基于有限元的船舶輪機葉片失效與改進設計

董明達 理工造船（鄂州）股份有限公司

在應急推進裝置、燃氣輪機等動力推進裝置以及風機、葉片泵等輔助動力裝置中船舶輪機葉片應用較為廣泛，輪機葉片在水介質中運行的過程中水流從葉片進水口流入，從出水口流出，葉片主要承受水流的沖刷和阻力。為提高葉片的過流能力和轉輪運行效率，通常在葉片設計過程中減小葉片厚度、增大葉片剛度和強度，使其既不斷裂失效，又不會發生較大變形。但是，葉片厚度減薄后發生疲勞斷裂失效的可能性大大增加，由于船舶輪機葉片長期運行于水下環境中，對其應力及位移分布情況進行測量存在較大難度，無法得知葉片是否存在斷裂的可能及原因，也無法有效改善葉片幾何結構。為此，本文通過有限元分析軟件對船舶輪機葉片運行過程進行模擬，得出葉片應力場及位移場等的實際分布情況，為葉片斷裂失效故障的有效解決提供技術支持和方案設計。

1.模型構建

某典型船舶輪機葉片由傳動軸和葉片結構構成，且葉片呈不規則的幾何結構，上下表面均為形式復雜的超曲面?？紤]到該輪機形狀結構的特殊性，很難構建起與實際葉片完全一樣的模型。故在建模時將葉片離散為485個非常小的六面體，以盡量逼近葉片實際，葉片表面所承受的壓強隨曲面變化，也就是說葉片表面每一點壓強均不同，為此，根據等效原則將荷載平均加載至各個面。所構建的船舶輪機葉片有限元模型具體見圖1。

圖1 船舶輪機葉片有限元模型

為進行網格劃分對船舶輪機葉片失效影響的比較分析，本文采取兩種方式劃分有限元網格。一種是由3265個20節點Solid95單元所組成的較粗網格，并沿著葉片厚度向劃分為四層結構；另一種是由11598個20節點Solid95單元組成的較細網格，并沿著葉片厚度向劃分為五層結構。為體現出船舶輪機葉片實際斷裂部位應力集中情況，還進行了斷裂部位有限元網格的加密處理。傳動軸x、y、z向位移約束均設置為0，船舶輪機葉片在水介質內工作過程中上下面均受到壓強作用，通過數值模擬得到各離散點壓強，并加載至組成葉片的小六面體上，便可得出葉片上下面各點壓強值。

2.計算結果分析

本文所分析的典型船舶輪機葉片由各向同性鋁合金材料制成，其楊氏模量、屈服應力和強度極限值分別取225GPa、550MPa和750MPa，泊松比0.3，為保證分析結果的適用性與準確性，分三種工況進行仿真模擬。其中工況Ⅰ為最危險工況，工況Ⅱ和工況Ⅲ應力場與位移場分布特點與工況Ⅰ基本一致，僅在數量上與工況Ⅰ存在差異。本文分析船舶輪機葉片強度和剛度時主要以工況Ⅰ為代表性工況，其余兩種工況的分析過程與工況Ⅰ基本一致，故忽略其分析過程。

2.1 粗網格分析結果

根據網格較粗時工況Ⅰ有限元分析結果，船舶輪機葉片最大等效應力（176MPa）出現在實際斷裂部位，這與實際運行情況十分吻合。但結合類似工程經驗發現，如此低的應力水平一般不會導致實際船舶輪機葉片發生快速斷裂。通過進一步的網格細化發現，該船舶輪機葉片沿z向位移最大值為1.85mm，且主要出現在葉片外緣底部。

2.2 細網格分析結果

船舶輪機葉片連接傳動軸的部位幾何形式上存在急劇變化，且容易發生應力集中現象，最大等效應力也必將發生在這一部位。為體現出沿葉片厚度向應力的梯度變化情況，在葉片厚度向增設了一層網格，有限元分析結果表明：葉片實際斷裂部位的等效應力值最大，為564MPa，超出鋁合金材料屈服應力，葉片厚度加密后等效應力最大值為加密前的2倍多，應力水平的增大必將引發此部位快速斷裂。與此同時，在斷裂區域周圍等效應力呈明顯的梯度下降趨勢，也說明此區域內存在應力集中現象，疲勞破壞出現的可能性較大，對該區域所采取的網格加密處理也十分必要，加密后的分析結果更加符合船舶輪機葉片運行實際。

