基于APDL的軸系校中計(jì)算

張興濤 蔣嵐嵐

摘要：本文介紹了軸系合理校中的必要性以及基于APDL的校中計(jì)算方法，并通過對(duì)比計(jì)算結(jié)果，說明該計(jì)算方法是完全適用的。

關(guān)鍵詞：軸系校中；APDL；有限元；節(jié)點(diǎn)；軸承反力系數(shù)；頂舉系數(shù)

Shafting Alignment Calculation Based on APDL

ZHANG Xingtao1, JIANG Lanlan2

( 1.CCS Guangzhou Plan Approval Center, Guangzhou 510235; 2.Guangzhou Marine Engineering Corporation, Guangzhou 510250 )

Abstract: This paper introduces the necessity of shafting alignment and the calculation method based on APDL. By comparing the calculation results, it is proved that the method is completely applicable.

Key words: Shafting alignment;APDL;Finite element; Node;Bearing force reaction influence;Jack correction factor

1前言

隨著船舶的大型化及對(duì)推進(jìn)效率的更高要求，螺旋槳的尺寸和重量顯著增加。如果將軸系安裝成直線，往往會(huì)使尾管后軸承的載荷非常嚴(yán)重，軸系上各軸承的負(fù)荷分配也不均勻。為改善軸系各軸承上負(fù)荷的分配，廣泛采用合理校中技術(shù)，即按限定的負(fù)荷、應(yīng)力、轉(zhuǎn)角等約束條件，計(jì)算出各個(gè)軸承合理的垂向位置，人為地把軸線調(diào)整成曲線狀態(tài)，以使軸承上的負(fù)荷合理分配。

目前，軸系合理校中基本都采用靜態(tài)校中。靜態(tài)校中假定軸系各個(gè)軸承為剛性支點(diǎn)，推進(jìn)軸系視為剛性鉸支上的連續(xù)梁。靜態(tài)校中一般考慮軸系的三種狀態(tài)——熱態(tài)、冷態(tài)、安裝狀態(tài)。常用的計(jì)算方法有三彎矩法、遷移矩陣法和有限元法。

ANSYS是大型通用有限元軟件，其APDL（即ANSYS Parametric Design Language的縮寫）功能可提供完成建立模型、施加約束和載荷、求解以及后處理的命令。它除具備一般程序語言的功能外，擴(kuò)充了傳統(tǒng)有限元分析范圍之外的能力，如參數(shù)化建模、宏、標(biāo)量、向量及矩陣運(yùn)算、分支、循環(huán)、以及訪問ANSYS有限元數(shù)據(jù)庫等。利用APDL進(jìn)行軸系校中計(jì)算，能充分地運(yùn)用ANSYS的有限元分析、批處理、后處理等能力。具體過程，以下作詳細(xì)論述。

2建模

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，可以滿足校中計(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)。

APDL 命令的編寫一般是基于TXT 文本編輯器環(huán)境下操作的。通常工程比較龐大時(shí)，要求輸入的用于生成節(jié)點(diǎn)、單元，定義單元屬性、邊界條件、荷載等相關(guān)命令代碼就會(huì)相當(dāng)多，在 TXT文本編輯器環(huán)境下操作變得繁瑣。用Excel軟件輔助生成ANSYS中APDL代碼的方法，可提高建模效率。

按表1中的方式在EXCEL表里填寫數(shù)據(jù)。把每個(gè)雙線框里的數(shù)據(jù)和字母選取，復(fù)制到Microsoft Word->菜單“編輯（S）”->“全選（L）”->菜單“表格（A）”->“轉(zhuǎn)換（V）”->“表格轉(zhuǎn)換成文本（B）”->“逗號(hào)（M）”。對(duì)需要換行的地方進(jìn)行回車操作后，即得到節(jié)點(diǎn)和截面的APDL代碼。以同樣的

在軸承處加載邊界條件，約束UY、ROTX、ROTZ自由度。螺旋槳、飛輪或大齒輪重量作為集中載荷施加在部件所在的節(jié)點(diǎn)上。對(duì)全局施加重力加速度。根據(jù)校中計(jì)算需要，在直線校中、冷態(tài)、熱態(tài)計(jì)算時(shí)，UZ自由度約束在Z軸方向的變位不盡相同，故在求解時(shí)對(duì)UZ單獨(dú)處理。本文以一艘5000噸級(jí)油船的軸系為例，用APDL進(jìn)行有限元分析，模型如圖1。

根據(jù)規(guī)范要求，校中計(jì)算應(yīng)包括冷態(tài)工況、熱態(tài)工況下軸系合理校中時(shí)的軸承變位值、軸截面的變矩或彎曲應(yīng)力、剪力、轉(zhuǎn)角、軸承負(fù)荷。利用APDL命令或APDL中的數(shù)學(xué)計(jì)算很容易得到需要的數(shù)據(jù)。

按規(guī)范要求，安裝狀態(tài)下應(yīng)提供各對(duì)法蘭的偏移和開口值。

安裝狀態(tài)下的計(jì)算，需對(duì)數(shù)據(jù)模型稍作修改。在法蘭聯(lián)接處，設(shè)置兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別跟前一個(gè)節(jié)點(diǎn)和后一個(gè)節(jié)點(diǎn)建立沒有關(guān)聯(lián)的兩個(gè)單元。在外加集中載荷和重力的作用下，求解可得到各對(duì)法蘭的偏移和開口值。安裝狀態(tài)下，變形位移如圖2。

COMPASS是中國船級(jí)社開發(fā)的船舶工程計(jì)算軟件，廣泛應(yīng)用于船舶設(shè)計(jì)和審圖工作。以5000噸級(jí)油船的軸系為例，任意選取兩組數(shù)據(jù)對(duì)比COMPASS和APDL的計(jì)算結(jié)果，如表2、表3：

[1]趙汝斌, 鄒春平. 船舶動(dòng)力裝置安裝工藝學(xué). 北京: 國防工業(yè)出版社, 1995

[2] 夏云根. Excel在ANSYS建模中的應(yīng)用. 第五屆中國CAE工程分析技術(shù)論文集

[3] 博弈創(chuàng)作室. 編著. APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例. 北京:中國水利水電出版社, 2004