船舶轴系静态校中有限元模型研究

王 宇，华春梅

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

船舶轴系静态校中有限元模型研究

王 宇，华春梅

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

以某型船舶轴系为研究对象，在实际轴系尺寸基础上，基于有限元法对船舶轴系静态校中时的建模问题进行研究。根据有限元简化原则，对轴系载荷进行合理处理，进而研究轴系轴承支撑的六种组合工况，建立轴系有限元模型。通过对模型施加约束和载荷，结果表明所建模型可以作为进一步校中计算的有限元模型。

船舶轴系；有限元；轴系校中；建模

直线校中计算是计算当轴系各轴承垂向变位为零，轴系中心线为一条直线时，轴系的校中状态。随着船舶的大型化，螺旋桨的重量也越来越重，轴系直线校中一般不能满足轴系正常运转的约束条件，通常都采用合理校中。因此，目前直线校中计算的主要目的是得到轴系各轴承间的负荷影响系数以及轴承直线校中时的支反力，为轴承变位的调整做准备。本文主要研究轴系应用有限元法进行静态校中的建模问题。

1 轴系的结构及尺寸参数

某船的推进轴系由螺旋桨轴、尾轴、推力轴、中间轴和空分轴等组成，由螺旋桨导流帽的最前端开始，至大功率离合器为止，全长26.235 m。其中各轴段的尺寸分别如表1所示，轴系结构如图1所示。

表1 各轴段尺寸参数 （mm）

图1 轴系结构图

2 轴系物理模型的建立

按照模型简化原则，根据轴系结构轴对称的特点，轴系可看作为有多个刚性支承的连续梁。由于各轴段（如螺旋桨轴、尾轴、推力轴、中间轴、空分轴等）直径不同，将轴系作为变截面梁处理。

2.1 轴系上载荷的处理

轴系各段的质量均视为均匀载荷。其中螺旋桨轴和尾轴浸入海水的轴段需要考虑其所受浮力影响。考虑浮力影响后，轴段自重为在空气中重量的86.9～87.1%之间，本文螺旋桨轴和浸水段尾轴重量取各自空气中重量的87%。

螺旋桨的质量作为集中载荷处理，其大小应扣除水的浮力，其作用点取其自桨叶中线向轴中心线所引垂线的交点。考虑到浮力作用，允许近似取Wp=Wa（0.869～0.871），因此本文取螺旋桨重量为Wp=0.87Wa。

鼓帽鳍的重量依据螺旋桨重量计算方法，也取为空气中重量的87%，作为集中载荷处理。

轴系螺旋桨轴前半联轴节重量、尾轴联轴节重量、中间轴联轴节重量、推力轴法兰重量、中间轴毂轮重量、大功率离合器重量等都作为集中载荷处理，施加在相应轴段的相应位置。

2.2 轴系物理模型

轴系简化为放置在刚性铰支座上的连续梁，梁的长度由螺旋桨导流帽的最前端开始，此处边界为自由端，至大功率离合器处轴承为止，此处边界为固支端，轴系采用三维变截面梁单元beam188来模拟，每个节点六个自由度。

轴系材料参数取弹性模量E=204 GPa，泊松比μ=0.28。

轴系施加均布载荷和集中载荷。

轴系上各轴承支承处添加实支座，实支座处为刚性支承，轴系截面发生改变处及有集中力作用处添加虚支座，虚支座处轴承负荷为零。

以螺旋桨导流帽的最前端为坐标系原点，轴系的理论中心线为x轴，水平向右为正，过原点垂直轴向上作为y轴的正向，按右手法则得到z轴，z轴以由纸面朝外指向为正。

具体模型简化如图2所示。

图2 轴系模型图

3 轴系轴承支撑工况的处理

考虑到螺旋桨悬臂作用使轴承实际压力中心后移的影响，轴系校中计算时，螺旋桨轴承的支点距轴承衬后端的距离S螺旋桨，可在下述范围内选取：

式中l螺——螺旋桨轴承的轴衬长度。

尾轴轴承的有效长度较长，而轴承与轴段的实际接触是分布在整个轴承长度上的，从接近轴系真实的运行情况来看，尾轴轴承的支承点也可以在一个范围中选取。

本文分别将螺旋桨轴轴承简化为一点支承和两点支承，根据式（1） 选取不同的支承位置，同时改变尾轴后轴承和尾轴前轴承的支承位置，进行多种支承点分布工况下的轴系校中计算，并作比较。推力轴承、2#空分轴承和1#空分轴承均各取两个支承点，分别位于各轴承衬的最前端和最后端。轴系各轴承长度如表2所示。

