基于ABAQUS的轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)接觸狀態(tài)仿真與分析

倪培源 韋紅錢 端傳捷

（1.南京中船綠洲機(jī)器有限公司，南京 210000；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210000）

1 研究背景

船舶舵機(jī)是重要的船舶操縱設(shè)備，其性能直接影響船舶的穩(wěn)定性和安全性。舵機(jī)在受力后，接觸狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，可能因接觸面之間產(chǎn)生位移而漏油，輕則導(dǎo)致轉(zhuǎn)舵速度變慢，單邊不能操舵，刪除壓力下降，重則會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的跑舵現(xiàn)象，影響整個(gè)系統(tǒng)正常使用。因此，有必要重視舵機(jī)受力后導(dǎo)致位移增大引起的漏油現(xiàn)象。

轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，目前沒有公開發(fā)表的文獻(xiàn)完整地分析舵機(jī)整機(jī)強(qiáng)度。一方面，由于舵機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)件繁多，結(jié)構(gòu)普遍復(fù)雜，還承受著多種固-液耦合的載荷形式，數(shù)值建模的難度很大；另一方面，舵機(jī)的各個(gè)構(gòu)件之間存在大量的接觸效應(yīng)，計(jì)算過程為非線性計(jì)算，極大地增加了分析過程的計(jì)算量和收斂難度。如果將舵機(jī)分解為單獨(dú)的若干主要構(gòu)件的組合進(jìn)行數(shù)值模擬，則無法保證分解的每個(gè)單獨(dú)構(gòu)件的受力形式和約束條件與實(shí)際的受力情況相符。因此，有必要對整機(jī)進(jìn)行有限元分析。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

黃裕健等[1]分析了舵機(jī)的下端蓋密封填料盤根出現(xiàn)漏油的問題。羅忠杰[2]指出目前出現(xiàn)的船舶海損事故中有可能是液壓舵機(jī)故障引起的，因此加強(qiáng)舵機(jī)安全、確保舵機(jī)正常工作是降低事故出現(xiàn)概率、減少海損事故的重要措施。王必改[3]介紹了某船舵機(jī)轉(zhuǎn)舵速度慢的故障發(fā)生經(jīng)過及故障的排除過程，通過分析故障原因，指出轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)內(nèi)漏嚴(yán)重是造成故障的主要原因。黃靈勇[4]從目前發(fā)生的船舶海損事故分析發(fā)現(xiàn)，因船舶發(fā)生海損的占比相當(dāng)大，多與舵機(jī)故障有關(guān)，所以應(yīng)該加強(qiáng)對舵機(jī)的檢測。

3 舵機(jī)數(shù)值模型建立

考慮到舵機(jī)轉(zhuǎn)速很慢（65°/28 s），可以近似為準(zhǔn)靜態(tài)問題處理。

3.1 舵機(jī)三維有限元模型建立

根據(jù)800 kN·m轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)的幾何參數(shù)，利用Pro/E三維建模軟件建立轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)的實(shí)體模型。將整機(jī)由缸體、缸蓋、靜葉、轉(zhuǎn)子、上下襯套、蓋板、軸承和4種類型的60個(gè)螺栓等零件組成，改為舵機(jī)由缸體、缸蓋、靜葉、轉(zhuǎn)子、襯套、蓋板、推力軸承及螺栓等零件組成。然后，將實(shí)體模型導(dǎo)入ABAQUS中進(jìn)行必要的前處理，并適當(dāng)切分實(shí)體，以便實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分。裝配整體模型如圖1所示。

圖1 ABAQUS舵機(jī)整體模型建立

3.2 材料屬性

舵機(jī)零部件較多，零部件材料也不盡相同，具體材料及參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性表

3.3 邊界條件與接觸設(shè)置

轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)底部通過預(yù)緊力螺栓與船舶甲板固定，其余各個(gè)部件表面的接觸關(guān)系可以分為摩擦接觸和綁定接觸兩類[5]。

