CAE在船舶槳軸系統中的應用研究

惠 磊

（新世紀船舶設計研發（上海）有限公司，上海 201203）

CAE在船舶槳軸系統中的應用研究

惠 磊

（新世紀船舶設計研發（上海）有限公司，上海 201203）

介紹了CAE在船舶動力系統槳軸的應用情況，CAE強大的模擬計算功能對設計研發起到了關鍵作用，未來應著眼于更加全面和細致化的CAE計算仿真，以提高新產品的設計效率、縮短設計周期和降低研發成本。

槳軸系統；CAE；仿真計算

近年來，隨著計算機技術的快速發展，根據船舶推進裝置實際工作狀況進行力學抽象與數學建模，利用力學的基本理論和數學工具來分析、研究和模擬的計算數值仿真技術得以迅速發展。在船舶槳軸設計中，各種各樣的CAE仿真工具正逐步得到應用。CAE可以模擬推進裝置各種工作狀況，不但能優化推進性能,還能及早發現設計缺陷，有效的縮短研發周期、提高設計質量、降低研發成本，使企業在市場上提高競爭力。

1 船舶領域的CAE技術在應用

CAE是用計算機輔助求解來分析和優化復雜工程和產品的力學性能。其基本過程是將一個連續體的求解區域分解為有限節點的子區域，通過求解有限單元上的場變量值得出連續體的場變量。所利用的理論方法包括有限元法、有限體積法、有限差分法、邊界元法等。根據求解算法一般分為顯式解法和隱式解法。常用基于隱式解法的線性和非線性結構CAE分析軟件有ABAQUS、ANSYS、ADINA、MARC、NASTRAN等；基于顯式解法非線性結構CAE分析軟件有DYTRAN、LS-DYNA、MADYMO等。

CAE計算過程主要分為三個過程，分別是前處理、求解器求解計算以及后處理。在前處理過程中，主要是模型搭建和網格劃分。很多CAE軟件可以自己進行模型搭建，但多數設計師使用PROE、CATIA、UG等CAD軟件建模并通過CAD軟件和CAE軟件通用的接口，將三維模型導入CAE軟件中進行有限元計算。目前主流的CAE軟件都有網格劃分功能，網格劃分的質量直接會影響到后來計算結果的質量，網格劃分質量的評定標準比較復雜，并非是越多越好，要兼顧計算成本的大小和計算結果準確性。目前，前處理公認最好的軟件是HYPERMESH。后處理則是對計算結果可視化的處理，根據設計要求，對有限元分析結果按照要求的加工、檢查，并以圖形方式提供給用戶來幫助用戶判定計算結果與設計方案的合理性。

利用CAE軟件進行仿真計算有以下幾個優點：（1）可優化設計，找出設計最佳方案，在滿足設計要求前提下降低材料成本。（2）減少螺旋槳水動力試驗次數，縮短研發成本和研發周期。（3）對于軸、槳出現的故障進行分析，查找事故原因。（4）可以模擬設備極端運行工況，通過設定模型參數、加載條件求得計算結果，在產品制造或工程施工前預先發現潛在的問題。

2 螺旋槳仿真應用

螺旋槳通過旋轉運動給船舶提供推力，在不均勻流場中工作以及機械不平衡引起船舶振動及噪聲。達到臨界轉速的空泡效應能導致槳葉的剝蝕損傷。由螺旋槳的可靠性而導致船舶動力裝置的失效占據相當大的比重。

螺旋槳的CAE設計是根據船舶型線和船艉部螺旋槳的水流場，在充分考慮空泡控制、壓力脈動、震動和噪音的情況下，對葉片的側斜、傾斜、盤面比和葉片數等參數進行均衡和優化，對槳轂的形狀流優化并減小體積，從而降低阻力，提高效率，減少在常規操作和極限負荷時螺旋槳的應力，延長使用壽命，提高船舶安全性與舒適性。

螺旋槳的設計受主機和螺旋槳的匹配限制以及水動力約束。在螺旋的水動力特性敞水性能預報設計方面，傳統的CAE是基于升力線/升力面軟件SPROP、EPPLER剖面設計軟件、面元法預報軟件等進行設計，用計算流體力學軟件FLUENT進行設計評估，通過設計—評估—再設計的循環，直到得到設計要求為止。目前CAE通過工程優化軟件ISIGHT做為平臺在傳統設計方法、優化設計理論基礎上進行多學科優化設計，通過模型試驗對優化結果進行水動力性能進行最后設計結果驗證。

在螺旋槳的機械性能研究方面，將水動力性能仿真得出不同運行工況下槳葉上的壓力分布作為邊界條件，通過CAE軟件，例如ABAQUS中的擴展有限元模塊計算得到槳葉上的應力分布，模擬不同工況下的螺旋槳疲勞及壽命預測。在CAE分析市場，ABAQUS和NASTRAN對結構、疲勞等方面的計算能力都比較強大。KAPPEL螺旋槳通過CAE進行優化設計，通過水池實驗，使用同一船模在吃水，航速等相同條件下，優化的螺旋槳能有效的提高推進效率，與傳統的螺旋槳相比，提高了5.2%。