螺旋桨轴轴承具有一个支承点时，螺旋桨轴轴承、尾轴后轴承和尾轴前轴承的支承点位置选定了六种不同的组合工况，如表3所示。表中符号如图3所示。

图3 螺旋桨轴承单点支承时支承点位置图

4 轴系有限元模型

由螺旋桨导流帽的最前端开始，至大功率离合器（离合器沿轴系中轴线方向长880 mm）为止，全长26.235 m。选取坐标系时，x轴沿轴系的轴线方向，y轴沿径向向上为正，z轴垂直纸面向外为正。

在建模过程中采用BEAMl88三维有效应变单元，BEAMl88单元适合分析从细长的到适度短而粗的梁单元，其为两节点线性梁单元，每个节点除具有三个平动和三个转动自由度外，还具有表示扭曲量的第七个自由度，按照轴系物理模型对不同截面进行创建，无需任何实常数定义，创建的有限元模型如图4所示。设定轴系的每个单元大小为0.01 m，分布1到分布6这六种工况中每种工况划分为2 480个单元。

表2 轴系各轴承长度 （mm）

表3 螺旋桨轴承单点支承时螺旋桨轴尾轴轴承支承点位置

图4 轴系的有限元模型

表征轴系材料性能的参数分别为弹性模量E=2.04×1011N/m2，泊松比μ=0.28。

轴系中各轴承支承处假设为刚性支座，螺旋桨轴承、尾轴后轴承、尾轴前轴承、主减速器轴承各一个支承点，推力轴承、空分轴承各两个支承点，在各轴承的支承点处施加位移约束，具体是：在主减速器轴承处施加固定铰支座约束，保证该处的x、y、z方向位移都为零，其他轴承处施加可动铰支座约束，保证y、z方向位移为零，而对轴线方向x方向不予约束。施加约束后轴系如图5所示。

图5 轴系约束图

施加外加载荷是将各轴自重等均布载荷及联轴节、法兰、螺旋桨、毂帽鳍、鼓轮、大功率离合器等集中质量。施加载荷后轴系如图6所示。

图6 轴系约束载荷图

5 结论

在实际轴系尺寸基础上，根据简化原则和载荷的合理处理，建立了轴系物理模型。通过对轴系轴承支撑的六种组合工况的研究，建立了轴系有限元模型，并通过对模型施加约束和载荷后的云图可见，所建模型与实际轴系特点吻合，可以作为轴系校中计算模型进行研究。

[1]周继良,邹鸿钧.船舶轴系校中原理及其应用[M].北京:人民交通出版社,1985.

[2]张洪信.有限元基础理论与ANSYS应用[M].北京:机械工业出版社,2006.

[3]邢静忠.ANSYS应用实例与分析[M].北京:科学出版社, 2006.

[4]何友声,王国强.螺旋桨激振力[M].上海:上海交通大学出版社,1987.

［责任编辑：刘 月］

Research on the Finite Element Model of Static Ship Shafting Alignment

WANG Yu,HUA Chunmei
(Bohai Shipbuilding Vocational College,Xingcheng 125105,China)

Taking a certain type of ship shafting as the research object,based on the actual shafting size,the researchers make research on the modeling problems in static ship shafting alignment according to the finite element method.Based on the finite element simplicity principle,the researchers reasonably deal with the shafting load,study the six kinds of combined working conditions about the shafting bearing support,and establish the shafting finite element model.By applying the constraints and loads on the model,the research certifies that the model can be the finite element model for further alignment calculation.

ship shafting;finite element;shafting alignment;modeling

U661.73

A

2095-5928（2016）01-29-04

10.16850/j.cnki.21-1590/g4.2016.01.009

2015-10-11

王宇（1968-），男，黑龙江肇东人，教授，博士，研究方向：船舶控制、控制理论与应用。

华春梅（1969-），女，黑龙江肇东人，高级讲师，硕士，研究方向：电气工程。