CAE在船舶桨轴系统中的应用研究惠 磊 （新世纪船舶设计研发（上海）有限公司，上海 201203） 摘 要：介绍了CAE在船舶动力系统桨轴的应用情况，CAE强大的模拟计算功能对设计研发起到了关键作用，未来应着眼于更加全面和细致化的CAE计算仿真，以提高新产品的设计效率、缩短设计周期和降低研发成本。 关键词：桨轴系统；CAE；仿真计算 近年来，随着计算机技术的快速发展，根据船舶推进装置实际工作状况进行力学抽象与数学建模，利用力学的基本理论和数学工具来分析、研究和模拟的计算数值仿真技术得以迅速发展。在船舶桨轴设计中，各种各样的CAE仿真工具正逐步得到应用。CAE可以模拟推进装置各种工作状况，不但能优化推进性能,还能及早发现设计缺陷，有效的缩短研发周期、提高设计质量、降低研发成本，使企业在市场上提高竞争力。 1 船舶领域的CAE技术在应用CAE是用计算机辅助求解来分析和优化复杂工程和产品的力学性能。其基本过程是将一个连续体的求解区域分解为有限节点的子区域，通过求解有限单元上的场变量值得出连续体的场变量。所利用的理论方法包括有限元法、有限体积法、有限差分法、边界元法等。根据求解算法一般分为显式解法和隐式解法。常用基于隐式解法的线性和非线性结构CAE分析软件有ABAQUS、ANSYS、ADINA、MARC、NASTRAN等；基于显式解法非线性结构CAE分析软件有DYTRAN、LS-DYNA、MADYMO等。 CAE计算过程主要分为三个过程，分别是前处理、求解器求解计算以及后处理。在前处理过程中，主要是模型搭建和网格划分。很多CAE软件可以自己进行模型搭建，但多数设计师使用PROE、CATIA、UG等CAD软件建模并通过CAD软件和CAE软件通用的接口，将三维模型导入CAE软件中进行有限元计算。目前主流的CAE软件都有网格划分功能，网格划分的质量直接会影响到后来计算结果的质量，网格划分质量的评定标准比较复杂，并非是越多越好，要兼顾计算成本的大小和计算结果准确性。目前，前处理公认最好的软件是HYPERMESH。后处理则是对计算结果可视化的处理，根据设计要求，对有限元分析结果按照要求的加工、检查，并以图形方式提供给用户来帮助用户判定计算结果与设计方案的合理性。 利用CAE软件进行仿真计算有以下几个优点：（1）可优化设计，找出设计最佳方案，在满足设计要求前提下降低材料成本。（2）减少螺旋桨水动力试验次数，缩短研发成本和研发周期。（3）对于轴、桨出现的故障进行分析，查找事故原因。（4）可以模拟设备极端运行工况，通过设定模型参数、加载条件求得计算结果，在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题。 2 螺旋桨仿真应用螺旋桨通过旋转运动给船舶提供推力，在不均匀流场中工作以及机械不平衡引起船舶振动及噪声。达到临界转速的空泡效应能导致桨叶的剥蚀损伤。由螺旋桨的可靠性而导致船舶动力装置的失效占据相当大的比重。 螺旋桨的CAE设计是根据船舶型线和船艉部螺旋桨的水流场，在充分考虑空泡控制、压力脉动、震动和噪音的情况下，对叶片的侧斜、倾斜、盘面比和叶片数等参数进行均衡和优化，对桨毂的形状流优化并减小体积，从而降低阻力，提高效率，减少在常规操作和极限负荷时螺旋桨的应力，延长使用寿命，提高船舶安全性与舒适性。 螺旋桨的设计受主机和螺旋桨的匹配限制以及水动力约束。在螺旋的水动力特性敞水性能预报设计方面，传统的CAE是基于升力线/升力面软件SPROP、EPPLER剖面设计软件、面元法预报软件等进行设计，用计算流体力学软件FLUENT进行设计评估，通过设计—评估—再设计的循环，直到得到设计要求为止。目前CAE通过工程优化软件ISIGHT做为平台在传统设计方法、优化设计理论基础上进行多学科优化设计，通过模型试验对优化结果进行水动力性能进行最后设计结果验证。 在螺旋桨的机械性能研究方面，将水动力性能仿真得出不同运行工况下桨叶上的压力分布作为边界条件，通过CAE软件，例如ABAQUS中的扩展有限元模块计算得到桨叶上的应力分布，模拟不同工况下的螺旋桨疲劳及寿命预测。在CAE分析市场，ABAQUS和NASTRAN对结构、疲劳等方面的计算能力都比较强大。KAPPEL螺旋桨通过CAE进行优化设计，通过水池实验，使用同一船模在吃水，航速等相同条件下，优化的螺旋桨能有效的提高推进效率，与传统的螺旋桨相比，提高了5.2%。 3 轴系仿真应用船舶轴系主要是将发动机输出的扭矩传递给螺旋桨，并将螺旋桨旋转的推力传递给整个船舶。广义的轴系通常包括传动轴、轴承、联轴节、减速箱、离合器以及轴系接地装置。现代轴系设计的追求目标是合理的选择轴系的材料和尺寸以确保轴系在船舶生命周期内的可靠性、安全性和耐用性。 