基于有限元的船舶轮机叶片失效与改进设计

董明达 理工造船（鄂州）股份有限公司

在应急推进装置、燃气轮机等动力推进装置以及风机、叶片泵等辅助动力装置中船舶轮机叶片应用较为广泛，轮机叶片在水介质中运行的过程中水流从叶片进水口流入，从出水口流出，叶片主要承受水流的冲刷和阻力。为提高叶片的过流能力和转轮运行效率，通常在叶片设计过程中减小叶片厚度、增大叶片刚度和强度，使其既不断裂失效，又不会发生较大变形。但是，叶片厚度减薄后发生疲劳断裂失效的可能性大大增加，由于船舶轮机叶片长期运行于水下环境中，对其应力及位移分布情况进行测量存在较大难度，无法得知叶片是否存在断裂的可能及原因，也无法有效改善叶片几何结构。为此，本文通过有限元分析软件对船舶轮机叶片运行过程进行模拟，得出叶片应力场及位移场等的实际分布情况，为叶片断裂失效故障的有效解决提供技术支持和方案设计。

1.模型构建

某典型船舶轮机叶片由传动轴和叶片结构构成，且叶片呈不规则的几何结构，上下表面均为形式复杂的超曲面。考虑到该轮机形状结构的特殊性，很难构建起与实际叶片完全一样的模型。故在建模时将叶片离散为485个非常小的六面体，以尽量逼近叶片实际，叶片表面所承受的压强随曲面变化，也就是说叶片表面每一点压强均不同，为此，根据等效原则将荷载平均加载至各个面。所构建的船舶轮机叶片有限元模型具体见图1。

图1 船舶轮机叶片有限元模型

为进行网格划分对船舶轮机叶片失效影响的比较分析，本文采取两种方式划分有限元网格。一种是由3265个20节点Solid95单元所组成的较粗网格，并沿着叶片厚度向划分为四层结构；另一种是由11598个20节点Solid95单元组成的较细网格，并沿着叶片厚度向划分为五层结构。为体现出船舶轮机叶片实际断裂部位应力集中情况，还进行了断裂部位有限元网格的加密处理。传动轴x、y、z向位移约束均设置为0，船舶轮机叶片在水介质内工作过程中上下面均受到压强作用，通过数值模拟得到各离散点压强，并加载至组成叶片的小六面体上，便可得出叶片上下面各点压强值。

2.计算结果分析

本文所分析的典型船舶轮机叶片由各向同性铝合金材料制成，其杨氏模量、屈服应力和强度极限值分别取225GPa、550MPa和750MPa，泊松比0.3，为保证分析结果的适用性与准确性，分三种工况进行仿真模拟。其中工况Ⅰ为最危险工况，工况Ⅱ和工况Ⅲ应力场与位移场分布特点与工况Ⅰ基本一致，仅在数量上与工况Ⅰ存在差异。本文分析船舶轮机叶片强度和刚度时主要以工况Ⅰ为代表性工况，其余两种工况的分析过程与工况Ⅰ基本一致，故忽略其分析过程。

2.1 粗网格分析结果

根据网格较粗时工况Ⅰ有限元分析结果，船舶轮机叶片最大等效应力（176MPa）出现在实际断裂部位，这与实际运行情况十分吻合。但结合类似工程经验发现，如此低的应力水平一般不会导致实际船舶轮机叶片发生快速断裂。通过进一步的网格细化发现，该船舶轮机叶片沿z向位移最大值为1.85mm，且主要出现在叶片外缘底部。

2.2 细网格分析结果

船舶轮机叶片连接传动轴的部位几何形式上存在急剧变化，且容易发生应力集中现象，最大等效应力也必将发生在这一部位。为体现出沿叶片厚度向应力的梯度变化情况，在叶片厚度向增设了一层网格，有限元分析结果表明：叶片实际断裂部位的等效应力值最大，为564MPa，超出铝合金材料屈服应力，叶片厚度加密后等效应力最大值为加密前的2倍多，应力水平的增大必将引发此部位快速断裂。与此同时，在断裂区域周围等效应力呈明显的梯度下降趋势，也说明此区域内存在应力集中现象，疲劳破坏出现的可能性较大，对该区域所采取的网格加密处理也十分必要，加密后的分析结果更加符合船舶轮机叶片运行实际。