模型中輪機葉片外緣沿z 向位移最大值為1.798mm，網格細分以及葉片厚度加密前位移最大值為1.78mm，說明此類操作對葉片位移結果的影響并不大。

2.3 應力水平分析

以上分析結果表明，船舶輪機葉片等效應力基本為屈服應力狀態，在較高的應力水平循環作用下很容易引發輪機葉片疲勞斷裂失效。通過采用相應措施改進葉片結構后應力水平顯著下降，斷裂損失得到有效抑制。在實踐中通常將卸載槽或過度圓角增設于機械零件臺階處以控制應力水平、降低應力集中系數。但是輪機葉片運行過程中還必須考慮其傳動軸與其余零件之間的有效配合，增設過度圓角將不利于其傳動軸的配合，故本文主要采取增設卸載槽的做法。卸載槽半徑是影響應力集中系數大小的主要因素，從理論層面來看，卸載槽半徑增大至一定程度后，應力集中系數便不再減??；然而卸載槽半徑越大，便會產生更大的葉片剛度削弱力和葉片位移，會降低水輪機工作性能。為此，必須探求最佳的卸載槽半徑取值，使得應力水平降低的同時葉片剛度不明顯削弱，位移也不明顯增大。分析卸載槽半徑分別為5mm、10mm和15mm時的應力水平及位移場，以進行卸載槽半徑最佳取值的判斷。比較分析結果見表1。

（1）卸載槽半徑5mm。將半徑5mm的卸載槽增設在船舶輪機葉片應力集中部位并進行有限元分析，結果表明，葉片等效應力最大值從564MPa降低至353MPa，但這種高應力水平下葉片發生斷裂破壞的可能性仍較大。葉片斷裂區域等效應力下降梯度呈遞減趨勢，但仍存在較為明顯的應力集中，在輪機葉片機械零件臺階處增設半徑5mm卸載槽的做法無法達到降低應力的效果。增設半徑5mm卸載槽后輪機葉片外緣沿z向位移最大值從之前的1.798mm增大至1.846mm，表明葉片剛度下降的同時位移只增大了0.048mm。

（2）卸載槽半徑10mm。將半徑10mm的卸載槽增設在船舶輪機葉片應力集中部位并進行有限元分析，根據結果，葉片等效應力最大值從564MPa降低至264MPa，其應力水平降低程度顯然優于半徑5mm的卸載槽。葉片斷裂區域等效應力下降梯度呈較為明顯的遞減趨勢，且應力集中現象基本得到緩解，應力呈較為均勻的分布。增設半徑10mm卸載槽后輪機葉片外緣沿z向位移最大值從增設卸載槽前的1.798mm增大至1.878mm，位移增大了0.08mm，但葉片剛度無明顯下降。

（3）卸載槽半徑15mm。將半徑15mm的卸載槽增設在船舶輪機葉片應力集中部位并進行有限元分析，根據結果，葉片等效應力最大值從564MPa降低至267MPa，其應力水平降低程度不如增設半徑10mm的卸載槽。增設半徑15mm卸載槽后輪機葉片外緣沿z向位移最大值從增設卸載槽前的1.798mm增大至2.297mm，位移增大0.499mm，葉片剛度與前兩種情況相比下降很大。綜上，建議采用半徑10mm的卸載槽，以便在解決輪機葉片應力集中問題的同時使葉片剛度和強度進一步增強。

3.結論

綜上所述，在不同工況下船舶輪機葉片等效應力最大值所處部位與葉片實際斷裂部位完全吻合，表明本文分析結果能體現葉片運行實際，葉片等效應力最大值均超出葉片材料屈服應力，且在最大等效應力區域等效應力呈明顯的梯度變化趨勢，應力集中，引發輪機葉片疲勞破壞的可能性較大。在采用粗網格時，應力水平變動敏感且降幅較大，無法體現出葉片應力集中區域實際應力情況，但位移計算結果受網格密度影響較小，可采用加密后的細網格。將卸載槽增設至輪機葉片應力集中區域后可顯著降低區域應力集中現象，但對葉片z向位移的影響并不顯著。為此，在實踐中，船舶輪機葉片可采用增設圓形過度倒角或半徑10mm卸載槽的做法，以降低輪機葉片應力集中程度，保證葉片工作性能的順利發揮。