从结构上，轴系的强度、刚度和疲劳特性、振动（扭振、纵振、橫振、滚振）是进行仿真计算中最关心的几个方面；从安装工艺上，轴系的校中计算是需要关心的方面。扭转振动是由发动机和螺旋桨的不均匀扭矩引起的，它会导致轴系断裂和传动齿轮损坏，扭振优化将通过调整主发动机飞轮惯量或轴线尺寸及材质实现。回旋振动，对于细长的轴线可能会出现，是由轴系安装误差、材质不均匀、螺旋桨的干扰力引起。轴向振动，通常发生在由4缸和5缸低速主机直接耦合螺旋桨的推进装置，由螺旋桨推力不均匀引起的，若不进行适当的抑制会引发结构振动或推力轴承严重磨损和烧坏、曲柄箱破裂、传动齿轮损坏。 采用CAE对船舶轴系特性进行分析，可以优化轴系设计并为轴系管理维护提供支持。在计算机CAE仿真中，首先建立轴系的三维实体模型，然后通过在有限元软件ANSYS进传动轴系的模态分析并获得含有轴系固有频率和振型的模态文件，然后将此文件导入多体动力学分析软件ADAMS，从而进一步建立传动轴系的动力学仿真分析模型。在多体动力学分析软件中通过在轴上加载不同的载荷，来分析推进轴系的动力学特性。通过调整负荷的大小、优化整个推进装置，从而确保最大限度降低推进系统的振动。 近年来，可降解环保滑油在轴系密封中大量使用，由于可降解滑油的粘温特性与传统的矿物滑油有很大的区别，如果不优化轴系的设计会引起船舶在航行中出现艉轴高温现象。可以通过CAE建立轴、润滑油膜及轴承的模型，分析螺旋桨轴线与轴承轴线夹角、螺旋桨转速、滑油油膜动态特性，从而调整轴线夹角（轴承斜镗孔），轴系与轴承配合，轴承的个数、布置和定位等解决尾轴高温问题。 4 齿轮箱仿真应用齿轮箱是有轴、轴承、齿轮、箱体等组成，常用于四冲程中速或高速柴油机推进系统，因为柴油机相对转速较高，为了使螺旋桨在最佳转速下工作，需要配有减速齿轮箱。齿轮箱传递很大的功率和扭矩。因此，在齿轮箱内各齿轮啮合传动的过程中，齿轮间就会产生很大的切向力、轴向力与径向力，并且这些力会通过各个轴承传递到箱体上使箱体受力变形。据统计，齿轮箱故障中齿轮、轴和滚动轴承故障占整个减速器故障的90%以上。齿轮故障包含由齿轮面点蚀和塑性变形，齿轮磨损、轮齿折断和崩角等。齿轮轴故障包含轴的疲劳断裂以及轴承的磨损。齿轮箱体的故障包含箱体疲劳、冲击破坏和冲击能量激励起共振。 可以采用CAE进行齿轮箱的设计和优化，以及从发生故障的齿轮箱进行分析,找出故障原因并进行改进从而提高齿轮箱工作的可靠性。首先在CAD软件中,根据齿轮结合参数,通过齿轮轮廓的曲线建立起主动轮和从动轮的模型图，和通过约束建立齿轮副的啮合模型；然后截取其中啮合的轮齿将数据存储转换为IGES格式并使用CAE有限元软件读取IGES格式的数据，通过数据接口把模型输入到CAE软件中，通过修复丢失的数据并形成完整的模型；最后在CAE中对齿轮设定材料参数，加载，网格划分等进行有限元分析和设计优化。 5 结语数字化造船已经成为造船领域发展的趋势，要缩短推进装置的设计周期，关键是提高CAE仿真的效率。首先是桨、轴的快速建模。受行业自身特点限制,需要花费很长时间从二维CAD图纸设计转换成三维CAE模型；其次是解决三维CAD模型导入CAE软件的数据丢失问题；最后是解决流体、温度场等多体力学耦合和运动学快速求解。 展望未来CAE在桨轴设计中将有如下特点：（1）CAE计算的多学科跨专业化。随着北极航线的开辟，冰区航行的船舶越来越多，这促使船舶轴桨CAE计算将在更加精确的基础上扩大计算的学科领域,如流场与固体冲击的耦合计算、振动与噪声的耦合计算、高速冲击下的结构力学与热力学计算等。（2）集成化CAD/CAE。CAE将与通用CAD软件进行无缝集成，解决CAD数据导入CAE时发生数据丢失的问题，工程技术人员在用CAD软件完成设计后，CAE软件自动生成有限元网格并进行计算，如果分析的结果不符合设计要求，则需重新进行设计和优化计算，直到满足要求，从而极大地提高了工作效率。 参考文献： [1]程成，须文波，冷文浩,基于ISIGHT平台DOE方法的螺旋桨敞水性能优化设计,计算机工程与设计[J],2007,28(6). [2]高庆水，杨建刚,基于CFD方法的液体动压滑动轴承动特性研究,润滑与密封[J],2008,33(9). [3]丁康，李巍华，朱小勇，齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术[M].北京:机械工业出版社.2005,5. 中图分类号：U664 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2017）04（下）-0178-02 |
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