部分簡化為剛性連接，即將下箱體、中箱體、上箱體、推力軸承上端蓋全部作為一個整體。

2.4 添加載荷及位移約束邊界條件

載荷與位移約束決定了有限元分析工況與實際工況的近似程度。添加正確的載荷及位移約束無疑是得到正確仿真計算結果的前提條件，也是有限元分析技術應用于工程領域的關鍵之一。

絞刀齒輪箱箱體載荷包括各軸承載荷和軸向推力載荷，其中軸承載荷又分為徑向載荷和軸向載荷。在工程設計中，軸承處的支反力都是按集中力進行計算的，但在實際運轉中，無論滾動軸承還是滑動軸承，其最終載荷都是通過軸承外圈或者軸承座傳遞的，都屬于面上的分布壓力載荷。軸向載荷 Fa均勻作用在軸承孔端面圓周上，徑向載荷Fr按余弦規律作用于軸承與軸承孔接觸區域60°范圍內[3]。箱體軸承孔的所受載荷分析如圖2所示。圖3為徑向載荷的余弦分布圖。

圖2 箱體軸承孔的所受載荷分析圖

圖3 箱體軸承孔徑向載荷余弦分布圖

箱體軸承孔半徑為R，寬度為B，徑向分布載荷的合力為Fr，其最大分布載荷密度為Q0，ψ為Fr與x軸的夾角，ψ位置的徑向力載荷密度為Qψ，則滿足公式(1)：

求解公式(1)可得出：Q0=5Fr/ 6RB，而 Qψ=Q0cos(1.5ψ)，則：

絞刀齒輪箱箱體的支承設置在下箱體的水平底面，因此對其進行結構仿真時，位移約束邊界條件定義為約束下

2.5 箱體有限元模型

箱體底座相應結點的6個自由度。

考慮到絞刀齒輪箱箱體結構的復雜性，選定單元類型為實體四面體單元，網格劃分軟件采用HyperMesh，單元數量331898個。絞刀齒輪箱箱體有限元模型如圖4所示。

圖4 絞刀齒輪箱箱體有限元模型

3 有限元仿真及結果分析

絞刀齒輪箱工況十分復雜，主要分單電機工作還是雙電機工作、絞刀軸向力為拉力還是推力、絞刀軸向力是額定軸向力還是最大軸向力等。因此需要對各種典型工況進行有限元仿真，以確定齒輪箱最惡劣工況。限于篇幅，本文僅列出部分典型工況仿真計算結果。工況及對應的條件見表1。

表1 工況及對應的條件

3.1 工況1

在雙電機全功率滿負載、絞刀軸向力為額定拉力工況下，齒輪箱箱體的等效應力如圖5所示，齒輪箱箱體x方向、y方向的位移如圖6所示。從圖5、6可看出，齒輪箱箱體的最大等效應力出現在齒輪箱輸出端，最大值為59.04MPa；最大位移出現在齒輪箱輸入端，主要表現為y方向(垂向)的位移，最大值約為0.36mm。

圖5 工況1條件下齒輪箱箱體的等效應力圖(MPa)

圖6 工況1條件下齒輪箱箱體的位移圖(mm)

3.2 工況2

在雙電機全功率滿負載、絞刀軸向力為額定推力工況下，齒輪箱箱體的等效應力如圖7所示,齒輪箱箱體x方向、y方向的位移如圖8所示。從圖7、8可以看出，齒輪箱箱體的最大等效應力出現在齒輪箱輸出端，最大值為57.94MPa；最大位移出現在齒輪箱輸出端，主要表現為y方向(垂向)的位移，最大值約為0.29mm。

圖7 工況2條件下齒輪箱箱體的等效應力圖(MPa)

圖8 工況2條件下齒輪箱箱體的位移圖(mm)

3.3 工況3

雙電機沖擊負載、絞刀軸向力為最大拉力工況下，齒輪箱箱體的等效應力如圖9所示，齒輪箱箱體x方向、y方向的位移如圖10所示。從圖9、10可看出，齒輪箱箱體的最大等效應力出現在齒輪箱輸出端，最大值為89.38MPa；最大位移出現在齒輪箱輸入端，主要表現為y方向(垂向)的位移，最大值約為0.53mm。

