基于ANSYS船舶軸系的振動(dòng)校核計(jì)算

1、. . . . 基于ANSYS船舶軸系的振動(dòng)校核計(jì)算1 概述船舶軸系是由推力軸、中間軸、艉軸、推力軸承、滑動(dòng)軸承、聯(lián)軸節(jié)、螺旋槳等組成的復(fù)雜系統(tǒng)，在船舶運(yùn)行過(guò)程中，它會(huì)發(fā)生彎曲振動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)船舶正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。船舶軸系振動(dòng)有三種類型：由旋轉(zhuǎn)軸不平衡引起的橫向振動(dòng)，可以是垂直方向的，也可以是水平方向的，會(huì)造成艉管密封漏水或漏油，軸承座松動(dòng)，甚至破裂;由螺旋槳推力不均勻引起的縱向振動(dòng)，情況嚴(yán)重時(shí)可以造成推力軸承敲擊，曲柄箱破裂，有齒輪傳動(dòng)時(shí)，還會(huì)損壞齒輪;此外，從主機(jī)通過(guò)軸系傳遞功率至螺旋槳造成軸段來(lái)回?cái)[動(dòng)，各軸段間的扭角不一樣，從而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，破壞的結(jié)果是軸系斷裂，有齒輪傳動(dòng)時(shí)，會(huì)造成齒輪

2、敲擊。因此，在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中，有必要對(duì)船舶軸系進(jìn)行振動(dòng)校合計(jì)算。對(duì)于軸系這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，運(yùn)用有限元方法進(jìn)行振動(dòng)計(jì)算具有明顯的優(yōu)越性。本文針對(duì)交通大學(xué)和某造船廠共同設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的46000噸集裝箱船，應(yīng)用ANSYS有限元軟件6.0版本對(duì)其傳動(dòng)軸系進(jìn)行振動(dòng)校合計(jì)算，為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)提供參考。ANSYS是美國(guó)ANSYS公司開(kāi)發(fā)的大型通用有限元分析軟件，它具有結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析、瞬態(tài)分析、模態(tài)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析等多種功能。本文即是利用ANSYS軟件的模態(tài)分析功能，完成對(duì)船舶軸系這一復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模和有限元分析。實(shí)踐證明，這種方法可以有效的提高工作效率，縮短分析周期，對(duì)工程實(shí)際是非常有效的

3、。2 軸系計(jì)算的有限元模型進(jìn)行校合計(jì)算的46000噸集裝箱船，采用的是瓦西蘭公司的32缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出法蘭通過(guò)齒輪箱變速后，和中間軸連接，中間軸和艉軸之間有聯(lián)軸節(jié)。中間軸長(zhǎng)3.68m，外徑0.4m，無(wú)軸承支承。艉軸長(zhǎng)5.3m，外徑0.48m，前后分別有兩個(gè)軸承，前軸承寬0.48m，后軸承寬1.08m，軸承剛度由軸承說(shuō)明書(shū)給出。中間軸和艉軸中都布置有潤(rùn)滑系統(tǒng)。螺旋槳是變距螺旋槳，總重14500kg。根據(jù)實(shí)際需要，只需對(duì)船舶軸系的自由振動(dòng)情況進(jìn)行校合計(jì)算，不考慮受迫振動(dòng)情況。所以在軸系的有限元建模中，只保留從齒輪箱輸出法蘭到螺旋槳部分的軸系。根據(jù)軸系的實(shí)際結(jié)構(gòu)，建模過(guò)程中進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化：

4、對(duì)軸系本體部分采用BEAM188梁?jiǎn)卧M。BEAM188單元是三維梁?jiǎn)卧?，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度：UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ，可以滿足各種振動(dòng)計(jì)算的要求。設(shè)置不同的梁截面，可以模擬不同直徑的軸結(jié)構(gòu)。考慮到潤(rùn)滑系統(tǒng)的布置，這里都設(shè)置為徑100外徑不同的環(huán)形截面。對(duì)彈性支承的軸承部分采用COMBINE14彈簧單元模擬。COMBINE14通常是一維線性彈簧單元，可以分別有三個(gè)方向的自由度UX、UY、UZ，只沿彈簧方向傳遞力。由于軸承有一定的寬度，可以有力矩作用，所以考慮在軸承部分的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都設(shè)置彈簧單元，來(lái)模擬力矩對(duì)軸承的影響。由于是一維彈簧單元，所以考慮在軸的水平和垂直方向

