李全超

（中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

基于ANSYS的船用推力軸承殼體優(yōu)化設(shè)計(jì)

李全超

（中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

采用有限元軟件ANSYS對(duì)船用推力軸承殼體進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。建立了推力軸承殼體三維模型，根據(jù)軸承實(shí)際應(yīng)用工況對(duì)其進(jìn)行約束和載荷施加，獲得了殼體應(yīng)力及變形云圖。在保證推力軸承安全的前提下，以減少質(zhì)量為目標(biāo)，對(duì)殼體結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)比分析結(jié)果表明，優(yōu)化后殼體尺寸更加合理，大大降低了設(shè)備重量。

船舶推力軸承；ANSYS；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引言

推力軸承是船舶推進(jìn)系統(tǒng)的重要設(shè)備，用于傳遞螺旋槳的推進(jìn)力，推動(dòng)船舶前進(jìn)。隨著船舶總體性能的提高，推進(jìn)系統(tǒng)的推力負(fù)載大幅增加，推力軸承的結(jié)構(gòu)尺寸及質(zhì)量也顯著增大，給總體的布置和重量控制帶來較大負(fù)擔(dān)。推力軸承主要由殼體、推力軸、推力塊、推力平衡機(jī)構(gòu)、支撐軸瓦、支撐環(huán)等部件組成，殼體是承受軸系推力和載荷的關(guān)鍵部件，同樣也是推力軸承的最重部件。本文應(yīng)用有限元分析方法，對(duì)推力軸承殼體進(jìn)行強(qiáng)度分析，在保證安全的前提下優(yōu)化設(shè)計(jì)軸承殼體結(jié)構(gòu)，控制設(shè)備總重量。

2 殼體有限元模型及強(qiáng)度分析

軸承殼體一般為鑄件，通過鉸制孔螺栓與推力軸承基座聯(lián)接。本文分析的推力軸承殼體長1000mm，寬1500mm，殼體壁厚為55mm，加強(qiáng)筋厚度為35mm，基座支撐面厚度為100mm。

圖1 推力軸承殼體模型

2.1 有限元模型的建立

Pro/E是一套大型三維參數(shù)化軟件，具有基于特征的參數(shù)化實(shí)體造型、基于約束的裝配造型等先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)功能。Pro/E提供與ANSYS無縫連接的專用接口，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)體模型在不經(jīng)過任何修改的情況下導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行受力分析。本文應(yīng)用Pro/E軟件對(duì)推力軸承殼體進(jìn)行了三維建模，并將其導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行分析，提高了軸承殼體建模的效率，建立的推力軸承模型見圖1所示。

推力軸承殼體材料選用ZG230-450，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知材料的彈性模量E=211GPa，泊松比v=0.3，密度ρ=7800kg/m3，屈服極限 σ0.2=230MPa。

為簡(jiǎn)化上下殼體之間連接螺栓，采用布爾運(yùn)算中的Glue命令連接上下殼體。選用六面體結(jié)構(gòu)單元Solid185對(duì)殼體進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后有限元模型如圖2所示。

圖2 推力軸承殼體有限元模型

2.2 約束及載荷施加

推力軸承安裝于基座之上，通過鉸制孔螺栓與基座聯(lián)接。根據(jù)推力軸承實(shí)際受力情況約束下支承面在Z方向的自由度和各螺栓孔在X、Y方向的自由度。

推力軸承運(yùn)行時(shí)，其推力支撐面需承受推力載荷、支撐軸瓦需承受徑向載荷。有限元分析時(shí)需將推力和載荷轉(zhuǎn)換為軸承殼體所承受面載荷，經(jīng)過換算，殼體推力面所承受面載荷為2.6MPa，支撐軸承部分承受面載荷為0.45MPa。按實(shí)際受力狀態(tài)在推力面和支撐面上施加面載荷。

