基于SolidWorks的非收放式減搖鰭搖臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

趙樹培，盛 興

（公安海警學院 機電管理系，浙江 寧波 315801）

基于SolidWorks的非收放式減搖鰭搖臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

趙樹培，盛 興

（公安海警學院 機電管理系，浙江 寧波 315801）

本文針對海警某1500噸級巡邏艦出現(xiàn)的非收放式減搖鰭的搖臂斷裂故障，用SolidWorks軟件對執(zhí)行機構(gòu)的搖臂受力情況進行仿真分析研究，探究搖臂斷裂故障的深層原因，依據(jù)仿真結(jié)果對搖臂進行優(yōu)化設計，使改進后的搖臂能滿足強度要求，在工作中更加可靠，更利于保養(yǎng)維護。

減搖鰭；搖臂；Solidworks；仿真優(yōu)化

隨著維護國家海洋權(quán)益斗爭的日趨激烈和海上執(zhí)法執(zhí)勤任務的日益加重，海警艦艇的活動范圍將越來越廣，較以往相比其航行海況必將越來越惡劣。為了減小艦艇在風浪中的搖擺，保證艦艇的安全性和舒適性，需設置適當?shù)臏p搖裝置提高艦艇的減搖能力。減搖鰭是海警艦艇常用的一種主動式減搖裝置，可以改善艦艇的適航性，提高艦艇的安全性。非收放式減搖鰭具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可塑性高、成本低等優(yōu)點，被廣泛地應用于海警艦艇。但是，由于減搖鰭與水面直接接觸，在減搖鰭升力和波浪力等多種載荷的聯(lián)合作用下，易產(chǎn)生大變形和損壞，容易受氧化反應的影響導致減搖鰭銹蝕損壞，特別是搖臂結(jié)構(gòu)，由于受力情況苛刻，更容易出現(xiàn)故障，從而影響到艦艇的正常航行。本文結(jié)合維修實踐，對減搖鰭的搖臂結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析，探究搖臂斷裂故障的深層原因，為以后的維護保養(yǎng)，降低故障概率，提出了一定的改進方法[1]。

一、非收放式減搖鰭執(zhí)行機構(gòu)組成及工作原理

非收放式減搖鰭一直伸出舷外，遇到風浪需要減搖時按控制規(guī)律轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生升力，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、可靠性高及成本低等優(yōu)點。減搖鰭裝置是由鰭、鰭座與機械組合體(執(zhí)行機構(gòu))、液壓控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)三大部分組成。鰭的外形類似于尾舵，為對稱翼型，平面形狀早期為矩形，后改為梯形。當艦艇在風浪中航行產(chǎn)生橫搖運動時，鰭繞鰭軸往復擺動，鰭上便產(chǎn)生升力，形成抵抗橫搖運動的穩(wěn)定力矩，起到減緩艦艇橫搖的作用。鰭座是機械組合體的基座，起到固定的作用，它的外形是一個長方體的箱子，其下端與外板焊接，四周與船的縱、橫箱板焊接，鰭座中間是一個圓柱體，供執(zhí)行機構(gòu)插入，上部面板與執(zhí)行機構(gòu)以螺栓連接。

圖1 非收放式減搖鰭執(zhí)行機構(gòu)模型

執(zhí)行機構(gòu)是一個驅(qū)動鰭轉(zhuǎn)動的機械液壓傳動機構(gòu)，它由轉(zhuǎn)鰭機構(gòu)(由液壓缸、搖臂和鰭軸等組成)、密封填料盒、鰭角反饋盒、止動和限位機構(gòu)等組成，如圖1所示。執(zhí)行機構(gòu)安裝在鰭座內(nèi)，其上的鰭軸從艦艇的舭部伸出與鰭相連接。執(zhí)行機構(gòu)主要是驅(qū)動鰭往復擺動，限制鰭的擺動作用，反饋鰭的轉(zhuǎn)角信號，當鰭不工作時將鰭鎖緊于零位，并通過油管與液壓控制系統(tǒng)實現(xiàn)油路連接。

鰭裝在艦艇左右舭部，當艦艇以速度V航行時，若一舷鰭相對于流線方向偏轉(zhuǎn)α角，如圖2所示，根據(jù)連續(xù)流原理，鰭的上方流速大壓力低，下方流速小壓力高，上下水流之壓差在鰭上產(chǎn)生一向上的升力P，升力表達式如式1所示。

