CN108959718A - 一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化方法 - Google Patents

一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化方法 Download PDF

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Abstract

一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析方法及支撑设计优化方法，首先，对船用螺旋桨设计模型三维图像文件进行预处理以及叶片分割，提取单个叶片以及与页片相连的桨毂图像；导入ANSYS软件中，进行网格划分；对螺旋桨下端面施加所有自由度约束和预紧力；进入模态求解模块，进行仿真获取无支撑的螺旋桨模态振型，对各模态中变形位移量最大的点进行支撑，确定首个支撑点的施加位置；重复仿真，进行支撑，直到各模态中变形位移量满足设计要求。本发明利用有限元分析软件ANSYS对船用螺旋桨进行模态振型分析，通过施加约束条件分析使用支撑时的模态变化，寻找优化的支撑方法。

Description

一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化 方法
技术领域
本发明涉及大型船用螺旋桨有限元模态仿真领域，更具体的，涉及一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑优化设计方法。
背景技术
计算机技术的发展，给人类解决工程问题带来了越来越多的便利。有限元分析的也逐渐扮演着越来越重要的角色，成为解决工程问题不可或缺的计算手段，与之应运而生有限元分析软件也多种多样。
螺旋桨是舰船的主动力装置，其设计与制造精度直接决定舰船运行性能。目前，螺旋桨的设计技术我国已达到领先水平，但是加工制造技术还存在较大差距。我国对于船用螺旋桨现阶段的加工一直采用手工打磨的方式，其工作环境差，对工人的身体有很大损伤，并且效率低下，精度也难以控制。为了解决这一问题，我国一些学者正在研究利用机器人进行螺旋桨铣削加工的工艺系统，其具有较多的优势。研究发现，铣削加工中的振动一直是影响加工质量的主要因素，所以，针对螺旋桨的振动模态分析是研究的重点内容。
发明内容
本发明的目的是针对螺旋桨的振动模态分析问题，提出这一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化方法。利用有限元分析软件ANSYS对船用螺旋桨进行模态振型分析，通过施加约束条件分析使用支撑时的模态变化，寻找优化的支撑方法。
本发明的技术方案是：
一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析方法及支撑设计优化方法，该方法包括下列步骤：
(a)对船用螺旋桨设计模型三维图像文件进行预处理；
(b)对预处理后的三维图像文件进行叶片分割，提取单个叶片以及与页片相连的桨毂图像；
(c)将步骤(b)获取的三维图像文件导入ANSYS软件中，进行网格划分；
(d)对螺旋桨下端面施加所有自由度约束；同时，对整个螺旋桨模型以重力作为预紧力施加载荷约束；
(e)进入模态求解模块，设置模态频率阶数以及求解方法，进行仿真获取无支撑的螺旋桨模态振型，将振动位移最大的两阶振型中变形最大的位置作为首个支撑点，进行支撑；
(f)重复步骤(e)的仿真，得到具有单个支撑的螺旋桨模态振型，再次获取各模态中变形位移量最大的点，进行进一步支撑，根据实际工况，重复上述支撑，完成支撑优化。
进一步地，步骤(a)中预处理具体为：对船用螺旋桨设计模型三维图像文件进行删减，去除三维图像中的辅助面或线。
进一步地，预处理还包括：对于螺旋桨模型叶梢部分未闭合曲线形成的尖角，选择同心圆柱面截取尖角部分，所述的同心圆柱面截圆直径小于螺旋桨直径9-11mm，优选10mm。
进一步地，步骤(c)中，文件导入ANSYS软件后，选择10节点四面体solid187单元，对图像进行网格划分。
进一步地，步骤(a)中将螺旋桨模型进行分割时，按螺旋桨结构的复杂程度将桨毂部分和叶片部分分割开来。
进一步地，步骤(c)中，进行网格划分时，对桨毂部分和叶片部分分别设置较小单元和稍大单元。