5、分別設(shè)置兩個(gè)彈簧，來(lái)分別模擬軸承部分在Y向和Z向的彈性。所以最后是在軸承部分的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有兩個(gè)彈簧單元，彈簧單元一端直接連接在軸的節(jié)點(diǎn)上，一端設(shè)置為固定端。在軸系和齒輪箱法蘭的連接處，考慮存在彈性連接，所以在縱向上設(shè)置一個(gè)彈簧單元來(lái)模擬縱向的彈性連接，彈簧的剛度由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出。在水平和垂直方向上也設(shè)置兩個(gè)彈簧，來(lái)模擬齒輪箱法蘭對(duì)軸系的支承作用。對(duì)聯(lián)軸節(jié)部分，為了計(jì)算方便將其同樣簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧?，梁?jiǎn)卧膹讲蛔?，只是將梁?jiǎn)卧耐鈴竭m當(dāng)放大，來(lái)模擬這部分的強(qiáng)度。對(duì)螺旋槳部分，將艉軸部分適當(dāng)延長(zhǎng)來(lái)模擬螺旋槳部分的長(zhǎng)度，將螺旋槳的質(zhì)量加上附水質(zhì)量(變距槳按30%的螺旋槳干質(zhì)量計(jì)算)簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量，集中質(zhì)量

6、直接加在螺旋槳的幾何中心位置。經(jīng)過(guò)以上簡(jiǎn)化處理，可以建立軸系的有限元計(jì)算模型，見(jiàn)圖1。軸系共有節(jié)點(diǎn)63個(gè)，其中方向節(jié)點(diǎn)27個(gè)，BEAM188梁?jiǎn)卧?7個(gè)，采用了5種不同的截面形狀，COMBINE14彈簧單元15個(gè)，MASS21質(zhì)量單元1個(gè)。材料的彈性常數(shù)為：彈性模量E=2.1 x 1011 N/m2，泊松比=0.3，密度=7.8 x 103g/m3。圖1 船舶軸系的有限元計(jì)算模型3 軸系橫向振動(dòng)的計(jì)算軸系橫向彎曲振動(dòng)計(jì)算中，假設(shè)軸承的剛度在各個(gè)方向上是一樣的，軸系在水平和垂直方向上的振動(dòng)是一樣的，所以只計(jì)算垂直方向的振動(dòng)。ANSYS模態(tài)分析中，BEAM188單元只保留UY、ROTZ自由度，其他

7、自由度都去掉。模態(tài)分析后可以得出各階固有頻率，各節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位移值、轉(zhuǎn)角值，各單元的彎矩值、剪力值。如果在模態(tài)分析的結(jié)果上，作垂直方向上的諧響應(yīng)分析，就可以得到各階模態(tài)對(duì)應(yīng)的模態(tài)參與因子。橫向振動(dòng)的固有頻率見(jiàn)表1。第一階固有頻率14.286Hz下的參數(shù)值見(jiàn)表2。前兩階的計(jì)算結(jié)果圖示如下，見(jiàn)圖2-9。表1 橫向振動(dòng)的固有頻率表2 橫振頻率f=12.83494 Hz時(shí)的參數(shù)值4 軸系縱向振動(dòng)的計(jì)算軸系縱向振動(dòng)計(jì)算中，BEAM188單元只保留UX自由度，其他自由度都去掉。和橫向振動(dòng)類似，進(jìn)行模態(tài)分析，就可以得到各階固有頻率和模態(tài)參與因子，各節(jié)點(diǎn)的相對(duì)振幅，各單元的軸向力。5 軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的計(jì)算軸系扭轉(zhuǎn)