3.3.1 摩擦接觸關(guān)系的表面

摩擦接觸關(guān)系的表面包括螺栓1螺母底面與缸蓋頂面、螺栓2螺母底面、缸蓋加勁板的頂面、螺栓3螺母底面、缸體底加勁板頂面、螺栓4螺母底面、缸蓋部分底面、缸體頂面、靜葉頂面、缸蓋底面、底面與缸體內(nèi)部底面、背面與缸體內(nèi)壁、推力軸承與轉(zhuǎn)子以及轉(zhuǎn)子與上下襯套。

3.3.2 綁定接觸關(guān)系的表面

綁定接觸關(guān)系的表面包括螺栓1螺桿側(cè)面、缸體螺孔內(nèi)側(cè)面、螺栓2螺桿側(cè)面、螺栓3螺桿側(cè)面、螺栓4螺桿側(cè)面、靜葉螺孔內(nèi)側(cè)面、上壓蓋與缸蓋的接觸表面、下壓蓋與缸體的接觸表面、推力軸承與缸體接觸的表面以及銷軸與缸體及靜葉的接觸表面。

3.4 單元類型及網(wǎng)格劃分

在有大量接觸的情況下，不能使用六面體和四面體的二次單元。在采用四面體一次單元時(shí)，為了達(dá)到更好的計(jì)算結(jié)果，通常需要提高網(wǎng)格的密度，將導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量增加，因而需要更多的計(jì)算時(shí)間。在同樣的全局種子數(shù)量下，與四面體單元相比，采用六面體單元將會(huì)大幅減少網(wǎng)格的數(shù)量，從而減少計(jì)算時(shí)間。同一個(gè)模型，六面體單元的計(jì)算結(jié)果比四面體單元的計(jì)算結(jié)果精度要更高，因此應(yīng)盡量使用六面體一次單元。在HD80-3轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)的靜力學(xué)分析中主要采用六面體單元，單元類型為C3D8I，在復(fù)雜形狀處結(jié)合四面體單元。具體網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2 各主要部件網(wǎng)格示意圖（六面體為主）

3.5 施加荷載

3.5.1 螺栓預(yù)緊力

轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)螺栓的數(shù)量多預(yù)緊力大，是受力分析的重要部件，并且涉及到接觸問題，需要重點(diǎn)考慮。在建立模型的接觸關(guān)系前，模型的實(shí)體可能出現(xiàn)位移，同時(shí)突然改變接觸條件，會(huì)導(dǎo)致ABAQUS無法收斂。針對這個(gè)問題采取的處理方式是使用額外的分析步和邊界條件，使模型平穩(wěn)進(jìn)入接觸狀態(tài)，將荷載逐步施加到模型上。

第1個(gè)分析步：在螺栓上只施加很小的預(yù)緊力（100 N），平穩(wěn)建立各個(gè)接觸；

第2個(gè)分析步：去掉缸蓋及靜葉的約束條件，根據(jù)實(shí)際情況施加螺栓上的預(yù)緊力；

第3個(gè)分析步：將螺栓的預(yù)緊力改為Fix at current length。

圖3 螺栓預(yù)緊力及舵桿重力施加

3.5.2 自重

由于該轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)體型較大，自重將是不可忽略的因素，需要在初始分析步為各個(gè)部件施加重力加速度。

3.5.3 舵桿豎向力及水平力

在第3個(gè)分析步中，建立轉(zhuǎn)子參考點(diǎn)和參考點(diǎn)與轉(zhuǎn)子內(nèi)表面的MPC約束，施加舵桿對轉(zhuǎn)子向下的拉力，其水平方向力為900 kN，豎直方向力為700 kN。