模型中轮机叶片外缘沿z 向位移最大值为1.798mm，网格细分以及叶片厚度加密前位移最大值为1.78mm，说明此类操作对叶片位移结果的影响并不大。

2.3 应力水平分析

以上分析结果表明，船舶轮机叶片等效应力基本为屈服应力状态，在较高的应力水平循环作用下很容易引发轮机叶片疲劳断裂失效。通过采用相应措施改进叶片结构后应力水平显著下降，断裂损失得到有效抑制。在实践中通常将卸载槽或过度圆角增设于机械零件台阶处以控制应力水平、降低应力集中系数。但是轮机叶片运行过程中还必须考虑其传动轴与其余零件之间的有效配合，增设过度圆角将不利于其传动轴的配合，故本文主要采取增设卸载槽的做法。卸载槽半径是影响应力集中系数大小的主要因素，从理论层面来看，卸载槽半径增大至一定程度后，应力集中系数便不再减小；然而卸载槽半径越大，便会产生更大的叶片刚度削弱力和叶片位移，会降低水轮机工作性能。为此，必须探求最佳的卸载槽半径取值，使得应力水平降低的同时叶片刚度不明显削弱，位移也不明显增大。分析卸载槽半径分别为5mm、10mm和15mm时的应力水平及位移场，以进行卸载槽半径最佳取值的判断。比较分析结果见表1。

（1）卸载槽半径5mm。将半径5mm的卸载槽增设在船舶轮机叶片应力集中部位并进行有限元分析，结果表明，叶片等效应力最大值从564MPa降低至353MPa，但这种高应力水平下叶片发生断裂破坏的可能性仍较大。叶片断裂区域等效应力下降梯度呈递减趋势，但仍存在较为明显的应力集中，在轮机叶片机械零件台阶处增设半径5mm卸载槽的做法无法达到降低应力的效果。增设半径5mm卸载槽后轮机叶片外缘沿z向位移最大值从之前的1.798mm增大至1.846mm，表明叶片刚度下降的同时位移只增大了0.048mm。

（2）卸载槽半径10mm。将半径10mm的卸载槽增设在船舶轮机叶片应力集中部位并进行有限元分析，根据结果，叶片等效应力最大值从564MPa降低至264MPa，其应力水平降低程度显然优于半径5mm的卸载槽。叶片断裂区域等效应力下降梯度呈较为明显的递减趋势，且应力集中现象基本得到缓解，应力呈较为均匀的分布。增设半径10mm卸载槽后轮机叶片外缘沿z向位移最大值从增设卸载槽前的1.798mm增大至1.878mm，位移增大了0.08mm，但叶片刚度无明显下降。

（3）卸载槽半径15mm。将半径15mm的卸载槽增设在船舶轮机叶片应力集中部位并进行有限元分析，根据结果，叶片等效应力最大值从564MPa降低至267MPa，其应力水平降低程度不如增设半径10mm的卸载槽。增设半径15mm卸载槽后轮机叶片外缘沿z向位移最大值从增设卸载槽前的1.798mm增大至2.297mm，位移增大0.499mm，叶片刚度与前两种情况相比下降很大。综上，建议采用半径10mm的卸载槽，以便在解决轮机叶片应力集中问题的同时使叶片刚度和强度进一步增强。

3.结论

综上所述，在不同工况下船舶轮机叶片等效应力最大值所处部位与叶片实际断裂部位完全吻合，表明本文分析结果能体现叶片运行实际，叶片等效应力最大值均超出叶片材料屈服应力，且在最大等效应力区域等效应力呈明显的梯度变化趋势，应力集中，引发轮机叶片疲劳破坏的可能性较大。在采用粗网格时，应力水平变动敏感且降幅较大，无法体现出叶片应力集中区域实际应力情况，但位移计算结果受网格密度影响较小，可采用加密后的细网格。将卸载槽增设至轮机叶片应力集中区域后可显著降低区域应力集中现象，但对叶片z向位移的影响并不显著。为此，在实践中，船舶轮机叶片可采用增设圆形过度倒角或半径10mm卸载槽的做法，以降低轮机叶片应力集中程度，保证叶片工作性能的顺利发挥。