船舶推进器SGJ20型明轮装置的结构优化设计

钟卫华，王 勇，倪福生，李洪彬

(1.江苏省水利机械制造有限公司，江苏 扬州 225001)(2.河海大学疏浚技术教育部工程研究中心，江苏 常州 213022)

螺旋桨的出现，大大促进了船舶推进器的发展，使得大部分明轮被替代，但是对于吃水浅的内河船舶而言，明轮推进仍然是最好的推进方式[1]。传统的明轮设计多采用经验设计[2]，造成了明轮装置较笨重，没有在现有明轮结构上做详细的质量方面的结构优化。在整体尺寸(如明轮直径、划水板长度和宽度)不变的情况下，即明轮提供的推力不变，明轮质量较小的，会具有较快的航行速度。因此，除了运用MATLAB软件对明轮进行整体尺寸优化[2-3]配置，提高明轮效率外，在现有明轮基础上，保证明轮推动力的情况下，优化明轮的质量也是非常有意义的。随着CAD和CAE技术的提高，能准确地计算出明轮结构的质量和应力状态，为优化明轮结构提供了可靠的手段。本文运用SolidWorks软件中的Simulation模块对明轮结构进行了质量优化，取得了较好的效果。

1 SGJ20型明轮装置介绍

SGJ20 型明轮装置由端板、划水板、轮辐、联接板等组成，如图1所示，直径1.5m，宽度0.72m，端板、划水板钢板厚度为5mm，轮辐采用50mm×50mm×4mm的方管，联接板钢板厚度为16mm。材料均为Q235，质量约164kg。明轮功率10kW，转速50r/min。

1—联接板；2—轮辐；3—划水板；4—端板；5—连接螺孔(8个)

2 现有明轮结构应力计算

1)明轮扭矩、推力的计算。

(1)

式中：T为明轮扭矩，N·m；P为明轮功率，kW；n为明轮转速，r/min。

将P=10kW、n=50r/min代入式(1)。

(2)

明轮在水中运行时，受力为交变载荷[2]，是水下几个划水板共同产生的扭矩，但进行应力强度分析时，要分析最危险的情况，可以将扭矩的产生考虑为是由一个划水板单独作用的结果，如果该强度达到要求，几个划水板共同提供扭矩的情况就安全。那么，明轮划水板上的推力F为：

(3)

式中：R为明轮驱动轴中心至蹼板中心的距离，m。

2)三维建模。

利用SolidWorks软件强大的建模能力，建立明轮结构的三维模型，材料为Q235，屈服强度为220MPa，整个明轮装置质量为164kg，如图2所示。

图2 SQC35明轮三维模型

3)约束条件及推力加载。

图1中的8个连接螺孔是将明轮与液压马达连接盘连接的螺栓孔，液压马达依靠这8个螺栓孔带动明轮转动，所以在分析应力时，将8个连接螺孔设置为固定几何体。推力加载在一个划水板的横截面积上。

4)应力分析。

图3是明轮模型施加约束及载荷图，图4是分析后的明轮模型应力分析图，图5为应力分析局部放大图，可发现，最大应力为150MPa，发生在轮辐上，距离联接板约50mm。受力划水板附近其他位置的探测如图6所示，具体的应力值见表1。

图3 明轮模型施加约束及载荷图

图4 明轮模型应力分析图

图5 应力分析局部放大图

序号位置节点号应力值/MPa1端板与划水板连接处8612102划水板23314253联接板15014204轮辐与联接板接触部分1661020

3 优化设计

现有明轮最大应力为150MPa，基本达到了材料的许用应力上限，发生在轮辐上，所以可推断，轮辐使用50mm×50mm×4mm的管材是合理的。但由图6和表1可知，端板、划水板和联接板上的应力都很小，有优化的空间，可将对应的钢板厚度减小。考虑到明轮装置长年在水中工作，腐蚀很严重，钢板也不能太薄。同时还发现，轮辐与联接板接触的长度为156.5mm，应力探测值也非常小，可适当减小接触长度。较理想的优化结果见表2。

表2 优化结果列表

优化后的三维模型如图7所示，模型优化后的应力分析结果如图8所示。

图7 优化后的三维模型

图8 优化后模型应力分布图

由图8可知，优化后最大应力为159MPa，依旧发生在轮辐距离联接板50mm的地方，在材料的许用应力范围内，较原模型的最大应力增加6%，而质量减小了40kg，较原模型的质量减小了24.3%，质量减小的效果很明显，节省了原材料。

4 结束语

运用MATLAB优化明轮效率的文献较多，其一般只是得出效率较高明轮的直径、宽度等整体尺寸，却忽略了根据整体尺寸选用相应的板材、拼接结构等也是明轮优化的重要组成部分。CAE技术的发展为明轮结构优化提供了很好的手段，需要进行多次结构的优化才能得出较合理、较经济的明轮结构，本文在最大应力增加6%的情况下，质量减小了24.3%，效果较明显。

[1] 张泽盛.超浅吃水多工况船舶推进方式探讨[J].船舶工程，1999(1)：8-10.

[2] 韩青松，尚世友，王志国，等.基于Pro/E的水草收割机明轮装置建模与仿真[J].农机化研究,2006(6)：95-97.

[3] 陈金稳，张丽珍，柏春祥.SCSGJ-2.6型小型水草收割机明轮的优化设计[J].安徽农业科学,2008,36(8)：3467-3469.