8、振動(dòng)計(jì)算中，BEAM188單元只保留ROTX自由度，其他自由度都去掉。和橫向振動(dòng)類似，進(jìn)行模態(tài)分析，就可以得到各階固有頻率，各節(jié)點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)角、扭角力矩。6 計(jì)算結(jié)果的分析和小結(jié)ANSYS軟件為船舶軸系振動(dòng)計(jì)算結(jié)果分析提供了強(qiáng)有力的后處理功能。一方面，可以用列表方式查詢各階頻率下節(jié)點(diǎn)和單元的參數(shù)值，這對(duì)考察軸系在某一頻率下的強(qiáng)度和安全性很有幫助。另一方面，可以用彩色云圖的方式顯示計(jì)算結(jié)果的分布情況，這對(duì)于船舶結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。從軸系的振動(dòng)有限元分析過(guò)程可以知道，幾何建模是整個(gè)分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，建立的模型是否合適，是否和實(shí)際情況一致，特別是模型簡(jiǎn)化，必須符合實(shí)際情況，不應(yīng)該改變整個(gè)結(jié)

9、構(gòu)的物理特性，否則就會(huì)造成比較大的誤差。在以上軸系振動(dòng)計(jì)算中，進(jìn)行了很多簡(jiǎn)化和假設(shè)，可能會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。例如，假設(shè)軸承的剛度在各個(gè)方向是一樣的，但實(shí)際上船舶上的滑動(dòng)軸承的剛度在水平和垂直方向是不一樣的，軸的中心環(huán)繞旋轉(zhuǎn)中心的軌跡是橢圓而不是圓形;假設(shè)軸是簡(jiǎn)支在軸承支座上，軸承支座是絕對(duì)剛性的，但是如果軸的直徑相當(dāng)粗，軸和支座的剛度就可能是一個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣系統(tǒng)的總剛度就降低了;軸承間隙會(huì)降低固有頻率;由于船的航速變化與吃水深度的不同，附水質(zhì)量實(shí)際上也是一個(gè)變數(shù);對(duì)艉軸軸承，特別是靠近螺旋槳的最后一道軸承，由于受到較大的螺旋槳懸臂的力矩，受力不均勻，所以是傾側(cè)的，軸承和軸不可能均勻的全部接觸，這也

10、影響了固有頻率計(jì)算的準(zhǔn)確。因此，軸系元件的合理簡(jiǎn)化是軸系振動(dòng)計(jì)算中最為困難的事。本文嘗試對(duì)軸系元件進(jìn)行簡(jiǎn)化，并進(jìn)行軸系振動(dòng)的校合計(jì)算。通過(guò)和以往計(jì)算方法的比較，我們認(rèn)為運(yùn)用ANSYS進(jìn)行船舶軸系振動(dòng)計(jì)算，方法簡(jiǎn)單、方便、迅速，計(jì)算結(jié)果和分布趨勢(shì)是合理的，誤差也在工程允許的圍以。運(yùn)用ANSYS進(jìn)行船舶軸系的振動(dòng)校合計(jì)算在工程上是完全適用的。說(shuō)明：本信息1 概述船舶軸系是由推力軸、中間軸、艉軸、推力軸承、滑動(dòng)軸承、聯(lián)軸節(jié)、螺旋槳等組成的復(fù)雜系統(tǒng)，在船舶運(yùn)行過(guò)程中，它會(huì)發(fā)生彎曲振動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)船舶正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。船舶軸系振動(dòng)有三種類型：由旋轉(zhuǎn)軸不平衡引起的橫向振動(dòng)，可以是垂直方向的，也可以是水平方

11、向的，會(huì)造成艉管密封漏水或漏油，軸承座松動(dòng)，甚至破裂;由螺旋槳推力不均勻引起的縱向振動(dòng)，情況嚴(yán)重時(shí)可以造成推力軸承敲擊，曲柄箱破裂，有齒輪傳動(dòng)時(shí)，還會(huì)損壞齒輪;此外，從主機(jī)通過(guò)軸系傳遞功率至螺旋槳造成軸段來(lái)回?cái)[動(dòng)，各軸段間的扭角不一樣，從而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，破壞的結(jié)果是軸系斷裂，有齒輪傳動(dòng)時(shí)，會(huì)造成齒輪敲擊。因此，在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中，有必要對(duì)船舶軸系進(jìn)行振動(dòng)校合計(jì)算。對(duì)于軸系這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，運(yùn)用有限元方法進(jìn)行振動(dòng)計(jì)算具有明顯的優(yōu)越性。本文針對(duì)交通大學(xué)和某造船廠共同設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的46000噸集裝箱船，應(yīng)用ANSYS有限元軟件6.0版本對(duì)其傳動(dòng)軸系進(jìn)行振動(dòng)校合計(jì)算，為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)提供參考。ANSYS是美國(guó)A

