大型絞吸挖泥船絞刀齒輪箱箱體結(jié)構(gòu)仿真及優(yōu)化研究

龔春全，劉長云，嚴忠勝，江瑞田，李 強，趙 飛

（1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 200090; 2. 中交天津航道局有限公司，天津 300461）

大型絞吸挖泥船絞刀齒輪箱箱體結(jié)構(gòu)仿真及優(yōu)化研究

龔春全1，劉長云2，嚴忠勝1，江瑞田1，李 強1，趙 飛1

（1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 200090; 2. 中交天津航道局有限公司，天津 300461）

以某大型挖泥船絞刀齒輪箱箱體為研究對象，運用Pro/E軟件進行參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和建模，導(dǎo)入到有限元仿真分析軟件MSC.MARC中，對其進行結(jié)構(gòu)仿真分析。研究方法縮短了絞刀齒輪箱的設(shè)計周期，同時提高了設(shè)計質(zhì)量。這為大型挖泥船絞刀齒輪箱箱體的優(yōu)化設(shè)計提供了一種有效的新方法。

絞刀齒輪箱；結(jié)構(gòu)仿真；MARC軟件；絞吸挖泥船

0 引言

絞吸挖泥船廣泛應(yīng)用于江河湖庫的清淤整治、港口航道的建設(shè)與維護、填海造地、海洋油氣基礎(chǔ)設(shè)施、城鄉(xiāng)現(xiàn)代化建設(shè)等國民經(jīng)濟基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域。絞刀齒輪箱作為大型絞吸挖泥船技術(shù)難度最高、工況最惡劣且復(fù)雜、承受大沖擊的關(guān)鍵設(shè)備，以前一直依賴進口。近幾年，七一一研究所為天津航道局、上海航道局、長江航道局等提供了數(shù)十套絞刀齒輪箱，逐步改變了其長期依賴進口的局面。如何快速響應(yīng)市場，設(shè)計開發(fā)具有高可靠性、高壽命、重量輕的絞刀齒輪箱依舊是亟需解決的關(guān)鍵難題。絞刀齒輪箱的箱體是承載所有載荷的重要部件，是設(shè)計開發(fā)絞刀齒輪箱的關(guān)鍵之一。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，三維實體造型技術(shù)和有限元仿真技術(shù)逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“試錯”方法，能夠在物理樣機制造之前對樣機進行結(jié)構(gòu)建模、仿真、分析及優(yōu)化，可大幅縮短新產(chǎn)品的研制周期和加工成本，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。

戚金業(yè)[1]在船用齒輪箱箱體的有限元模擬分析方面進行了研究；而楊成云[2]等在中心傳動齒輪箱有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面進行了探索。利用三維建模軟件進行復(fù)雜產(chǎn)品建模，再利用有限元仿真分析軟件進行仿真，分析結(jié)果再優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計必將逐步成為新產(chǎn)品開發(fā)的一種重要方法。為此，本文介紹了一種運用Pro/E軟件建立了絞刀齒輪箱箱體的三維模型，而后轉(zhuǎn)化到MSC.MARC軟件中添加復(fù)雜的約束和力等，形成其虛擬樣機，再進行有限元仿真和分析，為設(shè)計及優(yōu)化提供依據(jù)。

1 參數(shù)化建模及結(jié)構(gòu)仿真步驟

利用Pro/E軟件和MARC軟件對絞刀齒輪箱箱體進行參數(shù)化建模及結(jié)構(gòu)仿真的主要步驟為：1）利用Pro/E建立絞刀齒輪箱箱體的三維實體參數(shù)化模型；2）將建立的CAD模型轉(zhuǎn)換成IGES格式文件；3）MARC把IGES格式文件轉(zhuǎn)換成有限元模型，定義邊界條件、添加載荷等；4）利用MARC進行仿真分析；5）分析仿真結(jié)果(如與理論計算結(jié)果或材料特性對比等)，若不符合要求，再對模型進行優(yōu)化，重新進行仿真分析直至得到理想的仿真結(jié)果。絞刀齒輪箱箱體參數(shù)化建模及結(jié)構(gòu)仿真流程如圖1所示。

