调距桨桨毂结构分析及叶根螺栓联接件强度改进.doc

调距桨桨毂结构分析及叶根螺栓联接件强度改进
发表时间：2009-8-13作者:许京荆王秀荣谢清程王小静王亚红来源:安世亚太
关键字:HYPERLINK"http://www.e-works.net.cn/commsearch.aspx?keyword=%b5%f7%be%e0%bd%b0"\t"_blank"调距桨HYPERLINK"http://www.e-works.net.cn/commsearch.aspx?keyword=%bd%b0%ec%b1"\t"_blank"桨毂HYPERLINK"http://www.e-works.net.cn/commsearch.aspx?keyword=%d2%b6%b8%f9%c2%dd%cb%a8"\t"_blank"叶根螺栓HYPERLINK"http://www.e-works.net.cn/commsearch.aspx?keyword=ANSYS"\t"_blank"ANSYSHYPERLINK"http://www.e-works.net.cn/commsearch.aspx?keyword=%d3%d0%cf%de%d4%aa%b7%d6%ce%f6"\t"_blank"有限元分析
舰船调距桨浆毂为一曲柄—滑块机构，桨毂油缸内活塞的直线运动通过导架，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。桨毂既是推进功率的承载部件，又是调距的最终执行机构，因此成为调距桨装置的重要设计部件。本文对舰船调距桨桨毂结构在非工作状态，以及工作在匀速转动，承受桨叶推力、扭力、水动力扭矩、螺栓预紧力的设计工况进行有限元分析。考虑桨毂部件的几何结构以及零件之间的装配接触关系，编制APDL参数化设计程序，采用软件ANSYS11.0对桨毂部件整体及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，并对叶根螺栓联接件的强度失效进行了局部区域的结构改进设计。

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
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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