基于有限元法的長(zhǎng)艉軸安裝方法仿真分析

胡繼敏1，周建輝，孫鋒

(1.海裝駐上海地區(qū)第一軍事代表室，上海 201913;2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430070)

大型船舶艉軸加長(zhǎng)，合理的安裝工藝非常重要。目前的相關(guān)研究主要集中在安裝后軸系的振動(dòng)狀態(tài)或局限在中、短艉軸的安裝[1-2]，對(duì)長(zhǎng)軸系的安裝工藝方法研究少見(jiàn)報(bào)道。為此，探討在多軸承(3個(gè)艉軸承及以上)及船體變形、環(huán)境條件等諸多因素的影響下，長(zhǎng)艉軸采用傳統(tǒng)的直接吊裝方式，以特定長(zhǎng)艉軸系安裝為分析對(duì)象，應(yīng)用仿真分析方法對(duì)比直接安裝和輔助安裝裝置(導(dǎo)向軸)兩種方式的受力和變形差異，考慮增加導(dǎo)向軸以減小安裝難度。

1 背景及零件主要參數(shù)

1.1 計(jì)算背景

以某船長(zhǎng)艉軸在塢內(nèi)安裝為例，為保證順利安裝，須設(shè)置若干個(gè)臨時(shí)支撐，見(jiàn)圖1。

圖1 安裝示意

在安裝過(guò)程中，隨著艉軸向前推進(jìn)，當(dāng)艉軸重心進(jìn)入艉軸管，其前端逐漸靠近艉管前軸承后端時(shí)，由于艉軸前端撓度較大，可能導(dǎo)致艉軸難以順利通過(guò)前艉軸承。因此，須準(zhǔn)確地計(jì)算艉軸、臨時(shí)支撐和艉軸承在安裝過(guò)程中的受力和變形狀況，以及艉軸軸線(xiàn)的變化規(guī)律，預(yù)測(cè)艉軸能否順利通過(guò)艉管前軸承，以便采取必要的工藝措施。

1.2 艉軸結(jié)構(gòu)尺寸

艉軸結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖2。

圖2 艉軸結(jié)構(gòu)尺寸

艉軸長(zhǎng)度14 000 mm，艉軸管及前后軸承座總長(zhǎng)10 000 mm，艉軸長(zhǎng)度是艉管長(zhǎng)度的1.5倍。艉軸的外徑D1為650 mm，內(nèi)徑D2為430 mm，艉軸后銅套外徑為700 mm，前銅套外徑為690 mm。中銅套前端外徑為700 mm，后端外徑為705 mm。當(dāng)后銅套和中銅套后端經(jīng)過(guò)艉管軸承時(shí)，銅套與軸承之間的間隙為2 mm；當(dāng)前銅套和中銅套前端經(jīng)過(guò)艉管軸承時(shí)，銅套與軸承之間的間隙為12 mm。

1.3 艉軸及軸承材料參數(shù)

艉軸及軸承材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 艉軸及軸承材料參數(shù)

2 一般艉軸安裝方法分析

2.1 計(jì)算工況

在一般情況下，艉軸管的前、后兩軸承間距較短，艉軸無(wú)須采取特殊輔助工藝即可以順利穿軸。但長(zhǎng)艉軸安裝條件發(fā)生了變化，由于艉軸變長(zhǎng)及艉管兩軸承間距增大等原因給安裝造成一定困難，須分析艉軸在安裝過(guò)程中出現(xiàn)的極端狀況(如最大撓度、彎曲應(yīng)力等)對(duì)艉軸安裝造成的影響。因此，在分析中，以艉軸前端面距艉管前軸承后端面100 mm為計(jì)算工況，見(jiàn)圖3。

圖3 艉軸安裝工況

2.2 分析模型簡(jiǎn)化

不考慮船體變形、艉軸管安裝誤差、零部件制造制造誤差因數(shù)的影響，艉軸和艉軸管均具有對(duì)稱(chēng)性?？紤]改變艉軸管前、后軸承的外表形狀不會(huì)對(duì)艉軸安裝過(guò)程的受力產(chǎn)生影響，對(duì)艉軸管前后軸承座、艉軸管前后軸承，以及對(duì)軸承內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性。

