调距桨桨毂结构分析与叶根螺栓联接件强度改进.docVIP

调距桨桨毂结构分析及叶根螺栓联接件强度改进1 前言 舰船调距桨为一曲柄—滑块机构，见图1，桨毂油缸内活塞的直线运动通过导架（与活塞刚性联接），滑槽内的滑块带动曲柄盘旋转，曲柄盘与桨叶叶根法兰用螺栓联接，从而使桨叶转动以达到调节桨叶螺距的目的，同时，桨毂绕桨轴转动。桨毂作为调距桨装置的核心部件，既是推进功率的承载部件，又是调距的最终执行机构，由于桨毂中各零件的形状特殊，受力复杂，以往采用经典力学公式进行的计算存在较大局限性。本文对舰船调距桨桨毂结构非工作状态，以及工作在匀速转动，承受桨叶推力、扭力、水动力扭矩以及螺栓预紧力的设计工况下进行有限元分析。考虑桨毂部件设计的几何结构以及零件之间的装配接触关系，采用参数化设计方法，编制APDL 参数化设计程序，采用软件ANSYS11.0 对桨毂部件整体及其中的桨壳体、曲柄盘、滑块、叶根螺栓、叶根法兰等零件进行有限元分析。研究了桨毂中各零件相互作用下的应力大小及分布情况，对分析结果进行分析，完成了局部区域的结构改进设计。 图1 调距桨桨毂机构装配图 2 调距桨桨毂结构有限元分析 2.1 调距桨桨毂结构有限元模型的建立 本文研究对象为 5 叶调距桨，桨毂部件为周期循环对称结构，桨毂结构受载工况是曲柄销定位26°的设计位置，桨毂结构几何模型见图2，图中，以桨轴轴线和桨叶轴线的交点为坐标原点，桨轴轴线为X 轴，桨叶轴线为 Y 轴，离心方向为正向，X 轴与 Y 轴和 Z 轴构成整体笛卡儿坐标。桨毂结构在非工作状态下，仅受螺栓预紧力作用，而工作状态下浆毂匀速转动，承受桨叶推力、扭力、水动力扭矩以及叶根螺栓预紧力，其具体载荷及模型材料参数描述见表1。有限元分析模型见图3。 图2 桨毂结构几何模型图 图3 有限元分析模型 表1 桨毂载荷及材料 本文对该模型进行有限元静力分析，由于模型的结构和载荷具有循环对称的特征，取1/5模型建立有限元分析模型。对模型的运行工况进行分析后，有限元模型的装配关系，边界条件及载荷做如下处理： 1) 有限元分析模型的建立：由于主要对桨毂分析，对大直径的叶片模型提取到0.4R的部分模型，叶片的剩余部分当作刚性区域与桨毂模型相连。由于桨毂组件中涉及多个零件，模型采用适合曲面实体划分网格的四面体单元solid92， 和适合规则实体划分网格的六面体单元solid95。考虑零件装配关系，对接触面之间采用面面接触单元CONTA174和TARGE170 单元。 2) 装配关系的处理：叶根法兰与曲柄盘通过叶根螺栓联接与桨壳体有相对转动，相对转动面为接触面，摩擦系数为0.1，叶根螺栓和叶根法兰的接触为无相对滑动的接触面，摩擦系数为0.18，叶根螺栓螺纹和曲柄盘的接触为绑定在一起，直接粘接在一起。其他联接件直接粘接在一起。 3) 边界条件及载荷的处理：桨毂组件受X 轴方向的限位约束，及循环对称的边界约束条件。桨毂在不同工作状态下作用在桨叶上的载荷，加载在叶片质心处（0，0.35D,0 ），同时桨毂承受角速度引起的惯性载荷以及叶根螺栓预紧力。 4) 叶根螺栓预紧力的处理：桨毂组件中的曲柄盘和叶根法兰靠受拉紧叶根螺栓联接在一起，叶根螺栓在装配时拧紧,使联接在承受工作载荷之前,预先受到预紧力的作用。预紧的目的在于增强叶根螺栓联接的可靠性和紧密性,以防止受载后被联接件曲柄盘和叶根法兰间出现缝隙或相对滑移。对于有叶根螺栓联接的桨毂结构进行有限元分析,如何模拟叶根螺栓受力情况，达到在有限元分析中的准确加载，将直接影响到分析结果。在预紧力作用下, 叶根螺栓处于受拉状态,而被联接件曲柄盘和叶根法兰则受压。在此利用预紧力单元法模拟螺栓预紧力，采用预紧力单元PRETS179 和PTSMESH 预拉伸分网操作来模拟螺栓的预紧力。利用solid95单元对叶根螺栓划分网格，用预紧力单元PRETS179 在叶根螺栓模型联接处模拟一个预拉伸截面。单个叶根螺栓施加预紧力为F=A*0.65σs=1726KN，其中σs为材料的屈服应力800MPa，A为叶根螺栓的有效加载面面积。 2.2 调距桨桨毂结构有限元计算结果 对上述模型，采用参数化设计方法，编制APDL 参数化设计程序，采用软件ANSYS11.0 对桨毂部件整体及其中的桨壳体、曲柄盘、滑块、叶根螺栓、叶根法兰等零件进行有限元分析。工作状态下计算结果如图4-图10。 图4：整体变形 图5：桨毂桨壳体Von Mises应力分布 图6a：根螺栓Von Mises应力分布 图6b：叶根螺栓下部Von Mises应力分布 图6c：叶根螺栓螺杆轴向应力分布 图7：叶根销Von Mises应力分布 图8：叶根法兰Von Mises 应力分布 图9：叶根叶片Von Mises 应力分布 图10：曲柄盘Von Mises 应力分布 图11：滑块Von Mises