基于SolidWorks的非收放式减摇鳍摇臂结构优化分析

赵树培，盛 兴

（公安海警学院 机电管理系，浙江 宁波 315801）

基于SolidWorks的非收放式减摇鳍摇臂结构优化分析

赵树培，盛 兴

（公安海警学院 机电管理系，浙江 宁波 315801）

本文针对海警某1500吨级巡逻舰出现的非收放式减摇鳍的摇臂断裂故障，用SolidWorks软件对执行机构的摇臂受力情况进行仿真分析研究，探究摇臂断裂故障的深层原因，依据仿真结果对摇臂进行优化设计，使改进后的摇臂能满足强度要求，在工作中更加可靠，更利于保养维护。

减摇鳍；摇臂；Solidworks；仿真优化

随着维护国家海洋权益斗争的日趋激烈和海上执法执勤任务的日益加重，海警舰艇的活动范围将越来越广，较以往相比其航行海况必将越来越恶劣。为了减小舰艇在风浪中的摇摆，保证舰艇的安全性和舒适性，需设置适当的减摇装置提高舰艇的减摇能力。减摇鳍是海警舰艇常用的一种主动式减摇装置，可以改善舰艇的适航性，提高舰艇的安全性。非收放式减摇鳍具有结构简单、体积小、可塑性高、成本低等优点，被广泛地应用于海警舰艇。但是，由于减摇鳍与水面直接接触，在减摇鳍升力和波浪力等多种载荷的联合作用下，易产生大变形和损坏，容易受氧化反应的影响导致减摇鳍锈蚀损坏，特别是摇臂结构，由于受力情况苛刻，更容易出现故障，从而影响到舰艇的正常航行。本文结合维修实践，对减摇鳍的摇臂结构进行优化分析，探究摇臂断裂故障的深层原因，为以后的维护保养，降低故障概率，提出了一定的改进方法[1]。

一、非收放式减摇鳍执行机构组成及工作原理

非收放式减摇鳍一直伸出舷外，遇到风浪需要减摇时按控制规律转动，产生升力，具有结构简单、体积小、重量轻、可靠性高及成本低等优点。减摇鳍装置是由鳍、鳍座与机械组合体(执行机构)、液压控制系统和电气控制系统三大部分组成。鳍的外形类似于尾舵，为对称翼型，平面形状早期为矩形，后改为梯形。当舰艇在风浪中航行产生横摇运动时，鳍绕鳍轴往复摆动，鳍上便产生升力，形成抵抗横摇运动的稳定力矩，起到减缓舰艇横摇的作用。鳍座是机械组合体的基座，起到固定的作用，它的外形是一个长方体的箱子，其下端与外板焊接，四周与船的纵、横箱板焊接，鳍座中间是一个圆柱体，供执行机构插入，上部面板与执行机构以螺栓连接。

图1 非收放式减摇鳍执行机构模型

执行机构是一个驱动鳍转动的机械液压传动机构，它由转鳍机构(由液压缸、摇臂和鳍轴等组成)、密封填料盒、鳍角反馈盒、止动和限位机构等组成，如图1所示。执行机构安装在鳍座内，其上的鳍轴从舰艇的舭部伸出与鳍相连接。执行机构主要是驱动鳍往复摆动，限制鳍的摆动作用，反馈鳍的转角信号，当鳍不工作时将鳍锁紧于零位，并通过油管与液压控制系统实现油路连接。

鳍装在舰艇左右舭部，当舰艇以速度V航行时，若一舷鳍相对于流线方向偏转α角，如图2所示，根据连续流原理，鳍的上方流速大压力低，下方流速小压力高，上下水流之压差在鳍上产生一向上的升力P，升力表达式如式1所示。

式中：ρ——海水密度；

Cy——鳍的升力系数(鳍形设定后，其值仅与鳍转角α有关)；

S——鳍的面积；

V——舰艇航速。

图2 减摇鳍升力产生

同时，若另一舷的鳍向反方向偏转，则同理产生一个向下的升力P，在左右两舷鳍升力的作用下将对舰艇形成一个稳定力矩，稳定力矩与鳍面积S，航速V的平方，鳍角α成正比。对某一舰艇的减摇鳍装置而言，当鳍面积S为定值后，在给定航速下，稳定力矩主要随鳍角变化。不论舰艇在何种航向下，只要控制鳍角α，使鳍对舰艇产生稳定力矩最大限度地抵消波浪对舰艇的扰动力矩Mst，即可达到稳定舰艇减小横摇的作用。

二、仿真分析

为建立非收放式减摇鳍执行机构模型，我们先用SolidWorks软件创建其CAD几何体模型，即运用SolidWorks软件分别制作执行机构的各组成部分(油缸、摇臂、鳍轴)模型，然后进行装配，得到非收放式减摇鳍执行机构的CAD几何体模型。最后添加分析类型、材料属性、支撑夹具、载荷等参数，确定分析类型，从而得到所需数学模型[2]。将所建立数学模型通过离散化过程剖分为有限单元，即将几何模型划分成网格，进而建立有限元模型。

目前海警舰艇上多为非收放式减摇鳍，该装置在日常执行任务中易受减摇鳍升力和波浪力等多种载荷的作用，易产生较大变形及损坏，其中摇臂机构较易出现故障[3]。本文结合海警某1500吨级巡逻舰在特定海况下摇臂的受力情况进行结构的优化分析，由于摇臂与鳍轴为过渡配合，在安装维修上易产生动应力。在油缸带动摇臂来回摆动的过程中，摇臂会受到交变载荷作用而受到交变应力的影响。在耳环与摇臂本体之间由于存在着结构突变，所以存在着应力集中[4]。因此，摇臂在特定的海况下工作可能会出现裂纹甚至可能造成断裂的故障，如图3所示。