进一步地，步骤(d)中施加约束条件时，为了与实际工况相符合，设置下端面的六个自由度全部约束，根据实际不同的装夹工况能够进行相应的修改。
进一步地，步骤(e)中，设置的模态频率阶数为10-15阶，优选15阶。
进一步地，步骤(e)中，求解方法采用BOLCK LANCZOS方法。
进一步地，步骤(f)中，根据实际的工况，使振动位移最大振型的全局变形相比未支撑优化20％以上；或者，使振动位移最大振型的最大变形减小20％，完成优化。
本发明的有益效果：
本发明选取的船用螺旋桨的模态频率主要是为了避免在加工过程中因周期切削力的激励而产生共振，进而影响加工质量，所以采用支撑的方式减小振动和变形。根据本发明所产生的支撑位置，采用千斤顶末端放置曲面橡皮，或者采用万向节加橡皮垫圈的形式，使螺旋桨曲面受力均匀，能够有效降低废品率，提高产品质量。
本发明选取支撑点位置为优化设计变量，单个叶片对应模态频率的最大振幅为优化目标变量，通过选取不同位置的支撑结果进行对比，得到模态频率最合适，振幅最小的支撑位置。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1是按照本发明的实施例所构建的螺旋桨模型处理示意图；
图2是按照本发明的实施例所构建的单叶片网格划分示意图；
图3是按照本发明的实施例所构建的初始支撑点位置布置示意图；
图4是按照本发明的实施例所构建的最终优化效果示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析方法及支撑设计优化方法，该方法包括下列步骤：
(a)对船用螺旋桨设计模型三维图像文件进行预处理，包括：
首先、对船用螺旋桨设计模型三维图像文件进行删减，按螺旋桨结构的复杂程度将桨毂部分和叶片部分分割开来，再去除三维图像中的辅助面或线；
其次、对于螺旋桨模型叶梢部分未闭合曲线形成的尖角，选择同心圆柱面截取尖角部分，所述的同心圆柱面截圆直径小于螺旋桨直径9-11mm，优选10mm。
(b)对预处理后的三维图像文件进行叶片分割，提取单个叶片以及与页片相连的桨毂图像；
(c)将步骤(b)获取的三维图像文件导入ANSYS软件中，选择10节点四面体solid187单元，对图像进行网格划分；进行网格划分时，对桨毂部分和叶片部分分别设置较小单元和稍大单元。
(d)对螺旋桨下端面施加所有自由度约束(根据实际不同的装夹工况能够进行相应的修改)；同时，对整个螺旋桨模型以重力作为预紧力施加载荷约束。
(e)进入模态求解模块，设置模态频率阶数以及求解方法，模态频率阶数为10-15阶，优选15阶，求解方法采用BOLCK LANCZOS方法；进行仿真获取无支撑的螺旋桨模态振型，将振动位移最大的两阶振型中变形最大的位置作为首个支撑点，进行支撑。
(f)重复步骤(e)的仿真，得到具有单个支撑的螺旋桨模态振型，再次获取各模态中变形位移量最大的点，进行进一步支撑，根据实际工况，重复上述支撑，完成支撑优化。根据实际的工况，对于抑制振动要求较高的工况，使振动位移最大振型的全局变形相比未支撑优化20％以上；对于振动抑制要求不高的工况，使振动位移最大振型的最大变形减小20％。
具体实施时：
如图1所示，对船用螺旋桨设计模型prt文件进行预处理，由于在设计模型的过程中残留有很多辅助面或线，为提高准确性首先对模型文件进行删减操作。分析实例螺旋桨的设计模型，直径3300mm，在叶梢位置由于建模方法的原因，存留有没有闭合的曲线，对后续有限元的网格划分会带来影响，所以，利用一直径为3290mm的同心圆柱面截取设计模型，截去叶梢的尖角部分。另外多叶片同时分析时会产生与叶片数量相等的近似频率，影响结果分析，所以只保留一个叶片，同时对单个叶片进行分割，供网格划分时划分不同单元大小，最后导出x_t文件。
如图2所示，将x_t文件导入ANSYS软件中，设置船用螺旋桨材料参数，采用10节点四面体solid187单元，对设置不同大小单元进行网格划分。对螺旋桨下端面施加所有自由度约束(根据实际不同的装夹工况能够进行相应的修改)，同时对螺旋桨整体施加重力加速度，将重力作为螺旋桨模态分析的预紧力。
进入模态求解模块，设置模态频率阶数以及求解方法，推荐采用BOLCK LANCZOS方法。得到无支撑的螺旋桨模态振型后对各阶模态进行分析，初步确定支撑点施加位置。