3.5.4 工況和油壓

考慮到舵機(jī)經(jīng)常處于工作狀態(tài)，選取工作壓強(qiáng)為7 MPa， 極限工作壓強(qiáng)為13.125 MPa。工況1考慮最危險(xiǎn)工況，即轉(zhuǎn)子葉片位于兩個(gè)靜葉中間（即正舵位置），一個(gè)葉片隔出兩個(gè)大小相同的腔體，一個(gè)腔體有油壓，另一個(gè)腔體中無油壓；工況2以轉(zhuǎn)子葉片位于靜葉中間為初始位置，向左旋轉(zhuǎn)12°改為左舵12°，葉片在兩個(gè)靜葉之間隔出一大一小兩個(gè)腔體；工況3轉(zhuǎn)子處于最大行程狀態(tài)（極限位置），轉(zhuǎn)子與靜葉相接觸。施加位置為缸體內(nèi)壁和缸體頂面密封圈內(nèi)的環(huán)面、缸蓋對應(yīng)腔體的位置、缸蓋密封圈內(nèi)的環(huán)面以及靜葉與轉(zhuǎn)子組成的表面。

4 接觸面接觸狀態(tài)及接觸位移分析

計(jì)算缸體和缸蓋間、靜葉和缸體間的接觸狀態(tài)和接觸位移后，發(fā)現(xiàn)工況3是最危險(xiǎn)的工況。下面給出工況3的計(jì)算結(jié)果。

對該轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)分別施加7 MPa和13.125 MPa的油壓后，缸體內(nèi)各接觸面的接觸狀態(tài)如圖4和圖5所示。白線外側(cè)區(qū)域表示接觸面閉合，部分存在小幅滑動(dòng)（對于圖5靜葉則是所有白線圍成的區(qū)域）；白線內(nèi)側(cè)區(qū)域則表示接觸面之間分離。施加不同的油壓后，靜葉與缸體和缸蓋之間能夠緊密貼合形成封閉的面，防止油泄露。缸蓋與缸體之間接觸面存在分離的情況。隨著油壓的增加，分離的面積也在增加，但是缸體與缸蓋之間有密封圈阻止油的滲透。

圖4 13.125 MPa時(shí)缸體與缸蓋接觸面接觸狀態(tài)

圖5 13.125 MPa時(shí)靜葉與缸體接觸面接觸狀態(tài)

密封圈能否阻擋油的滲透，主要在于缸蓋與缸體之間的相對位移大小。當(dāng)對舵機(jī)內(nèi)部施加較大的油壓后，缸蓋與缸體之間有小幅的張開角，其變形示意圖如圖6所示。

圖6 缸體與缸蓋相對位移圖

工況1條件下，施加7 MPa正常工作壓強(qiáng)以及13.125 MPa 極限壓強(qiáng)后，密封圈內(nèi)邊緣缸體與缸蓋之間的相對位移為0.02 mm和0.07 mm；工況2條件下，施加7 MPa正常工作壓強(qiáng)和13.125 MPa極限壓強(qiáng)后，密封圈內(nèi)邊緣缸體與缸蓋之間的相對位移為0.028 mm和0.093 mm；在工況3條件下，施加7 MPa正常工作壓強(qiáng)和13.125 MPa極限壓強(qiáng)后，密封圈內(nèi)邊緣缸體與缸蓋之間的相對位移為0.038 mm和0.127 mm。密封圈是超彈性材料，產(chǎn)生的變形足夠抵消缸蓋與缸體之間的相對位移，能夠滿足密封要求。

密封圈內(nèi)邊緣缸體與缸蓋之間的相對位移主要與轉(zhuǎn)子的位置和施加的油壓有關(guān)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的封閉腔體越大，位移越大。施加的壓力越大，位移也越大。

5 結(jié)語

通過有限元分析可知，在目前的油壓（工作壓強(qiáng)和極限壓強(qiáng)）下，缸體和缸蓋以及缸體和靜葉間雖有微小位移，但接觸位移都沒有貫通，即沒有出現(xiàn)漏油風(fēng)險(xiǎn)。但是，與黃裕健等人分析的強(qiáng)度潛力相比，接觸漏油是舵機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)。雖然這里沒有考慮密封條的影響，但鋼材受力并不受影響。因此，在選擇密封條的材料時(shí)，應(yīng)該選擇壽命長、受溫度影響小以及彈性好的材料，從而提高密封效果，降低漏油風(fēng)險(xiǎn)。