圖1 絞刀齒輪箱箱體參數(shù)化建模及結(jié) 構(gòu)仿真過程

2 建立箱體有限元模型

某大型絞吸挖泥船絞刀齒輪箱的結(jié)構(gòu)為雙機并車、三級減速傳動；箱體采用焊接結(jié)構(gòu)，主要由下箱體、中箱體和上箱體三部分組成。其結(jié)構(gòu)和受力十分復(fù)雜，采用力學(xué)理論和解析公式很難得出準確的應(yīng)力，故采用有限元進行精確分析是非常必要的。

2.1 箱體幾何模型

絞刀齒輪箱箱體組件是整個齒輪箱的外殼，同時是軸承的支承體，承受來自絞刀的雙向巨大推力和齒輪傳動時產(chǎn)生的反力。箱體各部件由軸承座和鋼板通過焊接連接，其中在下箱體部件上設(shè)計有獨立的推力軸承座并與底板焊接在一起?？紤]到計算效率，忽略不影響強度的細節(jié)，如聯(lián)接螺栓沉頭孔、各種油孔、視窗孔、軸承軸向定位槽等。

2.2 Pro/E與MARC之間的模型轉(zhuǎn)換

從Pro/E到MARC的模型轉(zhuǎn)換方法主要有兩種：1）MARC軟件通過MENTAT的子目錄bin直接調(diào)用，自動轉(zhuǎn)換成MENTAT的模型文件；2）通過標準圖形格式轉(zhuǎn)換，即將Pro/E創(chuàng)建的模型轉(zhuǎn)換成標準中間格式文件(如IGES格式)，再導(dǎo)入到MARC中，轉(zhuǎn)換成MENTAT的模型文件。實際應(yīng)用中筆者發(fā)現(xiàn)采用IGES中間格式轉(zhuǎn)化的模型效果更好，本文采用第二種方法進行模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

2.3 定義材料屬性參數(shù)和聯(lián)接關(guān)系

在進行有限元分析時，必須定義材料的主要屬性參數(shù)，包括：彈性模量、泊松比、密度、抗拉強度及屈服強度。絞刀齒輪箱箱體為焊接件，軸承座及其他鋼板材料應(yīng)按其各自材料分別定義。

考慮到實際工作過程中，下箱體、中箱體和上箱體通過分箱面螺栓緊密地聯(lián)接在一起，不允許有任何相對運動。因此，在有限元分析時可把將螺栓和焊接部分簡化為剛性連接，即將下箱體、中箱體、上箱體、推力軸承上端蓋全部作為一個整體。

2.4 添加載荷及位移約束邊界條件

載荷與位移約束決定了有限元分析工況與實際工況的近似程度。添加正確的載荷及位移約束無疑是得到正確仿真計算結(jié)果的前提條件，也是有限元分析技術(shù)應(yīng)用于工程領(lǐng)域的關(guān)鍵之一。

絞刀齒輪箱箱體載荷包括各軸承載荷和軸向推力載荷，其中軸承載荷又分為徑向載荷和軸向載荷。在工程設(shè)計中，軸承處的支反力都是按集中力進行計算的，但在實際運轉(zhuǎn)中，無論滾動軸承還是滑動軸承，其最終載荷都是通過軸承外圈或者軸承座傳遞的，都屬于面上的分布壓力載荷。軸向載荷 Fa均勻作用在軸承孔端面圓周上，徑向載荷Fr按余弦規(guī)律作用于軸承與軸承孔接觸區(qū)域60°范圍內(nèi)[3]。箱體軸承孔的所受載荷分析如圖2所示。圖3為徑向載荷的余弦分布圖。

