基于ANSYS船舶軸系的振動校核計算

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

2、敲擊。因此，在船舶設(shè)計過程中，有必要對船舶軸系進行振動校合計算。對于軸系這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，運用有限元方法進行振動計算具有明顯的優(yōu)越性。本文針對交通大學(xué)和某造船廠共同設(shè)計開發(fā)的46000噸集裝箱船，應(yīng)用ANSYS有限元軟件6.0版本對其傳動軸系進行振動校合計算，為進一步的設(shè)計提供參考。ANSYS是美國ANSYS公司開發(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)動力分析、瞬態(tài)分析、模態(tài)分析、流體動力學(xué)分析、電磁場分析等多種功能。本文即是利用ANSYS軟件的模態(tài)分析功能，完成對船舶軸系這一復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模和有限元分析。實踐證明，這種方法可以有效的提高工作效率，縮短分析周期，對工程實際是非常有效的

3、。2 軸系計算的有限元模型進行校合計算的46000噸集裝箱船，采用的是瓦西蘭公司的32缸柴油發(fā)動機組，發(fā)動機輸出法蘭通過齒輪箱變速后，和中間軸連接，中間軸和艉軸之間有聯(lián)軸節(jié)。中間軸長3.68m，外徑0.4m，無軸承支承。艉軸長5.3m，外徑0.48m，前后分別有兩個軸承，前軸承寬0.48m，后軸承寬1.08m，軸承剛度由軸承說明書給出。中間軸和艉軸中都布置有潤滑系統(tǒng)。螺旋槳是變距螺旋槳，總重14500kg。根據(jù)實際需要，只需對船舶軸系的自由振動情況進行校合計算，不考慮受迫振動情況。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)軸系的實際結(jié)構(gòu)，建模過程中進行了以下簡化：

4、對軸系本體部分采用BEAM188梁單元模擬。BEAM188單元是三維梁單元，每個節(jié)點具有六個自由度：UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ，可以滿足各種振動計算的要求。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節(jié)點上都設(shè)置彈簧單元，來模擬力矩對軸承的影響。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)置兩個彈簧，來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節(jié)點上有兩個彈簧單元，彈簧單元一端直接連接在軸的節(jié)點上，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)置一個彈簧單元來模擬縱向的彈性連接，彈簧的剛度由經(jīng)驗數(shù)據(jù)給出。在水平和垂直方向上也設(shè)置兩個彈簧，來模擬齒輪箱法蘭對軸系的支承作用。對聯(lián)軸節(jié)部分，為了計算方便將其同樣簡化為梁單元，梁單元的徑不變，只是將梁單元的外徑適當(dāng)放大，來模擬這部分的強度。對螺旋槳部分，將艉軸部分適當(dāng)延長來模擬螺旋槳部分的長度，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)量計算)簡化為集中質(zhì)量，集中質(zhì)量

6、直接加在螺旋槳的幾何中心位置。經(jīng)過以上簡化處理，可以建立軸系的有限元計算模型，見圖1。軸系共有節(jié)點63個，其中方向節(jié)點27個，BEAM188梁單元27個，采用了5種不同的截面形狀，COMBINE14彈簧單元15個，MASS21質(zhì)量單元1個。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算模型3 軸系橫向振動的計算軸系橫向彎曲振動計算中，假設(shè)軸承的剛度在各個方向上是一樣的，軸系在水平和垂直方向上的振動是一樣的，所以只計算垂直方向的振動。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)點的相對位移值、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)對應(yīng)的模態(tài)參與因子。橫向振動的固有頻率見表1。第一階固有頻率14.286Hz下的參數(shù)值見表2。前兩階的計算結(jié)果圖示如下，見圖2-9。表1 橫向振動的固有頻率表2 橫振頻率f=12.83494 Hz時的參數(shù)值4 軸系縱向振動的計算軸系縱向振動計算中，BEAM188單元只保留UX自由度，其他自由度都去掉。和橫向振動類似，進行模態(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)點的相對振幅，各單元的軸向力。5 軸系扭轉(zhuǎn)振動的計算軸系扭轉(zhuǎn)

8、振動計算中，BEAM188單元只保留ROTX自由度，其他自由度都去掉。和橫向振動類似，進行模態(tài)分析，就可以得到各階固有頻率，各節(jié)點的扭轉(zhuǎn)角、扭角力矩。6 計算結(jié)果的分析和小結(jié)ANSYS軟件為船舶軸系振動計算結(jié)果分析提供了強有力的后處理功能。一方面，可以用列表方式查詢各階頻率下節(jié)點和單元的參數(shù)值，這對考察軸系在某一頻率下的強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算結(jié)果的分布情況，這對于船舶結(jié)構(gòu)的進一步設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。從軸系的振動有限元分析過程可以知道，幾何建模是整個分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，建立的模型是否合適，是否和實際情況一致，特別是模型簡化，必須符合實際情況，不應(yīng)該改變整個結(jié)

