基于APDL的船舶轴系校中参数化方法研究

陈海洲 刘世伟

（武汉交通职业学院，湖北武汉 430070）

基于APDL的船舶轴系校中参数化方法研究

陈海洲 刘世伟

（武汉交通职业学院，湖北武汉 430070）

本文对于船舶轴系校中计算提出了基于APDL的参数化分析方法，给出了在ANSYS中的GUI操作流程并详细介绍了APDL参数化命令流的规范化书写。最后通过与船舶工程计算软件COMPASS的结果对比验证了该方法的正确性，为船舶轴系校中提供了更为简单快捷的解决方案。

轴系校中；APDL；参数化；ANSYS

为了确保船舶轴系持续正常地运转，除轴系设计应具有合理结构及足够强度、振动计算符合要求外，在轴系安装时，轴线还应具有合理的状态，使全轴系各轴段内的弯曲应力及各个轴承上的负荷均处在合理的范围之内［1］。

经理论分析和生产实践证明，安装好的轴系，其各轴段内的弯曲应力及各轴承上的负荷是否合理，主要取决于轴系的校中质量。所谓轴系校中，就是按一定的要求和方法，将轴系调整成某种状态（直线或曲线），处于这种状态的轴系，其各轴段内的弯曲应力和各轴承上的负荷都应处在允许范围之内，或具有最佳的数值，以保证轴系能持续正常地运转。

但是，以往的研究分析中，采用APDL参数化方法校中的计算很少，往往都是针对特定轴系问题的单个算例，缺乏通用的设计语言。随着船舶轴系校中问题的日益关注和有限元软件ANSYS在该问题上的广泛使用，有必要对船舶轴系校中中APDL的参数化设计进行研究，以期能够快速地对校中问题进行求解。

1 有限元语言APDL

有限元分析软件ANSYS是一款综合性的大型通用CAE软件，广泛应用于机械制造、热、流体、电磁、声学等领域。使用它进行分析时一般有两种方式：一是通过GUI进行界面化的操作，常用于简单问题的分析；二是以命令流的方式进行输入，常用于复杂问题或是重复性问题分析。

APDL（ANSYS Parametic Design Language）类似于其他编程语言，提供参数、矩阵、向量等基本定义方法，同时也能够实现循环、分支、重复等功能。此外APDL还提供了简单界面的创建功能，使得用户可以交互式地输入参数以及查看消息等功能。

2 轴系校中的有限元模型

本文研究的船型为一艘IMOⅡ型化学品船，无限航区。轴系包括推力轴、中间轴和艉轴，全长8.888m，共有前、后齿轮箱轴承，前、后艉管轴承等四个轴承，螺旋桨和飞轮重分别为：61.591KN和30.439KN。在ANSYS中主要有以下建模步骤。

（1）在ANSYS的前处理模块中添加，Beam188单元和Combin14单元类型。定义材料属性：弹性模量为2.06E11Pa，泊松比为0.3，基本密度为7850Kg／m3（考虑浮力系数时应各个轴段分别定义）。定义实常数，个数为轴承的个数，数值为轴承的刚度：尾管后轴承为1E9N／m，其他轴承为5E9N／m。

（2）建立各个截面处的截面形状，并通过Taper Sections定义渐变截面（需给出轴段两端的截面编号和相应的截面位置）。建立截面处的关键点，并相连创建轴段，最后划分网格，单元类型为Beam188。

（3）建立轴承的下支点，将截面处的关键点作为上支点创建轴承单元，单元类型为Combin14并赋予其不同的刚度实常数。

（4）将螺旋桨以及飞轮等简化为作用在其中心处的集中力，并施加于相应的截面处。

（5）在各个轴承的下支点处施加全约束，在其上支点处约束UZ、ROTX、ROTY，并将整体分析放置在重力场中。根据以上建模步骤得到的有限元模型如图1所示。

3 轴系校中的参数化方法

参数化是当所研究对象的结构形式固定或者关键点相同时，为了节省时间和精力的最优解决方案。结合参数化的APDL语言能够有效地提高有限元的分析效率，使得后续的二次开发更为方便。该方法对于命令流语句书写有着相当严格的规范，以下就本文轴系校中问题进行详细说明。