图3 摇臂断裂图

为了更好的探究摇臂结构可能出现的故障并结合故障进行优化设计，本文分析的流程为：创建算例、应用材料、添加约束、施加载荷、划分网格、运行计算、分析结果。打开摇臂模型，创建命名为摇臂的算例，添加材料为灰铸铁。由于摇臂与鳍轴的连接方式为键连接，因此，应在键槽两侧面添加固定约束，在轴孔处添加固定铰链约束，如图4所示。减摇过程中，摇臂的驱动力来源于两个油缸的拉力和推力[5]。公式2表明，液压缸系统的设计压力P=12.5MPa，缸体内径D=95mm，活塞杆直径d=63mm，则液压缸产生的最大推力（作用在耳环且方向向下)和最大拉力(作用在耳环且方向向上)为：

此时可输出最大扭矩，且使摇臂的受力情况最恶劣。添加载荷完成后，对摇臂模型进行网格划分，选择高品质网格，选择默认网格密度，进行运行计算，得出分析结果。

图4 网格划分—约束—载荷

从应力的分析结果如图5所示。可以看出摇臂的应力分布情况，其中在两个耳环根部截面的突变处所产生的应力较大。由于推力F1大于拉力F2，且耳环根部结构具有非对称性，在周期性拉力和推力的作用下，最大应力出现在F1作用的耳环下方右侧。

图5 灰铸铁Von Mises应力分析图

从安全系数的分析结果如图6所示。可以看出两个耳环根部的截面突变处的安全系数较小，最小安全系数出现在受到推力F1作用的耳环上方的右侧位置与最大应力出现位置不一致，这是因为摇臂耳环在推力F1的作用下，其上部受拉，下部受压，而摇臂的抗拉强度远小于抗压强度，故在上下应力相差不多的情况下，耳环上方安全系数小，易发生断裂。

图6 灰铸铁安全系数分析图

从位移的分析结果如图7所示。可以看出耳环处变形较大，主要由于在受到油缸推力F1和拉力F2的直接作用，且耳环槽内存在结构突变，最大位移出现在右侧耳环槽根部。

图7 灰铸铁位移分析图

图8 Q235 Von Mises应力分析图

图9 Q235安全系数分析图

图10 Q235位移分析图

三、优化及维护

根据上述分析，可提出优化方案如下：改变摇臂材料为Q235A，Q235A为碳素结构钢，其性能参数优于铸铁，经过分析可以得出：Q235A的Von Mises应力值较小，如图8所示；安全系数较大，如图9所示；位移较小，如图10所示；即使用Q235A材料时摇臂结构的故障率相对较低，使用寿命更长；

减摇鳍装置为自动控制设备，以最低的产品故障，获取较长的使用寿命，较满意的使用效果，设备长时间连续工作时，要求做适当巡检，重点注意以下内容：平时多留意设备正常运转时的声音，部分故障会通过声音表现出来，发现声音异常时，应立即停机，检查分析故障原因；观察设备是否有漏油、渗油现象，设备正常使用时，周围及下方应干燥清洁，如发现有积油，应查明原因；观察鳍转动是否正常，多注意观察正常运转时鳍转动速度，如果发现鳍转动速度显著低于正常速度，表明系统中某部位出现故障；对装置的各部位工作状态进行检查，并定时做记录[6]。

四、总结

本文主要对海警某1500吨级巡逻舰的非收放式减摇鳍摇臂进行结构优化分析，通过分析，提出了确切的优化方案及维护注意事项，从而尽可能提升其使用寿命及稳定性，保证航行任务的完成。然而，本文提出的优化方案还有不足之处，如在建立减摇机构模型时，在一些结构的尺寸方面还存在一些误差。但使用SolidWorks Simulation插件对摇臂模型进行有限元分析的方法，为优化方案提供指导性的意见，不失为一种有效而可行的研究方法。

[1]曾晓华，宋飞，唐成，彭利坤.基于SolidWorks的减摇鳍摇臂结构分析与改进[J].舰船科学技术，2014（2）:82-85.

[2]胡仁喜，李志尊.SolidWorks2012从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2012（6）：360-441.

[3]奚昕，薛琳，阎涛.舰艇减摇鳍装置执行机构系列化设计研究[J].机电设备，2015（1）:1-6.

[4]沈余生.减摇鳍机械装置设计相关分析[J].舰艇工程，2009（2）:30-31.

[5]曾晓华，金全，彭利坤，吕帮俊.某船减摇鳍摇臂断裂故障分析[J].中国修船，2013（5）:22-23.

[6]孟克勤.我国减摇鳍装置的发展和一些设计问题[J].机电设备，1995（5）:1-6.

Structure Analysis and Improvement on Rocker Arm of Non-retractable Fin Stabilizer Based on SolidWorks

ZHAO Shupei,SHENG Xing
（China Maritime Police Academy,Ningbo 315801,China）

This paper,based on the practice of coast guard forces of 1500-ton patrol ship in the retractable anti-rolling fin radial fracture failure,carries out the theoretical analysis and simulation study on the radial force,and explors the deep reasons of radial fracture failure.It carries out stress and fatigue analysis to the rocker with SolidWorks Simulation software.According to the simulation results,we carry out optimization design to the rocker,improve radial satisfy the requirement of strength and make the safety factor well-distributed and more reliable in the work.

fin stabilizer;rocker;Solidworks;simulation and optimization

U664.7

：A

：2095-2384（2016）03-0064-04

（责任编辑 储 欢）

2016-07-11

赵树培（1987-），男，云南大理人，公安海警学院机电管理系讲师，研究方向为舰艇电气辅机。