12、NSYS公司開(kāi)發(fā)的大型通用有限元分析軟件，它具有結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析、瞬態(tài)分析、模態(tài)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析等多種功能。本文即是利用ANSYS軟件的模態(tài)分析功能，完成對(duì)船舶軸系這一復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模和有限元分析。實(shí)踐證明，這種方法可以有效的提高工作效率，縮短分析周期，對(duì)工程實(shí)際是非常有效的。2 軸系計(jì)算的有限元模型進(jìn)行校合計(jì)算的46000噸集裝箱船，采用的是瓦西蘭公司的32缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出法蘭通過(guò)齒輪箱變速后，和中間軸連接，中間軸和艉軸之間有聯(lián)軸節(jié)。中間軸長(zhǎng)3.68m，外徑0.4m，無(wú)軸承支承。艉軸長(zhǎng)5.3m，外徑0.48m，前后分別有兩個(gè)軸承，前軸承寬0.48m，后軸承寬

13、1.08m，軸承剛度由軸承說(shuō)明書(shū)給出。中間軸和艉軸中都布置有潤(rùn)滑系統(tǒng)。螺旋槳是變距螺旋槳，總重14500kg。根據(jù)實(shí)際需要，只需對(duì)船舶軸系的自由振動(dòng)情況進(jìn)行校合計(jì)算，不考慮受迫振動(dòng)情況。所以在軸系的有限元建模中，只保留從齒輪箱輸出法蘭到螺旋槳部分的軸系。根據(jù)軸系的實(shí)際結(jié)構(gòu)，建模過(guò)程中進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化：對(duì)軸系本體部分采用BEAM188梁?jiǎn)卧M。BEAM188單元是三維梁?jiǎn)卧?，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度：UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ，可以滿足各種振動(dòng)計(jì)算的要求。設(shè)置不同的梁截面，可以模擬不同直徑的軸結(jié)構(gòu)?？紤]到潤(rùn)滑系統(tǒng)的布置，這里都設(shè)置為徑100外徑不同的環(huán)形截面。對(duì)彈性支承的軸承部

14、分采用COMBINE14彈簧單元模擬。COMBINE14通常是一維線性彈簧單元，可以分別有三個(gè)方向的自由度UX、UY、UZ，只沿彈簧方向傳遞力。由于軸承有一定的寬度，可以有力矩作用，所以考慮在軸承部分的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都設(shè)置彈簧單元，來(lái)模擬力矩對(duì)軸承的影響。由于是一維彈簧單元，所以考慮在軸的水平和垂直方向分別設(shè)置兩個(gè)彈簧，來(lái)分別模擬軸承部分在Y向和Z向的彈性。所以最后是在軸承部分的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有兩個(gè)彈簧單元，彈簧單元一端直接連接在軸的節(jié)點(diǎn)上，一端設(shè)置為固定端。在軸系和齒輪箱法蘭的連接處，考慮存在彈性連接，所以在縱向上設(shè)置一個(gè)彈簧單元來(lái)模擬縱向的彈性連接，彈簧的剛度由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出。在水平和垂直方向上也設(shè)

15、置兩個(gè)彈簧，來(lái)模擬齒輪箱法蘭對(duì)軸系的支承作用。對(duì)聯(lián)軸節(jié)部分，為了計(jì)算方便將其同樣簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧?，梁?jiǎn)卧膹讲蛔?，只是將梁?jiǎn)卧耐鈴竭m當(dāng)放大，來(lái)模擬這部分的強(qiáng)度。對(duì)螺旋槳部分，將艉軸部分適當(dāng)延長(zhǎng)來(lái)模擬螺旋槳部分的長(zhǎng)度，將螺旋槳的質(zhì)量加上附水質(zhì)量(變距槳按30%的螺旋槳干質(zhì)量計(jì)算)簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量，集中質(zhì)量直接加在螺旋槳的幾何中心位置。經(jīng)過(guò)以上簡(jiǎn)化處理，可以建立軸系的有限元計(jì)算模型，見(jiàn)圖1。軸系共有節(jié)點(diǎn)63個(gè)，其中方向節(jié)點(diǎn)27個(gè)，BEAM188梁?jiǎn)卧?7個(gè)，采用了5種不同的截面形狀，COMBINE14彈簧單元15個(gè)，MASS21質(zhì)量單元1個(gè)。材料的彈性常數(shù)為：彈性模量E=2.1 x 1011 N/m2