式中：ρ——海水密度；

Cy——鰭的升力系數(shù)(鰭形設定后，其值僅與鰭轉(zhuǎn)角α有關)；

S——鰭的面積；

V——艦艇航速。

圖2 減搖鰭升力產(chǎn)生

同時，若另一舷的鰭向反方向偏轉(zhuǎn)，則同理產(chǎn)生一個向下的升力P，在左右兩舷鰭升力的作用下將對艦艇形成一個穩(wěn)定力矩，穩(wěn)定力矩與鰭面積S，航速V的平方，鰭角α成正比。對某一艦艇的減搖鰭裝置而言，當鰭面積S為定值后，在給定航速下，穩(wěn)定力矩主要隨鰭角變化。不論艦艇在何種航向下，只要控制鰭角α，使鰭對艦艇產(chǎn)生穩(wěn)定力矩最大限度地抵消波浪對艦艇的擾動力矩Mst，即可達到穩(wěn)定艦艇減小橫搖的作用。

二、仿真分析

為建立非收放式減搖鰭執(zhí)行機構(gòu)模型，我們先用SolidWorks軟件創(chuàng)建其CAD幾何體模型，即運用SolidWorks軟件分別制作執(zhí)行機構(gòu)的各組成部分(油缸、搖臂、鰭軸)模型，然后進行裝配，得到非收放式減搖鰭執(zhí)行機構(gòu)的CAD幾何體模型。最后添加分析類型、材料屬性、支撐夾具、載荷等參數(shù)，確定分析類型，從而得到所需數(shù)學模型[2]。將所建立數(shù)學模型通過離散化過程剖分為有限單元，即將幾何模型劃分成網(wǎng)格，進而建立有限元模型。

目前海警艦艇上多為非收放式減搖鰭，該裝置在日常執(zhí)行任務中易受減搖鰭升力和波浪力等多種載荷的作用，易產(chǎn)生較大變形及損壞，其中搖臂機構(gòu)較易出現(xiàn)故障[3]。本文結(jié)合海警某1500噸級巡邏艦在特定海況下?lián)u臂的受力情況進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析，由于搖臂與鰭軸為過渡配合，在安裝維修上易產(chǎn)生動應力。在油缸帶動搖臂來回擺動的過程中，搖臂會受到交變載荷作用而受到交變應力的影響。在耳環(huán)與搖臂本體之間由于存在著結(jié)構(gòu)突變，所以存在著應力集中[4]。因此，搖臂在特定的海況下工作可能會出現(xiàn)裂紋甚至可能造成斷裂的故障，如圖3所示。

圖3 搖臂斷裂圖

為了更好的探究搖臂結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的故障并結(jié)合故障進行優(yōu)化設計，本文分析的流程為：創(chuàng)建算例、應用材料、添加約束、施加載荷、劃分網(wǎng)格、運行計算、分析結(jié)果。打開搖臂模型，創(chuàng)建命名為搖臂的算例，添加材料為灰鑄鐵。由于搖臂與鰭軸的連接方式為鍵連接，因此，應在鍵槽兩側(cè)面添加固定約束，在軸孔處添加固定鉸鏈約束，如圖4所示。減搖過程中，搖臂的驅(qū)動力來源于兩個油缸的拉力和推力[5]。公式2表明，液壓缸系統(tǒng)的設計壓力P=12.5MPa，缸體內(nèi)徑D=95mm，活塞桿直徑d=63mm，則液壓缸產(chǎn)生的最大推力（作用在耳環(huán)且方向向下)和最大拉力(作用在耳環(huán)且方向向上)為：

此時可輸出最大扭矩，且使搖臂的受力情況最惡劣。添加載荷完成后，對搖臂模型進行網(wǎng)格劃分，選擇高品質(zhì)網(wǎng)格，選擇默認網(wǎng)格密度，進行運行計算，得出分析結(jié)果。

圖4 網(wǎng)格劃分—約束—載荷

從應力的分析結(jié)果如圖5所示。可以看出搖臂的應力分布情況，其中在兩個耳環(huán)根部截面的突變處所產(chǎn)生的應力較大。由于推力F1大于拉力F2，且耳環(huán)根部結(jié)構(gòu)具有非對稱性，在周期性拉力和推力的作用下，最大應力出現(xiàn)在F1作用的耳環(huán)下方右側(cè)。

圖5 灰鑄鐵Von Mises應力分析圖

從安全系數(shù)的分析結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯鰞蓚€耳環(huán)根部的截面突變處的安全系數(shù)較小，最小安全系數(shù)出現(xiàn)在受到推力F1作用的耳環(huán)上方的右側(cè)位置與最大應力出現(xiàn)位置不一致，這是因為搖臂耳環(huán)在推力F1的作用下，其上部受拉，下部受壓，而搖臂的抗拉強度遠小于抗壓強度，故在上下應力相差不多的情況下，耳環(huán)上方安全系數(shù)小，易發(fā)生斷裂。