9、構(gòu)的物理特性，否則就會造成比較大的誤差。在以上軸系振動計算中，進行了很多簡化和假設(shè)，可能會影響計算結(jié)果。例如，假設(shè)軸承的剛度在各個方向是一樣的，但實際上船舶上的滑動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)軸是簡支在軸承支座上，軸承支座是絕對剛性的，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數(shù)量級，這樣系統(tǒng)的總剛度就降低了;軸承間隙會降低固有頻率;由于船的航速變化與吃水深度的不同，附水質(zhì)量實際上也是一個變數(shù);對艉軸軸承，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、影響了固有頻率計算的準(zhǔn)確。因此，軸系元件的合理簡化是軸系振動計算中最為困難的事。本文嘗試對軸系元件進行簡化，并進行軸系振動的校合計算。通過和以往計算方法的比較，我們認為運用ANSYS進行船舶軸系振動計算，方法簡單、方便、迅速，計算結(jié)果和分布趨勢是合理的，誤差也在工程允許的圍以。運用ANSYS進行船舶軸系的振動校合計算在工程上是完全適用的。說明：本信息1 概述船舶軸系是由推力軸、中間軸、艉軸、推力軸承、滑動軸承、聯(lián)軸節(jié)、螺旋槳等組成的復(fù)雜系統(tǒng)，在船舶運行過程中，它會發(fā)生彎曲振動現(xiàn)象，對船舶正常運行產(chǎn)生不利影響。船舶軸系振動有三種類型：由旋轉(zhuǎn)軸不平衡引起的橫向振動，可以是垂直方向的，也可以是水平方

11、向的，會造成艉管密封漏水或漏油，軸承座松動，甚至破裂;由螺旋槳推力不均勻引起的縱向振動，情況嚴重時可以造成推力軸承敲擊，曲柄箱破裂，有齒輪傳動時，還會損壞齒輪;此外，從主機通過軸系傳遞功率至螺旋槳造成軸段來回擺動，各軸段間的扭角不一樣，從而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動，破壞的結(jié)果是軸系斷裂，有齒輪傳動時，會造成齒輪敲擊。因此，在船舶設(shè)計過程中，有必要對船舶軸系進行振動校合計算。對于軸系這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，運用有限元方法進行振動計算具有明顯的優(yōu)越性。本文針對交通大學(xué)和某造船廠共同設(shè)計開發(fā)的46000噸集裝箱船，應(yīng)用ANSYS有限元軟件6.0版本對其傳動軸系進行振動校合計算，為進一步的設(shè)計提供參考。ANSYS是美國A

12、NSYS公司開發(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)動力分析、瞬態(tài)分析、模態(tài)分析、流體動力學(xué)分析、電磁場分析等多種功能。本文即是利用ANSYS軟件的模態(tài)分析功能，完成對船舶軸系這一復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模和有限元分析。實踐證明，這種方法可以有效的提高工作效率，縮短分析周期，對工程實際是非常有效的。2 軸系計算的有限元模型進行校合計算的46000噸集裝箱船，采用的是瓦西蘭公司的32缸柴油發(fā)動機組，發(fā)動機輸出法蘭通過齒輪箱變速后，和中間軸連接，中間軸和艉軸之間有聯(lián)軸節(jié)。中間軸長3.68m，外徑0.4m，無軸承支承。艉軸長5.3m，外徑0.48m，前后分別有兩個軸承，前軸承寬0.48m，后軸承寬

13、1.08m，軸承剛度由軸承說明書給出。中間軸和艉軸中都布置有潤滑系統(tǒng)。螺旋槳是變距螺旋槳，總重14500kg。根據(jù)實際需要，只需對船舶軸系的自由振動情況進行校合計算，不考慮受迫振動情況。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)軸系的實際結(jié)構(gòu)，建模過程中進行了以下簡化：對軸系本體部分采用BEAM188梁單元模擬。BEAM188單元是三維梁單元，每個節(jié)點具有六個自由度：UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ，可以滿足各種振動計算的要求。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節(jié)點上都設(shè)置彈簧單元，來模擬力矩對軸承的影響。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)置兩個彈簧，來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節(jié)點上有兩個彈簧單元，彈簧單元一端直接連接在軸的節(jié)點上，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)置一個彈簧單元來模擬縱向的彈性連接，彈簧的剛度由經(jīng)驗數(shù)據(jù)給出。在水平和垂直方向上也設(shè)

15、置兩個彈簧，來模擬齒輪箱法蘭對軸系的支承作用。對聯(lián)軸節(jié)部分，為了計算方便將其同樣簡化為梁單元，梁單元的徑不變，只是將梁單元的外徑適當(dāng)放大，來模擬這部分的強度。對螺旋槳部分，將艉軸部分適當(dāng)延長來模擬螺旋槳部分的長度，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)量計算)簡化為集中質(zhì)量，集中質(zhì)量直接加在螺旋槳的幾何中心位置。經(jīng)過以上簡化處理，可以建立軸系的有限元計算模型，見圖1。軸系共有節(jié)點63個，其中方向節(jié)點27個，BEAM188梁單元27個，采用了5種不同的截面形狀，COMBINE14彈簧單元15個，MASS21質(zhì)量單元1個。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算模型3 軸系橫向振動的計算軸系橫向彎曲振動計算中，假設(shè)軸承的剛度在各個方向上是一樣的，軸系在水平和垂直方向上的振動是一樣的，所以只計算垂直方向的振動。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)點的相對位移值、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)對應(yīng)的模態(tài)參與因子。橫向振動的固有頻率見表1。第一階固有頻率14.286Hz下的參數(shù)值見表2。前兩階的計算結(jié)果圖示如下，見圖2-9。表

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

18、考察軸系在某一頻率下的強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算結(jié)果的分布情況，這對于船舶結(jié)構(gòu)的進一步設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。從軸系的振動有限元分析過程可以知道，幾何建模是整個分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，建立的模型是否合適，是否和實際情況一致，特別是模型簡化，必須符合實際情況，不應(yīng)該改變整個結(jié)構(gòu)的物理特性，否則就會造成比較大的誤差。在以上軸系振動計算中，進行了很多簡化和假設(shè)，可能會影響計算結(jié)果。例如，假設(shè)軸承的剛度在各個方向是一樣的，但實際上船舶上的滑動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)軸是簡支在軸承支座上，軸承支座是絕對剛性的，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數(shù)量級，這樣系統(tǒng)的總剛度就降低了;軸承