基于有限元法的全回转吊舱壳体结构分析及优化

陈 巧

(北车船舶与海洋工程发展有限公司， 上海 201206)

基于有限元法的全回转吊舱壳体结构分析及优化

陈 巧

(北车船舶与海洋工程发展有限公司， 上海 201206)

由于全回转吊舱壳体在船舶航行时承受着较大的推力和重力，壳体的可靠性与整机的可靠性密不可分，因此壳体的强度是考核其可靠性的首要指标。通过采用有限元法对全回转吊舱壳体分别进行了强度分析及结构优化。结果表明，吊舱优化后，大幅减轻了壳体的质量，减少了其他设备安装对吊舱内部结构的限制，提升了安全系数，提高了吊舱运行指标，同时优化后的壳体其危险部位的最大应力和位移能够满足材料的强度及刚度要求，因此吊舱壳体的优化设计是可靠的。

全回转吊舱；有限元法；强度；结构优化

0 引言

全回转吊舱推进系统是目前受到全球造船业广泛关注的一种新型推进装置，它集推进和操舵装置于一体，极大地增加了船舶的灵活性，充分体现了电力推进的优越性，因此，研究全回转吊舱对电力推进系统的发展具有重要意义[1-2]。吊舱推进系统的壳体是吊舱建造过程中关键结构之一，壳体结构质量影响船舶航行性能。在初期设计中，为提高壳体强度、刚度、稳定性等性能，往往会增大壳体结构尺寸，从而造成壳体质量的增加，影响航行的各项指标[3]。

吊舱壳体作为整台设备的骨架，在实际航行中承受着较大的推力和重力，其应具有足够的强度。由于吊舱内装载有电动机等电气设备，在工作状态下要求吊舱不能发生过大的变形以保护设备不出现损伤情况，因此对其刚度有着较高的要求。本文首先利用有限元法对吊舱壳体进行静力分析，根据分析的结果确定优化部位、制定优化方案，然后对吊舱壳体结构的形式、尺寸进行多位优化，在满足壳体结构强度、刚度、稳定性等设计要求的前提下，尽可能地减少零件尺寸，有效提升材料的综合利用率，进而得到优化的壳体方案，满足壳体的轻型化和高效加工的需求。

1 壳体有限元计算

有限元法是一种高效而新颖的数值计算方法，目前已经广泛应用于船舶、航空航天、汽车、化工、工程机械等各个领域。现代机械设计理论应用有限元法能有效地解决大型复杂件难以计算的强度、刚度、稳定性等参数[4-5]。传统理论计算需要求解各类微分方程，许多微分方程的解析一般很难得到，且计算精度较低，应用有限元法将连续的求解域离散为一组单元的组合体，每个单元作为一个单独的计算域分别计算，最后在相邻单元的边界依据协调方程将所有单元的计算结果统一，即能够得到精度较高的计算结果。

本文以吊舱壳体为分析对象，其初期设计的基本参数如表1所示。

表1 吊舱壳体基本参数

1.1 壳体有限元分析

1.1.1 壳体实体模型简化

应用Solidwork软件建立壳体的三维实体模型，考虑到原模型中存在较多的结构细节，如果全部保留这些结构，不但会影响有限元网格的划分难度及效果，而且会大幅提高模型计算时间，有时甚至会因计算机性能的限制而造成计算失败，因此为了方便有效地进行有限元分析，降低计算机的资源占用，需对初期模型进行合理的简化。简化过程运用布尔操作来修整，且需满足等效性原则，简化后的模型能够如实反映壳体的主要力学特性，为遵循这一原则，建模时忽略了一些螺栓孔、倒角等为了满足加工、装配要求但属于非主要受力结构。简化后的模型如图1所示。

图1 壳体简化实体模型

1.1.2 网格划分

将吊舱壳体的三维模型导入到有限元软件中，由于简化后的模型形状比较规整，故采用六面体实体单元进行网格划分，能提高计算效率及结果精度。网格划分完成后，形成的壳体有限元模型如图2所示，其中共有267 492个模型节点、152 408个单元。壳体材料分为两部分，上部分为ZG230-450H焊接结构用碳素铸钢，下部分为AH36船用高强度结构钢，其材料机械性能如表2所示。

表2 吊舱壳体材料特性

图2 壳体有限元模型

1.1.3 载荷及约束施加

结合实际工况的工艺参数，在壳体有限元模型的受力面上施加均布面载荷，根据前文所述，推力载荷为80 000 N，重力载荷为35 000 N，自重为20 550 N，在壳体顶部施加固定约束(fixed support)，如图3所示。