圖2 箱體軸承孔的所受載荷分析圖

圖3 箱體軸承孔徑向載荷余弦分布圖

箱體軸承孔半徑為R，寬度為B，徑向分布載荷的合力為Fr，其最大分布載荷密度為Q0，ψ為Fr與x軸的夾角，ψ位置的徑向力載荷密度為Qψ，則滿足公式(1)：

求解公式(1)可得出：Q0=5Fr/ 6RB，而 Qψ=Q0cos(1.5ψ)，則：

絞刀齒輪箱箱體的支承設(shè)置在下箱體的水平底面，因此對其進行結(jié)構(gòu)仿真時，位移約束邊界條件定義為約束下

2.5 箱體有限元模型

箱體底座相應(yīng)結(jié)點的6個自由度。

考慮到絞刀齒輪箱箱體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，選定單元類型為實體四面體單元，網(wǎng)格劃分軟件采用HyperMesh，單元數(shù)量331898個。絞刀齒輪箱箱體有限元模型如圖4所示。

圖4 絞刀齒輪箱箱體有限元模型

3 有限元仿真及結(jié)果分析

絞刀齒輪箱工況十分復(fù)雜，主要分單電機工作還是雙電機工作、絞刀軸向力為拉力還是推力、絞刀軸向力是額定軸向力還是最大軸向力等。因此需要對各種典型工況進行有限元仿真，以確定齒輪箱最惡劣工況。限于篇幅，本文僅列出部分典型工況仿真計算結(jié)果。工況及對應(yīng)的條件見表1。

表1 工況及對應(yīng)的條件

3.1 工況1

在雙電機全功率滿負載、絞刀軸向力為額定拉力工況下，齒輪箱箱體的等效應(yīng)力如圖5所示，齒輪箱箱體x方向、y方向的位移如圖6所示。從圖5、6可看出，齒輪箱箱體的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在齒輪箱輸出端，最大值為59.04MPa；最大位移出現(xiàn)在齒輪箱輸入端，主要表現(xiàn)為y方向(垂向)的位移，最大值約為0.36mm。

圖5 工況1條件下齒輪箱箱體的等效應(yīng)力圖(MPa)

圖6 工況1條件下齒輪箱箱體的位移圖(mm)

3.2 工況2

在雙電機全功率滿負載、絞刀軸向力為額定推力工況下，齒輪箱箱體的等效應(yīng)力如圖7所示,齒輪箱箱體x方向、y方向的位移如圖8所示。從圖7、8可以看出，齒輪箱箱體的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在齒輪箱輸出端，最大值為57.94MPa；最大位移出現(xiàn)在齒輪箱輸出端，主要表現(xiàn)為y方向(垂向)的位移，最大值約為0.29mm。

圖7 工況2條件下齒輪箱箱體的等效應(yīng)力圖(MPa)

圖8 工況2條件下齒輪箱箱體的位移圖(mm)

3.3 工況3

雙電機沖擊負載、絞刀軸向力為最大拉力工況下，齒輪箱箱體的等效應(yīng)力如圖9所示，齒輪箱箱體x方向、y方向的位移如圖10所示。從圖9、10可看出，齒輪箱箱體的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在齒輪箱輸出端，最大值為89.38MPa；最大位移出現(xiàn)在齒輪箱輸入端，主要表現(xiàn)為y方向(垂向)的位移，最大值約為0.53mm。

圖9 工況3條件下齒輪箱箱體的等效應(yīng)力圖(MPa)

圖10 工況3條件下齒輪箱箱體的位移圖(mm)

3.4 工況4

雙電機沖擊負載、絞刀軸向力為最大推力力工況下，齒輪箱箱體的等效應(yīng)力如圖11所示，齒輪箱箱體x方向、y方向的位移如圖12所示。從圖11、12可以看出，齒輪箱箱體的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在齒輪箱輸出端，最大值為87.43MPa；最大位移出現(xiàn)在齒輪箱輸出端，主要表現(xiàn)為y方向(垂向)的位移，最大值約為0.45mm。