2.3 結(jié)果求解

推力軸承殼體變形圖如圖3所示。由圖可知，殼體受力后有一定幅度的變形，最大變形量為 0.0807mm，位于支撐軸承位置上部。殼體應(yīng)力分布圖如圖4所示，殼體最大應(yīng)力位于圓柱體與唇邊結(jié)合處，最大應(yīng)力為86.5MPa，小于材料屈服極限230MPa，且具有較大富余，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖3 推力軸承殼體位移圖

圖4 推力軸承殼體應(yīng)力云圖

3 殼體結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 殼體厚度優(yōu)化

殼體壁厚減薄是減輕推力軸承重量的重要措施，但可能引起殼體強(qiáng)度不夠。通過減小殼體壁厚，分析厚度變化對(duì)殼體強(qiáng)度的影響，分析結(jié)果見圖5。可以看出，壁厚由55mm減為40mm，殼體的最大應(yīng)力和最大變形均有所增加，但整體依然滿足強(qiáng)度要求。

3.2 軸承寬度優(yōu)化

減小推力軸承的總寬度，分析寬度變化對(duì)殼體強(qiáng)度的影響，分析結(jié)果見圖6?？梢钥闯觯屏S承寬度由1500mm縮短 至 1350mm，殼體受力最大應(yīng)力基本保持不變，最大變形有所下降，提高了殼體強(qiáng)度。

圖5 殼體厚度對(duì)殼體強(qiáng)度影響

圖6 軸承寬度對(duì)殼體強(qiáng)度影響

圖7 加強(qiáng)筋厚度對(duì)殼體強(qiáng)度影響

3.3 加強(qiáng)筋厚度的優(yōu)化

減小推力軸承各加強(qiáng)筋厚度，分析厚度變化對(duì)殼體強(qiáng)度的影響，分析結(jié)果見圖7。可以看出，筋板減薄會(huì)引起殼體強(qiáng)度降低，但筋板厚度從35mm減薄到 20mm，殼體依然滿足強(qiáng)度要求。

經(jīng)過以上分析，對(duì)推力軸承殼體作如下優(yōu)化：殼體壁厚從55mm減小為40mm，總寬度從1500mm減小為1350mm，加強(qiáng)筋厚度從35mm減小為20mm。結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化后，對(duì)推力軸承殼體模型重新進(jìn)行強(qiáng)度分析，此時(shí)殼體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為125MPa，殼體最大變形為0.097mm，滿足強(qiáng)度要求。在Pro/E下進(jìn)行三維模型質(zhì)量屬性評(píng)估，可知?dú)んw質(zhì)量從1.94t下降到1.48t，質(zhì)量減輕了23.7%，優(yōu)化效果明顯。

4 結(jié) 論

利用ANSYS軟件對(duì)推力軸承殼體進(jìn)行了詳細(xì)的靜力學(xué)分析。在滿足殼體強(qiáng)度的前提下，結(jié)合有限元分析結(jié)果對(duì)殼體厚度、軸承寬度、加強(qiáng)筋厚度等尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，取得了較好的優(yōu)化效果，設(shè)備重量減輕了23.7%，對(duì)設(shè)備的工程應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

［1］朱樹文.船舶動(dòng)力裝置原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1980.

［2］濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［3］王慶無，左昉.ANSYS10.0機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

（編輯 黃 荻）

Optimization of Marine Thrust Bearing Housing Based on ANSYS

LI Quan-chao
（China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China）

Optimum design of the marine thrust bearing housing has been presented using ANSYS software.A 3D model for bearing housing is set up,and the reasonable restriction and load is defined according to its actual work.Then the strength of the bearing housing is analyzed to obtain the stress and displacement rule of housing.The optimization of the bearing housing has been accomplished on the basis of finite element analyzing with the safety of housing being guaranteed as a premise.The analysis result shows that the optimum design can optimize the bearing housing size and reduce its mass.

marine thrust bearing;ANSYS;optimization

U662.9

A

1002-2333（2013）09-0109-02

李全超（1985-），男，工程師，主要研究方向是船舶工程。

2013-05-30