2.3 有限元模型建立

建立有限元模型時(shí)首先進(jìn)行網(wǎng)格劃分的無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)判斷，相應(yīng)的方法：修改全局網(wǎng)格尺寸。每次設(shè)置全局網(wǎng)格尺寸為加密前的80%。不同網(wǎng)格尺寸對(duì)比見(jiàn)表2。船體部分網(wǎng)格尺寸設(shè)置為500 mm不變，銅套尺寸設(shè)置為10 mm不變，以網(wǎng)格數(shù)為自變量，艉軸的自由端最大變形值為因變量。

表2 5種計(jì)算網(wǎng)格數(shù)

從表2可見(jiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)從27萬(wàn)增加到67萬(wàn)時(shí)，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，艉軸的自由端最大形變值變化很小，說(shuō)明網(wǎng)格尺寸50 mm和40 mm的計(jì)算結(jié)果變化很小，因此取54萬(wàn)的網(wǎng)格作為計(jì)算網(wǎng)格。

采用ANSYS workbench對(duì)艉軸在安裝過(guò)程進(jìn)行計(jì)算和分析，得到艉軸和支撐小車(chē)的受力和變形結(jié)果。采用全局網(wǎng)格劃分方法，在劃分時(shí)插入Body Size 劃分命令對(duì)總裝配體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，將船體網(wǎng)格尺寸設(shè)置為500 mm，銅套尺寸為10 mm，其他部件尺寸為50 mm。無(wú)導(dǎo)向軸工況有限元模型見(jiàn)圖4，網(wǎng)格單元數(shù)為538 032，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 318 156。

圖4 無(wú)導(dǎo)向軸有限元分析模型

2.4 約束條件及計(jì)算分析

①艉軸管前后軸承的外圓面為固定約束；②艉軸和銅套、艉軸和安裝小車(chē)為綁定約束；③導(dǎo)向軌道和安裝小車(chē)為摩擦約束；④總裝配體對(duì)稱(chēng)面采用對(duì)稱(chēng)無(wú)摩擦約束。

該工況計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5和表3、4。

圖5 計(jì)算工況應(yīng)力和變形示意

表3 工況一一般艉軸最大變形及最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表4 工況一小車(chē)支反力計(jì)算結(jié)果 kN

上述表明：

1)艉軸所受到的應(yīng)力、支撐點(diǎn)的受力都在安裝允許范圍之內(nèi)，艉軸最大應(yīng)力28.2 MPa出現(xiàn)在艉軸中間；艉軸最大變形在艉軸的前端面到中銅套間，最大撓度為11.7 mm，超過(guò)艉軸與前艉軸承的配合間隙(2 mm)；如果艉軸繼續(xù)向前推進(jìn)就會(huì)抵在前艉軸承的后端面上，無(wú)法完成艉軸安裝工作。

2)2號(hào)小車(chē)支反力為負(fù)值，表明在這一安裝工況下，艉軸上拱彎曲比較嚴(yán)重，有將小車(chē)抬起的趨勢(shì)。

3)須采取特殊工藝措施，以減小艉軸撓度，保證艉軸順利安裝。

3 增加導(dǎo)向軸

3.1 方法簡(jiǎn)介

在艉軸安裝過(guò)程中，艉軸前端可臨時(shí)加裝1根外徑縮小的輔助短軸。當(dāng)艉軸前端推進(jìn)至前軸承后端面時(shí)，短軸能順利通過(guò)艉管前艉軸承，這時(shí)在短軸上添加一安裝小車(chē)或起吊葫蘆作為臨時(shí)支撐，就可將短軸連同艉軸前端向上提起，減小艉軸前端撓度，這樣在推力作用下能保證艉軸前端較順利地通過(guò)艉管前艉軸承。