圖11 工況4條件下齒輪箱箱體的等效應(yīng)力圖(MPa)

圖12 工況4條件下齒輪箱箱體的位移圖(mm)

由以上的有限元分析結(jié)果看，最大應(yīng)力主要集中在輸出端推力軸承座及其加強筋；該部位的結(jié)構(gòu)將對計算結(jié)果有較大的影響。

3.5 工況5

雙電機沖擊負載、絞刀軸向力為最大拉力工況下，增加加強筋后齒輪箱箱體有限元模型如圖13所示，齒輪箱箱體的等效應(yīng)力如圖14所示，齒輪箱箱體x方向、y方向的位移如圖15所示。對比圖14、15與圖9、10可看出，齒輪箱箱體的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在齒輪箱輸出端，最大值為67.02MPa(比增加加強筋前減少約25%)。最大位移出現(xiàn)在齒輪箱輸入端，主要表現(xiàn)為y方向(垂向)的位移，最大值約為 0.43mm(比增加加強筋前減少約18%)。優(yōu)化效果十分明顯。

圖13 增加加強筋的絞刀齒輪箱箱體有限元模型

圖14 工況5條件下齒輪箱箱體的等效應(yīng)力圖(MPa)

圖15 工況5條件下齒輪箱箱體的位移圖(mm)

4 結(jié)論

本文利用Pro/E和MARC建立了某大型絞吸挖泥船絞刀齒輪箱箱體的有限元模型，并對其進行有限元仿真分析。仿真結(jié)果為齒輪箱箱體結(jié)構(gòu)的研制、改進及特性研究提供了充足的數(shù)據(jù)和可靠的理論依據(jù)，為提高該絞刀齒輪箱箱體的設(shè)計質(zhì)量，降低研制成本，縮短研制周期創(chuàng)造了良好的必要條件。

本文的仿真結(jié)果表明，利用Pro/E和MARC聯(lián)合仿真的方法是復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化的一條有效途徑。本文的研究方法和步驟不僅適合于該類型絞刀齒輪箱箱體的設(shè)計與改進，同時對于其他新產(chǎn)品的設(shè)計及研發(fā)也有一定的實用價值和參考意義。

[1]戚金業(yè).船用齒輪箱箱體的有限元模態(tài)分析[J]. 裝備制造技術(shù), 2009(8): 18-21.

[2]楊成云,林騰蛟,李潤方,等.中心傳動齒輪箱體有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 重型機械, 2001(2):42-45.

[3]李杰,王樂勤. 1.5MW風(fēng)力發(fā)電齒輪箱箱體的有限元分析[J]. 太陽能學(xué)報, 2008, 29(11): 1438-1442.

[4]周柏卓,陳美英. Mentat 命令說明[M]. 北京:美國曼科分析研究有限公司北京代表處, 1997.

[5]美國曼科分析研究公司. MSC.MARC軟件培訓(xùn)教程[M]. 北京:美國曼科分析研究公司北京代表處,1997.

Study on Simulation and Optimization of Cutter Gearbox Housing of Large Suction Dredgers

GONG Chun-quan1, LIU Chang-yun2, YAN Zhong-sheng1, JIANG Rui-tian1, LI Qiang1, ZHAO Fei1
(1.Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, CSIC, Shanghai 200090, China; 2. CCCC Tianjin Dredging Co., Ltd., Tianjin 300461, China)

Taking a cutter gearbox housing of large suction dredgers as researched object, the 3D parametric structural design and modeling of the cutter gearbox housing are carried out by using Pro/E software. The model is imported to finite element simulation analysis software MSC.MARC. And then its structure is analyzed. The research method shortens design period of the cutter gearbox and improves the design quality greatly. This provides a new effective method for the optimization design of the large dredger cutter gear box housing.

cutter gearbox; structure simulation; marc software; suction dredger

TH132

A

龔春全（1979-），男，高級工程師。主要研究方向為工程船舶動力傳動系統(tǒng)設(shè)計，CAD/CAM/CAE。