基于ANSYS的船用螺旋槳模態分析與優化設計

杜鵬 陳代明 馬君亭

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

關鍵詞：ANSYS有限元分析；螺旋槳模態分析；優化設計

中圖分類號：U673.38 文獻標志碼：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力裝置，其設計與制造精度直接決定艦船運行性能。目前，螺旋槳的設計技術我國已達到領先水平，但是加工制造技術還存在較大差距。我國對于船用螺旋槳現階段的加工一直采用手工打磨的方式，其工作環境差，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，我國一些學者正在研究利用機器人進行螺旋槳銑削加工的工藝系統，其具有較多的優勢。研究發現，銑削加工中的振動一直是影響加工質量的主要因素，所以，針對螺旋槳的振動模態分析是研究的重點內容。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行模態振型分析，通過施加約束條件分析使用支撐時的模態變化，尋找優化的支撐方法。

1 模型處理

利用三維建模軟件UG對現有的螺旋槳設計模型進行簡單處理，避免在后續有限元分析時遇到的一些問題。如圖1所示為螺旋槳的設計模型，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，對后續有限元的網格劃分會帶來影響，所以，利用一直徑為3290mm的同心圓柱面截取設計模型，截去葉梢的尖角部分，對模型整體模態的影響可以忽略不計，處理如圖2所示。另外，根據螺旋槳的結構特點，靠近槳轂部分結構較復雜，靠近葉梢部分結構簡單，所以為了在后續的單元劃分時保證較高精度的同時又花費較少時間，在模型處理時將螺旋槳分割為兩部分實體，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出x_t格式文件，以便ANSYS軟件導入。

2 船用螺旋槳有限元分析

2.1 網格劃分與載荷分析

根據查閱文獻，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。由于螺旋槳曲面結構復雜，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節點的四面體單元，每個節點具有XYZ三個方向的平移自由度，劃分網格時采用自由劃分網格方式。單個葉片網格劃分結果為122611個節點，82129個單元，網格生成如圖3所示。

在求解模塊，需要設置約束條件和載荷，根據實際螺旋槳的加工裝夾情況，選取螺旋槳下端面施加6個自由度約束。在自由模態分析階段，載荷只考慮由自重產生的預緊力。

即為無阻尼自由振動的特征方程，由此式即可得到結構的各階固有頻率。

ANSYS中的模態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算速度，所以本文選擇此種求解方法。在進行模態仿真時發現每五個模態頻率值相近，考慮是由于多個葉片造成的影響，故而把仿真模型改為槳轂加單個葉片。

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

3 優化設計

3.1 輔助支撐設計

本文研究船用螺旋槳的模態頻率主要是為了避免在加工過程中因周期切削力的激勵而產生共振，進而影響加工質量，所以實際加工中常常采用支撐的方式減小振動和變形。如圖5所示為實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。

本文選取支撐點位置為優化設計變量，單個葉片對應模態頻率的最大振幅為優化目標變量，通過選取不同位置的支撐結果進行對比，得到模態頻率最合適，振幅最小的支撐位置。華中科技大學宮秀梅研究了支撐位置的優化算法，本文參考了此種算法。

3.2 支撐位置優化

根據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該沿曲面的法向，但是在ANSYS中施加載荷和約束時只能沿XYZ的軸線方向或繞軸線旋轉方向，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，仿真結果也具有一定的參考價值。如圖6所示，在靠近葉梢部分選取了3個不同的位置設置支撐約束進行仿真。

在施加約束時，為了逼近實際約束情況，選取直徑相同圓內的節點施加Z向位移約束，頻率求解結果如表2所示。從模態頻率結果可以看出，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中的模態振型可以看出，施加支撐后會使葉梢部分振幅增大。同時發現，只施加一個支撐效果不是很明顯，綜合各種因素后確定，同時施加3個支撐，并且將支撐點1向葉梢移動，仿真結果如圖8所示。可以看到，第13階模態振型的位移顯著減小，同時振幅最大對應的第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，振動優化效果明顯。

4 結束語

本文通過對大型船用螺旋槳有支撐和無支撐的模態振型分析，對螺旋槳單葉片的支撐方案進行了優化設計，提高了船用螺旋槳加工時的剛度，進而減小加工振動。同時，本文給出的在多種支撐方案下的模態頻率，對實際加工也具有一定的參考價值，在選擇主軸加工轉速時，應避免選擇模態頻率對應的轉速，防止共振的發生。

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