CAE在船舶槳軸系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

惠 磊

（新世紀(jì)船舶設(shè)計(jì)研發(fā)（上海）有限公司，上海 201203）

摘 要：介紹了CAE在船舶動(dòng)力系統(tǒng)槳軸的應(yīng)用情況，CAE強(qiáng)大的模擬計(jì)算功能對(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)起到了關(guān)鍵作用，未來(lái)應(yīng)著眼于更加全面和細(xì)致化的CAE計(jì)算仿真，以提高新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率、縮短設(shè)計(jì)周期和降低研發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：槳軸系統(tǒng)；CAE；仿真計(jì)算

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，根據(jù)船舶推進(jìn)裝置實(shí)際工作狀況進(jìn)行力學(xué)抽象與數(shù)學(xué)建模，利用力學(xué)的基本理論和數(shù)學(xué)工具來(lái)分析、研究和模擬的計(jì)算數(shù)值仿真技術(shù)得以迅速發(fā)展。在船舶槳軸設(shè)計(jì)中，各種各樣的CAE仿真工具正逐步得到應(yīng)用。CAE可以模擬推進(jìn)裝置各種工作狀況，不但能優(yōu)化推進(jìn)性能,還能及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，有效的縮短研發(fā)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低研發(fā)成本，使企業(yè)在市場(chǎng)上提高競(jìng)爭(zhēng)力。

1 船舶領(lǐng)域的CAE技術(shù)在應(yīng)用

CAE是用計(jì)算機(jī)輔助求解來(lái)分析和優(yōu)化復(fù)雜工程和產(chǎn)品的力學(xué)性能。其基本過(guò)程是將一個(gè)連續(xù)體的求解區(qū)域分解為有限節(jié)點(diǎn)的子區(qū)域，通過(guò)求解有限單元上的場(chǎng)變量值得出連續(xù)體的場(chǎng)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(jù)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(jié)構(gòu)CAE分析軟件有ABAQUS、ANSYS、ADINA、MARC、NASTRAN等；基于顯式解法非線性結(jié)構(gòu)CAE分析軟件有DYTRAN、LS-DYNA、MADYMO等。

CAE計(jì)算過(guò)程主要分為三個(gè)過(guò)程，分別是前處理、求解器求解計(jì)算以及后處理。在前處理過(guò)程中，主要是模型搭建和網(wǎng)格劃分。很多CAE軟件可以自己進(jìn)行模型搭建，但多數(shù)設(shè)計(jì)師使用PROE、CATIA、UG等CAD軟件建模并通過(guò)CAD軟件和CAE軟件通用的接口，將三維模型導(dǎo)入CAE軟件中進(jìn)行有限元計(jì)算。目前主流的CAE軟件都有網(wǎng)格劃分功能，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接會(huì)影響到后來(lái)計(jì)算結(jié)果的質(zhì)量，網(wǎng)格劃分質(zhì)量的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)比較復(fù)雜，并非是越多越好，要兼顧計(jì)算成本的大小和計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性。目前，前處理公認(rèn)最好的軟件是HYPERMESH。后處理則是對(duì)計(jì)算結(jié)果可視化的處理，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)有限元分析結(jié)果按照要求的加工、檢查，并以圖形方式提供給用戶來(lái)幫助用戶判定計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)方案的合理性。

利用CAE軟件進(jìn)行仿真計(jì)算有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）可優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出設(shè)計(jì)最佳方案，在滿足設(shè)計(jì)要求前提下降低材料成本。（2）減少螺旋槳水動(dòng)力試驗(yàn)次數(shù)，縮短研發(fā)成本和研發(fā)周期。（3）對(duì)于軸、槳出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析，查找事故原因。（4）可以模擬設(shè)備極端運(yùn)行工況，通過(guò)設(shè)定模型參數(shù)、加載條件求得計(jì)算結(jié)果，在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題。

2 螺旋槳仿真應(yīng)用

螺旋槳通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)給船舶提供推力，在不均勻流場(chǎng)中工作以及機(jī)械不平衡引起船舶振動(dòng)及噪聲。達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速的空泡效應(yīng)能導(dǎo)致槳葉的剝蝕損傷。由螺旋槳的可靠性而導(dǎo)致船舶動(dòng)力裝置的失效占據(jù)相當(dāng)大的比重。