3.1 轴系基本数据的参数化

＊SET，ME，2.06E11！定义材料的弹性模量

＊SET，PRT，0.3！定义材料的泊松比

＊SET，NUMD，39！节点个数

NUMZD＝NUMD－1！轴段个数

＊DIM，LENK，，NUMD！定义截面的编号数组

＊SET，LENK（1），0！输入截面的坐标

＊DIM，LRADSEC，，NUMZD！定义轴段左边截面半径数组

＊SET，LRADSEC（1），0.13！输入轴段左边截面半径数值

＊DIM，RRADSEC，，NUMZD！定义轴段右边截面半径数组

＊SET，RRADSEC（1），0.13！输入轴段左边截面半径数值

＊DIM，MIDU，，NUMZD！轴系材料的实际密度数组

＊SET，MIDU（1），6850！轴系材料的实际密度输入

ET，1，BEAM188！定义梁单元

ET，2，COMBIN14！定义轴承单元

＊DO，J，1，NUMD！定义关键节点

N，J，LENK（J），0，0

＊ENDDO

＊DO，J，1，NUMZD

MP，EX，J，ME！定义各轴段材料属性

MP，PRXY，J，PRT

MP，DENS，J，MIDU（J）

SECTYPE，J，BEAM，CSOLID，，，！定义轴段左边梁截面

SECOFFSET，CENT

SECDATA，LRADSEC（J），25，10，0，0，0，0，0，0，0，0，0

SECTYPE，J＋NUMZD，BEAM，CSOLID，，，！定义轴段右边梁截面

SECOFFSET，CENT

SECDATA，RRADSEC（J），25，10，0，0，0，0，0，0，0，0，0

SECTYPE，J＋2＊NUMZD，BEAM，CSOLID，，，！定义变截面梁截面

SECTYPE，J＋2＊NUMZD，TAPER，，

SECDATA，J，LENK（J），0，0，

SECDATA，J＋NUMZD，LENK（J＋1），0，0，

TYPE，1！划分轴段网格

MAT，J

REAL，

ESYS，0

SECNUM，J＋2＊NUMZD

TSHAP，LINE

E，J，J＋1

＊ENDDO

3.2 轴承数据的参数化

＊SET，NUMZC，4！轴承个数

＊DIM，LOCZC，，NUMZC！轴承位置编号数组

＊DIM，STIFFK，，NUMZC！轴承刚度参数数组

＊DIM，NU，，NUMZC！轴承上节点编号数组

＊DIM，ND，，NUMZC！轴承下节点编号数组

＊SET，LOCZC（1），7！轴承的位置输入

＊SET，STIFFK（1），1E19！轴承刚度参数输入

＊DO，J，1，NUMZC

R，J，STIFFK（J）！定义轴承的实常数

N，，LENK（LOCZC（J）），－LRADSEC（LOCZC（J）），0！建立轴承弹簧下支点

NU（J）＝NODE（LENK（LOCZC（J）），0，0）！提取轴承支上点节点编号

ND（J）＝NODE（LENK（LOCZC（J）），－LRADSEC（LOCZC（J）），0）！提取轴承支下点节点编号

TYPE，2！建立轴承单元

REAL，J

E，NU（J），ND（J）

＊ENDDO

3.3 集中力数据的参数化

＊SET，NUMF，2！集中力的个数

＊DIM，NF，，NUMF！集中力编号数组

＊DIM，LOCF，，NUMF！集中力位置编号数组

＊DIM，VALF，，NUMF！集中力数值数组

＊SET，LOCF（1），3！集中力位置节点编号

＊SET，LOCF（2），35

＊SET，VALF（1），－61591！集中力的数值

＊SET，VALF（2），－30439

＊DO，J，1，NUMF

NF（J）＝NODE（LENK（LOCF（J）），0，0）！提取集中力节点编号

F，NF（J），FY，VALF（J）！施加集中力

＊ENDDO

以上APDL出现的数据均采用标准的国际单位制，读者也可以根据实际需要自己设置封闭的单位制。此外，由于篇幅限制问题，APDL的命令流里给出了关键的语句书写，省略了重复性的数值输入。

4 计算结果与分析

从以上APDL命令流可以看出，无论何种船舶的轴系校中，相关分析人员只需修改本文给出的命令流中的＊SET语句部分的对应数据即可完成计算。至于结果的正确性验证，本文选择的算例使用了中国船级社开发的船舶工程计算软件COMPASS进行了理论计算，在此选取轴系校中时最为关注的轴承支反力作为对比数据，见表1。

从表1可见，两种计算方法在结果上是基本一致的，说明本文参数化方法的正确性。相比于中国船级社采用的计算软件而言，在使用APDL时实现了变截面问题的仿真，使得计算结果更加接近真实数值。

5 结 语

本文将船舶轴系校中的APDL命令流进行了参数化创建，适合轴系基本参数不同、轴承参数不同、集中力个数不同等情况，大大减少了船舶轴系校中时所耗费的精力和物力。另外该参数化方法为ANSYS的二次开发铺垫了基础，使用VB.net读写相应数据，并设置轴系基本参数、轴承参数、集中力参数等模块嵌入即可完成开发。最后本文提出的船舶轴系的参数化思想同样适用于船舶轴系分析的各个方面，如轴系扭振、纵振、回旋振动等。

1 陆金铭.船舶动力装置安装工艺学［M］.北京：国防工业出版社，2006.

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

3 李彬，王宗彦，秦慧斌.基于VB和APDL的渐开线斜齿轮模态分析［J］.机械传动，2013，37（12）：93－96，104.

4 赵小伟.基于APDL的桥式起重机桥架结构参数化设计及优化［D］.太原科技大学，2012.

A Parametric Method of Ship Shafting Alignment Based on APDL

CHEN Hai－zhou，LIU Shi－wei
（Wuhan Technical College of Communications，Wuhan 430070，China）

This paper puts forward parametric method of ship shafting alignment calculation based on APDL.It lists the GUI operations in ANSYS and introduces the standardized writing of APDL parameterized command stream.Finally，compared with the results by COMPASS，a marine engineering calculation software，the validity of the method is verified.Thus，it provides a much simpler and faster solution of ship shafting alignment.

shafting alignment；APDL；parametric method；ANSYS

U664.2

A

1671－8100（2015）01－0004－04

（责任编辑：谭银元）

2014－10－24

陈海洲，主要从事船舶制造与维修方面的教学和科研工作。