基于APDL的轴系校中计算

张兴涛 蒋岚岚

摘要：本文介绍了轴系合理校中的必要性以及基于APDL的校中计算方法，并通过对比计算结果，说明该计算方法是完全适用的。

关键词：轴系校中；APDL；有限元；节点；轴承反力系数；顶举系数

Shafting Alignment Calculation Based on APDL

ZHANG Xingtao1, JIANG Lanlan2

( 1.CCS Guangzhou Plan Approval Center, Guangzhou 510235; 2.Guangzhou Marine Engineering Corporation, Guangzhou 510250 )

Abstract: This paper introduces the necessity of shafting alignment and the calculation method based on APDL. By comparing the calculation results, it is proved that the method is completely applicable.

Key words: Shafting alignment;APDL;Finite element; Node;Bearing force reaction influence;Jack correction factor

1前言

随着船舶的大型化及对推进效率的更高要求，螺旋桨的尺寸和重量显著增加。如果将轴系安装成直线，往往会使尾管后轴承的载荷非常严重，轴系上各轴承的负荷分配也不均匀。为改善轴系各轴承上负荷的分配，广泛采用合理校中技术，即按限定的负荷、应力、转角等约束条件，计算出各个轴承合理的垂向位置，人为地把轴线调整成曲线状态，以使轴承上的负荷合理分配。

目前，轴系合理校中基本都采用静态校中。静态校中假定轴系各个轴承为刚性支点，推进轴系视为刚性铰支上的连续梁。静态校中一般考虑轴系的三种状态——热态、冷态、安装状态。常用的计算方法有三弯矩法、迁移矩阵法和有限元法。

ANSYS是大型通用有限元软件，其APDL（即ANSYS Parametric Design Language的缩写）功能可提供完成建立模型、施加约束和载荷、求解以及后处理的命令。它除具备一般程序语言的功能外，扩充了传统有限元分析范围之外的能力，如参数化建模、宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、以及访问ANSYS有限元数据库等。利用APDL进行轴系校中计算，能充分地运用ANSYS的有限元分析、批处理、后处理等能力。具体过程，以下作详细论述。

2建模

对轴系本体部分采用BEAM188梁单元模拟。BEAM188单元是三维梁单元，每个节点具有六个自由度：UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ，可以满足校中计算的要求。设置不同的梁截面，可以模拟不同直径的轴结构。

APDL 命令的编写一般是基于TXT 文本编辑器环境下操作的。通常工程比较庞大时，要求输入的用于生成节点、单元，定义单元属性、边界条件、荷载等相关命令代码就会相当多，在 TXT文本编辑器环境下操作变得繁琐。用Excel软件辅助生成ANSYS中APDL代码的方法，可提高建模效率。

按表1中的方式在EXCEL表里填写数据。把每个双线框里的数据和字母选取，复制到Microsoft Word->菜单“编辑（S）”->“全选（L）”->菜单“表格（A）”->“转换（V）”->“表格转换成文本（B）”->“逗号（M）”。对需要换行的地方进行回车操作后，即得到节点和截面的APDL代码。以同样的

在轴承处加载边界条件，约束UY、ROTX、ROTZ自由度。螺旋桨、飞轮或大齿轮重量作为集中载荷施加在部件所在的节点上。对全局施加重力加速度。根据校中计算需要，在直线校中、冷态、热态计算时，UZ自由度约束在Z轴方向的变位不尽相同，故在求解时对UZ单独处理。本文以一艘5000吨级油船的轴系为例，用APDL进行有限元分析，模型如图1。

根据规范要求，校中计算应包括冷态工况、热态工况下轴系合理校中时的轴承变位值、轴截面的变矩或弯曲应力、剪力、转角、轴承负荷。利用APDL命令或APDL中的数学计算很容易得到需要的数据。

按规范要求，安装状态下应提供各对法兰的偏移和开口值。

安装状态下的计算，需对数据模型稍作修改。在法兰联接处，设置两个节点，分别跟前一个节点和后一个节点建立没有关联的两个单元。在外加集中载荷和重力的作用下，求解可得到各对法兰的偏移和开口值。安装状态下，变形位移如图2。

COMPASS是中国船级社开发的船舶工程计算软件，广泛应用于船舶设计和审图工作。以5000吨级油船的轴系为例，任意选取两组数据对比COMPASS和APDL的计算结果，如表2、表3：

[1]赵汝斌, 邹春平. 船舶动力装置安装工艺学. 北京: 国防工业出版社, 1995

[2] 夏云根. Excel在ANSYS建模中的应用. 第五届中国CAE工程分析技术论文集

[3] 博弈创作室. 编著. APDL参数化有限元分析技术及其应用实例. 北京:中国水利水电出版社, 2004