根据支撑的橡皮与螺旋桨曲面的接触情况以及受力分析可知，施加载荷和约束的方向应该沿曲面的法向，但是在ANSYS中施加载荷和约束时只能沿XYZ的轴线方向或绕轴线旋转方向，考虑到大型螺旋桨曲面曲率变化不大，故本文中使用沿Z分析施加载荷和约束，仿真结果也具有一定的参考价值。如图3所示，在靠近叶梢部分选取了3个不同的位置设置支撑约束进行仿真。
但是从单个支撑的模态振型可以看出，施加支撑后会使叶梢部分振幅增大。同时发现，只施加一个支撑效果不是很明显，综合各种因素后确定，同时施加3个支撑，并且将支撑点1向叶梢移动，最终结果如图4所示。可以看到，第13阶模态振型的位移显著减小，同时振幅最大对应的第12阶振型最大位移只有0.5mm，其他大部分振型位移都在0.3mm左右，振动优化效果明显。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析方法及支撑设计优化方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)对船用螺旋桨设计模型三维图像文件进行预处理；
(b)对预处理后的三维图像文件进行叶片分割，提取单个叶片以及与页片相连的桨毂图像；
(c)将步骤(b)获取的三维图像文件导入ANSYS软件中，进行网格划分；
(d)对螺旋桨下端面施加所有自由度约束；同时，对整个螺旋桨模型以重力作为预紧力施加载荷约束；
(e)进入模态求解模块，设置模态频率阶数以及求解方法，进行仿真获取无支撑的螺旋桨模态振型，将振动位移最大的两阶振型中变形最大的位置作为首个支撑点，进行支撑；
(f)重复步骤(e)的仿真，得到具有单个支撑的螺旋桨模态振型，再次获取各模态中变形位移量最大的点，进行进一步支撑，根据实际工况，重复上述支撑，完成支撑优化。
2.如权利要求1所述的一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化方法，其特征在于步骤(a)中预处理具体为：对船用螺旋桨设计模型三维图像文件进行删减，去除三维图像中的辅助面或线。
3.如权利要求2所述的一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化方法，其特征在于预处理还包括：对于螺旋桨模型叶梢部分未闭合曲线形成的尖角，选择同心圆柱面截取尖角部分，所述的同心圆柱面截圆直径小于螺旋桨直径9-11mm，优选10mm。
4.如权利要求1所述的一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化方法，其特征在于步骤(c)中，文件导入ANSYS软件后，选择10节点四面体solid187单元，对图像进行网格划分。
5.如权利要求1所述的一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化方法，其特征在于：步骤(a)中将螺旋桨模型进行分割时，按螺旋桨结构的复杂程度将桨毂部分和叶片部分分割开来。
6.如权利要求5所述的一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化方法，其特征在于：步骤(c)中，进行网格划分时，对桨毂部分和叶片部分分别设置较小单元和稍大单元。
7.如权利要求1所述的一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化方法，其特征在于：步骤(d)中施加约束条件时，为了与实际工况相符合，设置下端面的六个自由度全部约束，根据实际不同的装夹工况能够进行相应的修改。
8.如权利要求1所述的一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化方法，其特征在于：步骤(e)中，设置的模态频率阶数为10-15阶，优选15阶。
9.如权利要求1所述的一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化方法，其特征在于：步骤(e)中，求解方法采用BOLCK LANCZOS方法。
10.如权利要求1所述的一种基于有限元的大型船用螺旋桨模态分析及支撑设计优化方法，其特征在于：步骤(f)中，根据实际的工况，使振动位移最大振型的全局变形相比未支撑优化20％以上；或者，使振动位移最大振型的最大变形减小20％，完成优化。
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