圖9 工況3條件下齒輪箱箱體的等效應力圖(MPa)

圖10 工況3條件下齒輪箱箱體的位移圖(mm)

3.4 工況4

雙電機沖擊負載、絞刀軸向力為最大推力力工況下，齒輪箱箱體的等效應力如圖11所示，齒輪箱箱體x方向、y方向的位移如圖12所示。從圖11、12可以看出，齒輪箱箱體的最大等效應力出現在齒輪箱輸出端，最大值為87.43MPa；最大位移出現在齒輪箱輸出端，主要表現為y方向(垂向)的位移，最大值約為0.45mm。

圖11 工況4條件下齒輪箱箱體的等效應力圖(MPa)

圖12 工況4條件下齒輪箱箱體的位移圖(mm)

由以上的有限元分析結果看，最大應力主要集中在輸出端推力軸承座及其加強筋；該部位的結構將對計算結果有較大的影響。

3.5 工況5

雙電機沖擊負載、絞刀軸向力為最大拉力工況下，增加加強筋后齒輪箱箱體有限元模型如圖13所示，齒輪箱箱體的等效應力如圖14所示，齒輪箱箱體x方向、y方向的位移如圖15所示。對比圖14、15與圖9、10可看出，齒輪箱箱體的最大等效應力出現在齒輪箱輸出端，最大值為67.02MPa(比增加加強筋前減少約25%)。最大位移出現在齒輪箱輸入端，主要表現為y方向(垂向)的位移，最大值約為 0.43mm(比增加加強筋前減少約18%)。優化效果十分明顯。

圖13 增加加強筋的絞刀齒輪箱箱體有限元模型

圖14 工況5條件下齒輪箱箱體的等效應力圖(MPa)

圖15 工況5條件下齒輪箱箱體的位移圖(mm)

4 結論

本文利用Pro/E和MARC建立了某大型絞吸挖泥船絞刀齒輪箱箱體的有限元模型，并對其進行有限元仿真分析。仿真結果為齒輪箱箱體結構的研制、改進及特性研究提供了充足的數據和可靠的理論依據，為提高該絞刀齒輪箱箱體的設計質量，降低研制成本，縮短研制周期創造了良好的必要條件。

本文的仿真結果表明，利用Pro/E和MARC聯合仿真的方法是復雜產品結構設計及優化的一條有效途徑。本文的研究方法和步驟不僅適合于該類型絞刀齒輪箱箱體的設計與改進，同時對于其他新產品的設計及研發也有一定的實用價值和參考意義。

[1]戚金業.船用齒輪箱箱體的有限元模態分析[J]. 裝備制造技術, 2009(8): 18-21.

[2]楊成云,林騰蛟,李潤方,等.中心傳動齒輪箱體有限元分析及結構優化設計[J]. 重型機械, 2001(2):42-45.

[3]李杰,王樂勤. 1.5MW風力發電齒輪箱箱體的有限元分析[J]. 太陽能學報, 2008, 29(11): 1438-1442.

[4]周柏卓,陳美英. Mentat 命令說明[M]. 北京:美國曼科分析研究有限公司北京代表處, 1997.

[5]美國曼科分析研究公司. MSC.MARC軟件培訓教程[M]. 北京:美國曼科分析研究公司北京代表處,1997.

Study on Simulation and Optimization of Cutter Gearbox Housing of Large Suction Dredgers

GONG Chun-quan1, LIU Chang-yun2, YAN Zhong-sheng1, JIANG Rui-tian1, LI Qiang1, ZHAO Fei1
(1.Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, CSIC, Shanghai 200090, China; 2. CCCC Tianjin Dredging Co., Ltd., Tianjin 300461, China)

Taking a cutter gearbox housing of large suction dredgers as researched object, the 3D parametric structural design and modeling of the cutter gearbox housing are carried out by using Pro/E software. The model is imported to finite element simulation analysis software MSC.MARC. And then its structure is analyzed. The research method shortens design period of the cutter gearbox and improves the design quality greatly. This provides a new effective method for the optimization design of the large dredger cutter gear box housing.

cutter gearbox; structure simulation; marc software; suction dredger

TH132

A

龔春全（1979-），男，高級工程師。主要研究方向為工程船舶動力傳動系統設計，CAD/CAM/CAE。