基于有限元法的全回轉(zhuǎn)吊艙殼體結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

陳 巧

(北車船舶與海洋工程發(fā)展有限公司， 上海 201206)

基于有限元法的全回轉(zhuǎn)吊艙殼體結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

陳 巧

(北車船舶與海洋工程發(fā)展有限公司， 上海 201206)

由于全回轉(zhuǎn)吊艙殼體在船舶航行時(shí)承受著較大的推力和重力，殼體的可靠性與整機(jī)的可靠性密不可分，因此殼體的強(qiáng)度是考核其可靠性的首要指標(biāo)。通過采用有限元法對全回轉(zhuǎn)吊艙殼體分別進(jìn)行了強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明，吊艙優(yōu)化后，大幅減輕了殼體的質(zhì)量，減少了其他設(shè)備安裝對吊艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)的限制，提升了安全系數(shù)，提高了吊艙運(yùn)行指標(biāo)，同時(shí)優(yōu)化后的殼體其危險(xiǎn)部位的最大應(yīng)力和位移能夠滿足材料的強(qiáng)度及剛度要求，因此吊艙殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)是可靠的。

全回轉(zhuǎn)吊艙；有限元法；強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

全回轉(zhuǎn)吊艙推進(jìn)系統(tǒng)是目前受到全球造船業(yè)廣泛關(guān)注的一種新型推進(jìn)裝置，它集推進(jìn)和操舵裝置于一體，極大地增加了船舶的靈活性，充分體現(xiàn)了電力推進(jìn)的優(yōu)越性，因此，研究全回轉(zhuǎn)吊艙對電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義[1-2]。吊艙推進(jìn)系統(tǒng)的殼體是吊艙建造過程中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，殼體結(jié)構(gòu)質(zhì)量影響船舶航行性能。在初期設(shè)計(jì)中，為提高殼體強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等性能，往往會(huì)增大殼體結(jié)構(gòu)尺寸，從而造成殼體質(zhì)量的增加，影響航行的各項(xiàng)指標(biāo)[3]。

吊艙殼體作為整臺(tái)設(shè)備的骨架，在實(shí)際航行中承受著較大的推力和重力，其應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度。由于吊艙內(nèi)裝載有電動(dòng)機(jī)等電氣設(shè)備，在工作狀態(tài)下要求吊艙不能發(fā)生過大的變形以保護(hù)設(shè)備不出現(xiàn)損傷情況，因此對其剛度有著較高的要求。本文首先利用有限元法對吊艙殼體進(jìn)行靜力分析，根據(jù)分析的結(jié)果確定優(yōu)化部位、制定優(yōu)化方案，然后對吊艙殼體結(jié)構(gòu)的形式、尺寸進(jìn)行多位優(yōu)化，在滿足殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等設(shè)計(jì)要求的前提下，盡可能地減少零件尺寸，有效提升材料的綜合利用率，進(jìn)而得到優(yōu)化的殼體方案，滿足殼體的輕型化和高效加工的需求。

1 殼體有限元計(jì)算

有限元法是一種高效而新穎的數(shù)值計(jì)算方法，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于船舶、航空航天、汽車、化工、工程機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論應(yīng)用有限元法能有效地解決大型復(fù)雜件難以計(jì)算的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等參數(shù)[4-5]。傳統(tǒng)理論計(jì)算需要求解各類微分方程，許多微分方程的解析一般很難得到，且計(jì)算精度較低，應(yīng)用有限元法將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體，每個(gè)單元作為一個(gè)單獨(dú)的計(jì)算域分別計(jì)算，最后在相鄰單元的邊界依據(jù)協(xié)調(diào)方程將所有單元的計(jì)算結(jié)果統(tǒng)一，即能夠得到精度較高的計(jì)算結(jié)果。

本文以吊艙殼體為分析對象，其初期設(shè)計(jì)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 吊艙殼體基本參數(shù)

1.1 殼體有限元分析

1.1.1 殼體實(shí)體模型簡化

應(yīng)用Solidwork軟件建立殼體的三維實(shí)體模型，考慮到原模型中存在較多的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，如果全部保留這些結(jié)構(gòu)，不但會(huì)影響有限元網(wǎng)格的劃分難度及效果，而且會(huì)大幅提高模型計(jì)算時(shí)間，有時(shí)甚至?xí)蛴?jì)算機(jī)性能的限制而造成計(jì)算失敗，因此為了方便有效地進(jìn)行有限元分析，降低計(jì)算機(jī)的資源占用，需對初期模型進(jìn)行合理的簡化。簡化過程運(yùn)用布爾操作來修整，且需滿足等效性原則，簡化后的模型能夠如實(shí)反映殼體的主要力學(xué)特性，為遵循這一原則，建模時(shí)忽略了一些螺栓孔、倒角等為了滿足加工、裝配要求但屬于非主要受力結(jié)構(gòu)。簡化后的模型如圖1所示。

圖1 殼體簡化實(shí)體模型

1.1.2 網(wǎng)格劃分

將吊艙殼體的三維模型導(dǎo)入到有限元軟件中，由于簡化后的模型形狀比較規(guī)整，故采用六面體實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，能提高計(jì)算效率及結(jié)果精度。網(wǎng)格劃分完成后，形成的殼體有限元模型如圖2所示，其中共有267 492個(gè)模型節(jié)點(diǎn)、152 408個(gè)單元。殼體材料分為兩部分，上部分為ZG230-450H焊接結(jié)構(gòu)用碳素鑄鋼，下部分為AH36船用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其材料機(jī)械性能如表2所示。