16、，泊松比=0.3，密度=7.8 x 103g/m3。圖1 船舶軸系的有限元計(jì)算模型3 軸系橫向振動(dòng)的計(jì)算軸系橫向彎曲振動(dòng)計(jì)算中，假設(shè)軸承的剛度在各個(gè)方向上是一樣的，軸系在水平和垂直方向上的振動(dòng)是一樣的，所以只計(jì)算垂直方向的振動(dòng)。ANSYS模態(tài)分析中，BEAM188單元只保留UY、ROTZ自由度，其他自由度都去掉。模態(tài)分析后可以得出各階固有頻率，各節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位移值、轉(zhuǎn)角值，各單元的彎矩值、剪力值。如果在模態(tài)分析的結(jié)果上，作垂直方向上的諧響應(yīng)分析，就可以得到各階模態(tài)對(duì)應(yīng)的模態(tài)參與因子。橫向振動(dòng)的固有頻率見(jiàn)表1。第一階固有頻率14.286Hz下的參數(shù)值見(jiàn)表2。前兩階的計(jì)算結(jié)果圖示如下，見(jiàn)圖2-9。表

17、1 橫向振動(dòng)的固有頻率表2 橫振頻率f=12.83494 Hz時(shí)的參數(shù)值4 軸系縱向振動(dòng)的計(jì)算軸系縱向振動(dòng)計(jì)算中，BEAM188單元只保留UX自由度，其他自由度都去掉。和橫向振動(dòng)類似，進(jìn)行模態(tài)分析，就可以得到各階固有頻率和模態(tài)參與因子，各節(jié)點(diǎn)的相對(duì)振幅，各單元的軸向力。5 軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的計(jì)算軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算中，BEAM188單元只保留ROTX自由度，其他自由度都去掉。和橫向振動(dòng)類似，進(jìn)行模態(tài)分析，就可以得到各階固有頻率，各節(jié)點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)角、扭角力矩。6 計(jì)算結(jié)果的分析和小結(jié)ANSYS軟件為船舶軸系振動(dòng)計(jì)算結(jié)果分析提供了強(qiáng)有力的后處理功能。一方面，可以用列表方式查詢各階頻率下節(jié)點(diǎn)和單元的參數(shù)值，這對(duì)

18、考察軸系在某一頻率下的強(qiáng)度和安全性很有幫助。另一方面，可以用彩色云圖的方式顯示計(jì)算結(jié)果的分布情況，這對(duì)于船舶結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。從軸系的振動(dòng)有限元分析過(guò)程可以知道，幾何建模是整個(gè)分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，建立的模型是否合適，是否和實(shí)際情況一致，特別是模型簡(jiǎn)化，必須符合實(shí)際情況，不應(yīng)該改變整個(gè)結(jié)構(gòu)的物理特性，否則就會(huì)造成比較大的誤差。在以上軸系振動(dòng)計(jì)算中，進(jìn)行了很多簡(jiǎn)化和假設(shè)，可能會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。例如，假設(shè)軸承的剛度在各個(gè)方向是一樣的，但實(shí)際上船舶上的滑動(dòng)軸承的剛度在水平和垂直方向是不一樣的，軸的中心環(huán)繞旋轉(zhuǎn)中心的軌跡是橢圓而不是圓形;假設(shè)軸是簡(jiǎn)支在軸承支座上，軸承支座是絕對(duì)剛性的，但是如果軸的直徑相當(dāng)粗，軸和支座的剛度就可能是一個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣系統(tǒng)的總剛度就降低了;軸承