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（00.35D0）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800MPaA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VonMises应力分布图6a：根螺栓VonMises应力分布图6b：叶根螺栓下部VonMises应力分布图6c：叶根螺栓螺杆轴向应力分布图7：叶根销VonMises应力分布图8：叶根法兰VonMises应力分布图9：叶根叶片VonMises应力分布图10：曲柄盘VonMises应力分布图11：滑块VonMises应力分布2.3调距桨桨毂结构有限元结果分析与讨论桨毂结构在曲柄盘26度的设计位置时加载叶根螺栓预紧力、推力、扭力、摆动扭矩及离心力外载荷时结构的整体变形为0.827mm最大变形在叶片外