導(dǎo)向軸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)是當(dāng)艉軸重心進(jìn)入艉軸管內(nèi)部前，導(dǎo)向軸能夠穿出艉管前軸承。導(dǎo)向軸結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖6。導(dǎo)向軸法蘭通過(guò)12個(gè)M24螺栓與艉軸前端相連，與艉軸材料相同。導(dǎo)向軸為空心，外徑D1為430 mm，內(nèi)徑D2為300 mm，長(zhǎng)為5 000 mm。導(dǎo)向軸和法蘭做成一體，法蘭外徑設(shè)計(jì)為640 mm，比艉軸外徑小10 mm。

圖6 導(dǎo)向軸結(jié)構(gòu)尺寸示意

3.2 計(jì)算工況

將有導(dǎo)向軸艉軸的安裝過(guò)程分為3個(gè)工況，見(jiàn)圖7。

圖7 導(dǎo)向軸安裝示意

工況一，導(dǎo)向軸正好將穿出艉軸管時(shí)的艉軸狀態(tài)；工況二，艉軸前端距離艉管前軸承100 mm，導(dǎo)向軸用繩索向上吊起；工況三，中銅套前端距離艉管前軸承100 mm，艉軸已經(jīng)穿出艉管，導(dǎo)向軸用繩索向上吊起。

在工況二中，導(dǎo)向軸已經(jīng)伸出艉管前軸承，在距導(dǎo)向軸前端面3 000 mm處用繩索將導(dǎo)向軸吊起3.2 mm，并保證導(dǎo)向軸在艉管前軸承內(nèi)的撓度在±2 mm內(nèi)，從而控制艉軸撓度允許范圍之內(nèi)。工況三在距導(dǎo)向軸前端面3 000 mm處用繩索吊起1.3 mm。在實(shí)際安裝中，可通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量導(dǎo)向軸外圓面到前艉管軸承內(nèi)孔的距離來(lái)計(jì)算艉軸前端的撓度，保證艉軸能順利地通過(guò)前艉管軸承。

3.3 有限元模型

有限元模型簡(jiǎn)化方法、約束條件、網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)方法同上所述。經(jīng)過(guò)無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)取約57萬(wàn)網(wǎng)格為計(jì)算網(wǎng)格。

有導(dǎo)向軸工況有限元模型見(jiàn)圖8，網(wǎng)格單元數(shù)為573 682，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 553 384。

圖8 加導(dǎo)向軸后艉軸有限元分析模型

3.4 結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5、6。

表5 艉軸安裝計(jì)算結(jié)果

表6 小車(chē)支反力計(jì)算結(jié)果 kN

計(jì)算結(jié)果表明：

1)工況一，艉軸最大變形在艉軸的前端面到中銅套間，最大撓度為5.2 mm。最大應(yīng)力發(fā)生在中銅套附近，艉軸安裝可繼續(xù)進(jìn)行。

2)工況二，艉軸最大變形在艉軸的前端面到中銅套間，最大撓度為1.0 mm。最大應(yīng)力發(fā)生在前銅套附近。艉軸的應(yīng)力、支撐點(diǎn)的受力都在安裝允許范圍之內(nèi)，艉軸安裝可繼續(xù)進(jìn)行。

3)工況三，艉軸最大變形在艉軸的前端面到中銅套間，最大撓度為1.2 mm。最大應(yīng)力在前銅套附近。艉軸的應(yīng)力、支撐點(diǎn)的受力都在安裝允許范圍之內(nèi)，艉軸安裝可繼續(xù)進(jìn)行。

4)在3種工況下，2號(hào)小車(chē)的支反力均為負(fù)值，但其數(shù)值較表4中的2號(hào)小車(chē)小，表明艉軸上拱彎曲程度減輕，不影響?hù)狠S安裝。

4 結(jié)論

1)經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，一般安裝方法，艉軸前端面在未進(jìn)入艉管前軸承前，撓度已經(jīng)超過(guò)了安裝允許范圍，艉軸無(wú)法穿出艉軸管。

2)采用導(dǎo)向軸安裝方法可減少艉軸撓度和支撐點(diǎn)的支反力，使得小車(chē)和軸承上的支反力和應(yīng)力控制在允許范圍之內(nèi)，艉軸可以順利安裝。