圖6 灰鑄鐵安全系數(shù)分析圖

從位移的分析結(jié)果如圖7所示。可以看出耳環(huán)處變形較大，主要由于在受到油缸推力F1和拉力F2的直接作用，且耳環(huán)槽內(nèi)存在結(jié)構(gòu)突變，最大位移出現(xiàn)在右側(cè)耳環(huán)槽根部。

圖7 灰鑄鐵位移分析圖

圖8 Q235 Von Mises應力分析圖

圖9 Q235安全系數(shù)分析圖

圖10 Q235位移分析圖

三、優(yōu)化及維護

根據(jù)上述分析，可提出優(yōu)化方案如下：改變搖臂材料為Q235A，Q235A為碳素結(jié)構(gòu)鋼，其性能參數(shù)優(yōu)于鑄鐵，經(jīng)過分析可以得出：Q235A的Von Mises應力值較小，如圖8所示；安全系數(shù)較大，如圖9所示；位移較小，如圖10所示；即使用Q235A材料時搖臂結(jié)構(gòu)的故障率相對較低，使用壽命更長；

減搖鰭裝置為自動控制設備，以最低的產(chǎn)品故障，獲取較長的使用壽命，較滿意的使用效果，設備長時間連續(xù)工作時，要求做適當巡檢，重點注意以下內(nèi)容：平時多留意設備正常運轉(zhuǎn)時的聲音，部分故障會通過聲音表現(xiàn)出來，發(fā)現(xiàn)聲音異常時，應立即停機，檢查分析故障原因；觀察設備是否有漏油、滲油現(xiàn)象，設備正常使用時，周圍及下方應干燥清潔，如發(fā)現(xiàn)有積油，應查明原因；觀察鰭轉(zhuǎn)動是否正常，多注意觀察正常運轉(zhuǎn)時鰭轉(zhuǎn)動速度，如果發(fā)現(xiàn)鰭轉(zhuǎn)動速度顯著低于正常速度，表明系統(tǒng)中某部位出現(xiàn)故障；對裝置的各部位工作狀態(tài)進行檢查，并定時做記錄[6]。

四、總結(jié)

本文主要對海警某1500噸級巡邏艦的非收放式減搖鰭搖臂進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，通過分析，提出了確切的優(yōu)化方案及維護注意事項，從而盡可能提升其使用壽命及穩(wěn)定性，保證航行任務的完成。然而，本文提出的優(yōu)化方案還有不足之處，如在建立減搖機構(gòu)模型時，在一些結(jié)構(gòu)的尺寸方面還存在一些誤差。但使用SolidWorks Simulation插件對搖臂模型進行有限元分析的方法，為優(yōu)化方案提供指導性的意見，不失為一種有效而可行的研究方法。

[1]曾曉華，宋飛，唐成，彭利坤.基于SolidWorks的減搖鰭搖臂結(jié)構(gòu)分析與改進[J].艦船科學技術(shù)，2014（2）:82-85.

[2]胡仁喜，李志尊.SolidWorks2012從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012（6）：360-441.

[3]奚昕，薛琳，閻濤.艦艇減搖鰭裝置執(zhí)行機構(gòu)系列化設計研究[J].機電設備，2015（1）:1-6.

[4]沈余生.減搖鰭機械裝置設計相關分析[J].艦艇工程，2009（2）:30-31.

[5]曾曉華，金全，彭利坤，呂幫俊.某船減搖鰭搖臂斷裂故障分析[J].中國修船，2013（5）:22-23.

[6]孟克勤.我國減搖鰭裝置的發(fā)展和一些設計問題[J].機電設備，1995（5）:1-6.

Structure Analysis and Improvement on Rocker Arm of Non-retractable Fin Stabilizer Based on SolidWorks

ZHAO Shupei,SHENG Xing
（China Maritime Police Academy,Ningbo 315801,China）

This paper,based on the practice of coast guard forces of 1500-ton patrol ship in the retractable anti-rolling fin radial fracture failure,carries out the theoretical analysis and simulation study on the radial force,and explors the deep reasons of radial fracture failure.It carries out stress and fatigue analysis to the rocker with SolidWorks Simulation software.According to the simulation results,we carry out optimization design to the rocker,improve radial satisfy the requirement of strength and make the safety factor well-distributed and more reliable in the work.

fin stabilizer;rocker;Solidworks;simulation and optimization

U664.7

：A

：2095-2384（2016）03-0064-04

（責任編輯 儲 歡）

2016-07-11

趙樹培（1987-），男，云南大理人，公安海警學院機電管理系講師，研究方向為艦艇電氣輔機。