螺旋槳的CAE設(shè)計(jì)是根據(jù)船舶型線和船艉部螺旋槳的水流場(chǎng)，在充分考慮空泡控制、壓力脈動(dòng)、震動(dòng)和噪音的情況下，對(duì)葉片的側(cè)斜、傾斜、盤(pán)面比和葉片數(shù)等參數(shù)進(jìn)行均衡和優(yōu)化，對(duì)槳轂的形狀流優(yōu)化并減小體積，從而降低阻力，提高效率，減少在常規(guī)操作和極限負(fù)荷時(shí)螺旋槳的應(yīng)力，延長(zhǎng)使用壽命，提高船舶安全性與舒適性。

螺旋槳的設(shè)計(jì)受主機(jī)和螺旋槳的匹配限制以及水動(dòng)力約束。在螺旋的水動(dòng)力特性敞水性能預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)的CAE是基于升力線/升力面軟件SPROP、EPPLER剖面設(shè)計(jì)軟件、面元法預(yù)報(bào)軟件等進(jìn)行設(shè)計(jì)，用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估，通過(guò)設(shè)計(jì)—評(píng)估—再設(shè)計(jì)的循環(huán)，直到得到設(shè)計(jì)要求為止。目前CAE通過(guò)工程優(yōu)化軟件ISIGHT做為平臺(tái)在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)上進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行水動(dòng)力性能進(jìn)行最后設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證。

在螺旋槳的機(jī)械性能研究方面，將水動(dòng)力性能仿真得出不同運(yùn)行工況下槳葉上的壓力分布作為邊界條件，通過(guò)CAE軟件，例如ABAQUS中的擴(kuò)展有限元模塊計(jì)算得到槳葉上的應(yīng)力分布，模擬不同工況下的螺旋槳疲勞及壽命預(yù)測(cè)。在CAE分析市場(chǎng)，ABAQUS和NASTRAN對(duì)結(jié)構(gòu)、疲勞等方面的計(jì)算能力都比較強(qiáng)大。KAPPEL螺旋槳通過(guò)CAE進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)水池實(shí)驗(yàn)，使用同一船模在吃水，航速等相同條件下，優(yōu)化的螺旋槳能有效的提高推進(jìn)效率，與傳統(tǒng)的螺旋槳相比，提高了5.2%。

3 軸系仿真應(yīng)用

船舶軸系主要是將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩傳遞給螺旋槳，并將螺旋槳旋轉(zhuǎn)的推力傳遞給整個(gè)船舶。廣義的軸系通常包括傳動(dòng)軸、軸承、聯(lián)軸節(jié)、減速箱、離合器以及軸系接地裝置?，F(xiàn)代軸系設(shè)計(jì)的追求目標(biāo)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(nèi)的可靠性、安全性和耐用性。

從結(jié)構(gòu)上，軸系的強(qiáng)度、剛度和疲勞特性、振動(dòng)（扭振、縱振、橫振、滾振）是進(jìn)行仿真計(jì)算中最關(guān)心的幾個(gè)方面；從安裝工藝上，軸系的校中計(jì)算是需要關(guān)心的方面。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是由發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳的不均勻扭矩引起的，它會(huì)導(dǎo)致軸系斷裂和傳動(dòng)齒輪損壞，扭振優(yōu)化將通過(guò)調(diào)整主發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪慣量或軸線尺寸及材質(zhì)實(shí)現(xiàn)。回旋振動(dòng)，對(duì)于細(xì)長(zhǎng)的軸線可能會(huì)出現(xiàn)，是由軸系安裝誤差、材質(zhì)不均勻、螺旋槳的干擾力引起。軸向振動(dòng)，通常發(fā)生在由4缸和5缸低速主機(jī)直接耦合螺旋槳的推進(jìn)裝置，由螺旋槳推力不均勻引起的，若不進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊种茣?huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)或推力軸承嚴(yán)重磨損和燒壞、曲柄箱破裂、傳動(dòng)齒輪損壞。