1.2 结构分析

设置吊舱壳体边界条件、施加外部载荷、自重完成后，对吊舱壳体进行静力分析。壳体的应力、形变云图如图4 所示，其中最大等效应力在铸件顶面处，为43.8 MPa，远小于铸钢材料屈服强度230 MPa，最大形变为0.54 mm，满足铸钢材料刚度要求。吊舱壳体优化前应力、形变符合设计要求，安全系数约为2.6。

1.3 优化设计

对初始设计进行有限元分析的结果表明，吊舱壳体结构的强度和刚度都有富余，其值远小于安全值，且壳体质量影响吊舱的整体性能，故对壳体进行结构优化。利用有限元法对吊舱壳体进行优化时，先定义结构壳体的优化变量和常量，这里选取壁厚为优化变量，而壳体的外形尺寸为不变化的常量，在保证最大应力小于屈服强度、变形量满足材料刚度要求的前提下，尽可能地减薄壳体壁，进而为壳体减重，得到优化后的模型。

对修改后的模型施加相同的约束和载荷，经过分析得到的应力、变形量如图5所示。由图中可知，优化后的壳体在同样工况下其危险截面发生了改变，现位于中段的过渡圆角处，其最大等效应力为58.5 MPa，最大形变为1.05 mm，安全系数约为3，安全系数高于优化前，满足设计要求，而壳体的质量减轻至1 357 kg。

图5 吊舱壳体优化后云图

2 结论

通过对吊舱壳体进行有限元分析，直观地展现了壳体应力和形变分布，发现了初期设计时的不足。此有限元分析可以得到以下结论：

(1) 通过对壳体整体结构的有限元优化，壳体的质量减少至1 357 kg，与初期设计方案相比减轻了33.9%，一方面增大了壳体的内部空间，降低了对其他设备的安装尺寸和质量的限制，另一方面可以间接提高吊舱运行时的各项指标，同时由于节省了大量的材料，因而降低了成本，具有十分明显的经济效益。

(2) 有限元法计算结果表明：壳体优化前和优化后壳体的最大应力发生处发生了改变，由结构顶端的铸件处变更为结构中部钢板的过渡圆角处，最大位移都出现在结构的底端。最大应力位置由铸件变为钢板处，因材料的改变，安全系数也有所提升。其最大应力和位移均满足材料的强度及刚度要求，因此吊舱壳体的优化设计是可靠的。

(3) 采用有限元法计算得到的是吊舱壳体的应力云图与变形图，可以查看任意细节的应力和位移状态，对吊舱壳体结构参数确定和优化设计具有较好的指导意义。

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[1] 马骋, 张旭, 钱正芳，等.POD推进器技术发展及其应用前景[J]. 船舶工程, 2007, 29(6): 25-29.

[2] 高海波, 高孝洪, 陈辉，等. 吊舱式电力推进装置的发展及应用[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版), 2006, 30(1): 77-80.

[3] 蒋伟, 李世芸. 基于ANSYSWorkbench的水下航行体壳体结构优化[J]. 鱼雷技术, 2014, 22(4): 245-248.

[4] 曾志华, 虞伟建.ANSYS结构优化技术在机械设计中的应用[J]. 中国制造业信息化(学术版), 2009 (7): 33-37.

[5]YANGL.StudyontheapplicationoffiniteelementmethodandCAEtechnologyinmodernmechanicalengineering[C]//Proceedingsofthe2014IMSSInternationalConferenceonFutureManufacturingEngineering, 2015TaylorandFrancisGroup,London, 2014, 325-327.

Structure Analysis and Optimization for Rotary Pod Shell Based on Finite Element Method

CHEN Qiao

(CNR Ship and Offshore Engineering Development Co.,Ltd., Shanghai 201206, China)

Due to be subjected to large gravity and thrust, the reliability of the rotary pod shell is closely related to the reliability of the whole machine. The strength of the shell is the primary index of reliability assessment. The finite element method is used for the strength analysis and the structure optimization of the rotary pod shell. The following conclusions can be obtained: the optimization can lighten the mass of shell, eliminate the internal structure limitation of pod for equipment installation, improve the safety coefficient and increase the operation index.Maximum stresses and displacements of the shell risk parts can all satisfy the requirements of the strength and rigidity of the materials after optimization, thus the optimal design of the pod shell is reliable.

rotary pod; finite element method; strength; structure optimization

陈 巧(1986-)，女，工程师，主要从事机电设计专业的相关工作。

1000-3878(2017)01-0018-05

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