表2 吊艙殼體材料特性

圖2 殼體有限元模型

1.1.3 載荷及約束施加

結(jié)合實(shí)際工況的工藝參數(shù)，在殼體有限元模型的受力面上施加均布面載荷，根據(jù)前文所述，推力載荷為80 000 N，重力載荷為35 000 N，自重為20 550 N，在殼體頂部施加固定約束(fixed support)，如圖3所示。

1.2 結(jié)構(gòu)分析

設(shè)置吊艙殼體邊界條件、施加外部載荷、自重完成后，對吊艙殼體進(jìn)行靜力分析。殼體的應(yīng)力、形變云圖如圖4 所示，其中最大等效應(yīng)力在鑄件頂面處，為43.8 MPa，遠(yuǎn)小于鑄鋼材料屈服強(qiáng)度230 MPa，最大形變?yōu)?.54 mm，滿足鑄鋼材料剛度要求。吊艙殼體優(yōu)化前應(yīng)力、形變符合設(shè)計(jì)要求，安全系數(shù)約為2.6。

1.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

對初始設(shè)計(jì)進(jìn)行有限元分析的結(jié)果表明，吊艙殼體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度都有富余，其值遠(yuǎn)小于安全值，且殼體質(zhì)量影響吊艙的整體性能，故對殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。利用有限元法對吊艙殼體進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，先定義結(jié)構(gòu)殼體的優(yōu)化變量和常量，這里選取壁厚為優(yōu)化變量，而殼體的外形尺寸為不變化的常量，在保證最大應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度、變形量滿足材料剛度要求的前提下，盡可能地減薄殼體壁，進(jìn)而為殼體減重，得到優(yōu)化后的模型。

對修改后的模型施加相同的約束和載荷，經(jīng)過分析得到的應(yīng)力、變形量如圖5所示。由圖中可知，優(yōu)化后的殼體在同樣工況下其危險(xiǎn)截面發(fā)生了改變，現(xiàn)位于中段的過渡圓角處，其最大等效應(yīng)力為58.5 MPa，最大形變?yōu)?.05 mm，安全系數(shù)約為3，安全系數(shù)高于優(yōu)化前，滿足設(shè)計(jì)要求，而殼體的質(zhì)量減輕至1 357 kg。

圖5 吊艙殼體優(yōu)化后云圖

2 結(jié)論

通過對吊艙殼體進(jìn)行有限元分析，直觀地展現(xiàn)了殼體應(yīng)力和形變分布，發(fā)現(xiàn)了初期設(shè)計(jì)時(shí)的不足。此有限元分析可以得到以下結(jié)論：

(1) 通過對殼體整體結(jié)構(gòu)的有限元優(yōu)化，殼體的質(zhì)量減少至1 357 kg，與初期設(shè)計(jì)方案相比減輕了33.9%，一方面增大了殼體的內(nèi)部空間，降低了對其他設(shè)備的安裝尺寸和質(zhì)量的限制，另一方面可以間接提高吊艙運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)指標(biāo)，同時(shí)由于節(jié)省了大量的材料，因而降低了成本，具有十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

(2) 有限元法計(jì)算結(jié)果表明：殼體優(yōu)化前和優(yōu)化后殼體的最大應(yīng)力發(fā)生處發(fā)生了改變，由結(jié)構(gòu)頂端的鑄件處變更為結(jié)構(gòu)中部鋼板的過渡圓角處，最大位移都出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的底端。最大應(yīng)力位置由鑄件變?yōu)殇摪逄?，因材料的改變，安全系?shù)也有所提升。其最大應(yīng)力和位移均滿足材料的強(qiáng)度及剛度要求，因此吊艙殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)是可靠的。

(3) 采用有限元法計(jì)算得到的是吊艙殼體的應(yīng)力云圖與變形圖，可以查看任意細(xì)節(jié)的應(yīng)力和位移狀態(tài)，對吊艙殼體結(jié)構(gòu)參數(shù)確定和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有較好的指導(dǎo)意義。

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[1] 馬騁, 張旭, 錢正芳，等.POD推進(jìn)器技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用前景[J]. 船舶工程, 2007, 29(6): 25-29.

[2] 高海波, 高孝洪, 陳輝，等. 吊艙式電力推進(jìn)裝置的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版), 2006, 30(1): 77-80.

[3] 蔣偉, 李世蕓. 基于ANSYSWorkbench的水下航行體殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 魚雷技術(shù), 2014, 22(4): 245-248.

[4] 曾志華, 虞偉建.ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 中國制造業(yè)信息化(學(xué)術(shù)版), 2009 (7): 33-37.

[5]YANGL.StudyontheapplicationoffiniteelementmethodandCAEtechnologyinmodernmechanicalengineering[C]//Proceedingsofthe2014IMSSInternationalConferenceonFutureManufacturingEngineering, 2015TaylorandFrancisGroup,London, 2014, 325-327.

Structure Analysis and Optimization for Rotary Pod Shell Based on Finite Element Method

CHEN Qiao

(CNR Ship and Offshore Engineering Development Co.,Ltd., Shanghai 201206, China)

Due to be subjected to large gravity and thrust, the reliability of the rotary pod shell is closely related to the reliability of the whole machine. The strength of the shell is the primary index of reliability assessment. The finite element method is used for the strength analysis and the structure optimization of the rotary pod shell. The following conclusions can be obtained: the optimization can lighten the mass of shell, eliminate the internal structure limitation of pod for equipment installation, improve the safety coefficient and increase the operation index.Maximum stresses and displacements of the shell risk parts can all satisfy the requirements of the strength and rigidity of the materials after optimization, thus the optimal design of the pod shell is reliable.

rotary pod; finite element method; strength; structure optimization

陳 巧(1986-)，女，工程師，主要從事機(jī)電設(shè)計(jì)專業(yè)的相關(guān)工作。

1000-3878(2017)01-0018-05

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