采用CAE對(duì)船舶軸系特性進(jìn)行分析，可以優(yōu)化軸系設(shè)計(jì)并為軸系管理維護(hù)提供支持。在計(jì)算機(jī)CAE仿真中，首先建立軸系的三維實(shí)體模型，然后通過(guò)在有限元軟件ANSYS進(jìn)傳動(dòng)軸系的模態(tài)分析并獲得含有軸系固有頻率和振型的模態(tài)文件，然后將此文件導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS，從而進(jìn)一步建立傳動(dòng)軸系的動(dòng)力學(xué)仿真分析模型。在多體動(dòng)力學(xué)分析軟件中通過(guò)在軸上加載不同的載荷，來(lái)分析推進(jìn)軸系的動(dòng)力學(xué)特性。通過(guò)調(diào)整負(fù)荷的大小、優(yōu)化整個(gè)推進(jìn)裝置，從而確保最大限度降低推進(jìn)系統(tǒng)的振動(dòng)。

近年來(lái)，可降解環(huán)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(tǒng)的礦物滑油有很大的區(qū)別，如果不優(yōu)化軸系的設(shè)計(jì)會(huì)引起船舶在航行中出現(xiàn)艉軸高溫現(xiàn)象。可以通過(guò)CAE建立軸、潤(rùn)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(zhuǎn)速、滑油油膜動(dòng)態(tài)特性，從而調(diào)整軸線夾角（軸承斜鏜孔），軸系與軸承配合，軸承的個(gè)數(shù)、布置和定位等解決尾軸高溫問(wèn)題。

4 齒輪箱仿真應(yīng)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(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，因?yàn)椴裼蜋C(jī)相對(duì)轉(zhuǎn)速較高，為了使螺旋槳在最佳轉(zhuǎn)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(nèi)各齒輪嚙合傳動(dòng)的過(guò)程中，齒輪間就會(huì)產(chǎn)生很大的切向力、軸向力與徑向力，并且這些力會(huì)通過(guò)各個(gè)軸承傳遞到箱體上使箱體受力變形。據(jù)統(tǒng)計(jì)，齒輪箱故障中齒輪、軸和滾動(dòng)軸承故障占整個(gè)減速器故障的90%以上。齒輪故障包含由齒輪面點(diǎn)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(lì)起共振。

可以采用CAE進(jìn)行齒輪箱的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以及從發(fā)生故障的齒輪箱進(jìn)行分析,找出故障原因并進(jìn)行改進(jìn)從而提高齒輪箱工作的可靠性。首先在CAD軟件中,根據(jù)齒輪結(jié)合參數(shù),通過(guò)齒輪輪廓的曲線建立起主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的模型圖，和通過(guò)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換為IGES格式并使用CAE有限元軟件讀取IGES格式的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)接口把模型輸入到CAE軟件中，通過(guò)修復(fù)丟失的數(shù)據(jù)并形成完整的模型；最后在CAE中對(duì)齒輪設(shè)定材料參數(shù)，加載，網(wǎng)格劃分等進(jìn)行有限元分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化造船已經(jīng)成為造船領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)，要縮短推進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)周期，關(guān)鍵是提高CAE仿真的效率。首先是槳、軸的快速建模。受行業(yè)自身特點(diǎn)限制,需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間從二維CAD圖紙?jiān)O(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成三維CAE模型；其次是解決三維CAD模型導(dǎo)入CAE軟件的數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題；最后是解決流體、溫度場(chǎng)等多體力學(xué)耦合和運(yùn)動(dòng)學(xué)快速求解。

展望未來(lái)CAE在槳軸設(shè)計(jì)中將有如下特點(diǎn)：（1）CAE計(jì)算的多學(xué)科跨專業(yè)化。隨著北極航線的開(kāi)辟，冰區(qū)航行的船舶越來(lái)越多，這促使船舶軸槳CAE計(jì)算將在更加精確的基礎(chǔ)上擴(kuò)大計(jì)算的學(xué)科領(lǐng)域,如流場(chǎng)與固體沖擊的耦合計(jì)算、振動(dòng)與噪聲的耦合計(jì)算、高速?zèng)_擊下的結(jié)構(gòu)力學(xué)與熱力學(xué)計(jì)算等。（2）集成化CAD/CAE。CAE將與通用CAD軟件進(jìn)行無(wú)縫集成，解決CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAE時(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題，工程技術(shù)人員在用CAD軟件完成設(shè)計(jì)后，CAE軟件自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格并進(jìn)行計(jì)算，如果分析的結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求，則需重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化計(jì)算，直到滿足要求，從而極大地提高了工作效率。

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中圖分類號(hào)：U664

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0711（2017）04（下）-0178-02