3 軸系仿真應用

船舶軸系主要是將發動機輸出的扭矩傳遞給螺旋槳，并將螺旋槳旋轉的推力傳遞給整個船舶。廣義的軸系通常包括傳動軸、軸承、聯軸節、減速箱、離合器以及軸系接地裝置。現代軸系設計的追求目標是合理的選擇軸系的材料和尺寸以確保軸系在船舶生命周期內的可靠性、安全性和耐用性。

從結構上，軸系的強度、剛度和疲勞特性、振動（扭振、縱振、橫振、滾振）是進行仿真計算中最關心的幾個方面；從安裝工藝上，軸系的校中計算是需要關心的方面。扭轉振動是由發動機和螺旋槳的不均勻扭矩引起的，它會導致軸系斷裂和傳動齒輪損壞，扭振優化將通過調整主發動機飛輪慣量或軸線尺寸及材質實現。回旋振動，對于細長的軸線可能會出現，是由軸系安裝誤差、材質不均勻、螺旋槳的干擾力引起。軸向振動，通常發生在由4缸和5缸低速主機直接耦合螺旋槳的推進裝置，由螺旋槳推力不均勻引起的，若不進行適當的抑制會引發結構振動或推力軸承嚴重磨損和燒壞、曲柄箱破裂、傳動齒輪損壞。

采用CAE對船舶軸系特性進行分析，可以優化軸系設計并為軸系管理維護提供支持。在計算機CAE仿真中，首先建立軸系的三維實體模型，然后通過在有限元軟件ANSYS進傳動軸系的模態分析并獲得含有軸系固有頻率和振型的模態文件，然后將此文件導入多體動力學分析軟件ADAMS，從而進一步建立傳動軸系的動力學仿真分析模型。在多體動力學分析軟件中通過在軸上加載不同的載荷，來分析推進軸系的動力學特性。通過調整負荷的大小、優化整個推進裝置，從而確保最大限度降低推進系統的振動。

近年來，可降解環保滑油在軸系密封中大量使用，由于可降解滑油的粘溫特性與傳統的礦物滑油有很大的區別，如果不優化軸系的設計會引起船舶在航行中出現艉軸高溫現象。可以通過CAE建立軸、潤滑油膜及軸承的模型，分析螺旋槳軸線與軸承軸線夾角、螺旋槳轉速、滑油油膜動態特性，從而調整軸線夾角（軸承斜鏜孔），軸系與軸承配合，軸承的個數、布置和定位等解決尾軸高溫問題。

4 齒輪箱仿真應用

齒輪箱是有軸、軸承、齒輪、箱體等組成，常用于四沖程中速或高速柴油機推進系統，因為柴油機相對轉速較高，為了使螺旋槳在最佳轉速下工作，需要配有減速齒輪箱。齒輪箱傳遞很大的功率和扭矩。因此，在齒輪箱內各齒輪嚙合傳動的過程中，齒輪間就會產生很大的切向力、軸向力與徑向力，并且這些力會通過各個軸承傳遞到箱體上使箱體受力變形。據統計，齒輪箱故障中齒輪、軸和滾動軸承故障占整個減速器故障的90%以上。齒輪故障包含由齒輪面點蝕和塑性變形，齒輪磨損、輪齒折斷和崩角等。齒輪軸故障包含軸的疲勞斷裂以及軸承的磨損。齒輪箱體的故障包含箱體疲勞、沖擊破壞和沖擊能量激勵起共振。

可以采用CAE進行齒輪箱的設計和優化，以及從發生故障的齒輪箱進行分析,找出故障原因并進行改進從而提高齒輪箱工作的可靠性。首先在CAD軟件中,根據齒輪結合參數,通過齒輪輪廓的曲線建立起主動輪和從動輪的模型圖，和通過約束建立齒輪副的嚙合模型；然后截取其中嚙合的輪齒將數據存儲轉換為IGES格式并使用CAE有限元軟件讀取IGES格式的數據，通過數據接口把模型輸入到CAE軟件中，通過修復丟失的數據并形成完整的模型；最后在CAE中對齒輪設定材料參數，加載，網格劃分等進行有限元分析和設計優化。

5 結語

數字化造船已經成為造船領域發展的趨勢，要縮短推進裝置的設計周期，關鍵是提高CAE仿真的效率。首先是槳、軸的快速建模。受行業自身特點限制,需要花費很長時間從二維CAD圖紙設計轉換成三維CAE模型；其次是解決三維CAD模型導入CAE軟件的數據丟失問題；最后是解決流體、溫度場等多體力學耦合和運動學快速求解。

展望未來CAE在槳軸設計中將有如下特點：（1）CAE計算的多學科跨專業化。隨著北極航線的開辟，冰區航行的船舶越來越多，這促使船舶軸槳CAE計算將在更加精確的基礎上擴大計算的學科領域,如流場與固體沖擊的耦合計算、振動與噪聲的耦合計算、高速沖擊下的結構力學與熱力學計算等。（2）集成化CAD/CAE。CAE將與通用CAD軟件進行無縫集成，解決CAD數據導入CAE時發生數據丟失的問題，工程技術人員在用CAD軟件完成設計后，CAE軟件自動生成有限元網格并進行計算，如果分析的結果不符合設計要求，則需重新進行設計和優化計算，直到滿足要求，從而極大地提高了工作效率。

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1671-0711（2017）04（下）-0178-02