基于ANSYS的船用螺旋桨模态分析与优化设计

杜鹏 陈代明 马君亭

摘 要：利用UG软件对船用螺旋桨模型进行处理，并用ANSYS有限元仿真软件分析其模态振型，首先分析无支撑情况下螺旋桨单叶片的模态振型，提取振幅最大模态。设计支撑方案，确定支撑位置并进行约束模态分析，结果显示螺旋桨单叶片频率有所提高，增加了加工刚度，最后确定优化的支撑方案，显著提高了螺旋桨的刚度，减小各阶模态的振动位移，对实际加工具有重要意义。

关键词：ANSYS有限元分析；螺旋桨模态分析；优化设计

中图分类号：U673.38 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）24-0021-04

Abstract： The model of marine propeller is processed by UG software， and its modal mode is analyzed by ANSYS finite element simulation software. Firstly， the modal mode of single blade of propeller without support is analyzed， and the maximum amplitude mode is extracted. The results show that the frequency of single blade of propeller is increased and the machining stiffness is increased. Finally， the optimized bracing scheme is determined， and the stiffness of propeller is improved significantly. It is of great significance to reduce the vibration displacement of each mode for machining.

Keywords： ANSYS finite element analysis； propeller modal analysis； optimal design

螺旋槳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。本文主要利用有限元分析软件ANSYS对一种型号的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。

1 模型处理

利用三维建模软件UG对现有的螺旋桨设计模型进行简单处理，避免在后续有限元分析时遇到的一些问题。如图1所示为螺旋桨的设计模型，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，对模型整体模态的影响可以忽略不计，处理如图2所示。另外，根据螺旋桨的结构特点，靠近桨毂部分结构较复杂，靠近叶梢部分结构简单，所以为了在后续的单元划分时保证较高精度的同时又花费较少时间，在模型处理时将螺旋桨分割为两部分实体，一部分是包含桨毂，另一部分包含叶片。最后将处理完成的模型导出x_t格式文件，以便ANSYS软件导入。

2 船用螺旋桨有限元分析

2.1 网格划分与载荷分析

根据查阅文献，大型船用螺旋桨材料为铜3（Cu3），主要成分为3级镍铝青铜，弹性模量为1.177e11Pa，泊松比为0.34，密度为7800kg/m3。由于螺旋桨曲面结构复杂，一般的六面体单元不能满足要求，所以此次分析单元类型选为solid187单元，即具有高阶3维10节点的四面体单元，每个节点具有XYZ三个方向的平移自由度，划分网格时采用自由划分网格方式。单个叶片网格划分结果为122611个节点，82129个单元，网格生成如图3所示。

在求解模块，需要设置约束条件和载荷，根据实际螺旋桨的加工装夹情况，选取螺旋桨下端面施加6个自由度约束。在自由模态分析阶段，载荷只考虑由自重产生的预紧力。

即为无阻尼自由振动的特征方程，由此式即可得到结构的各阶固有频率。

ANSYS中的模态分析包含多种求解模块，其中BOLCK LANCZOS方法是目前求解大型特征值问题最有效的方法，具有较高的求解精度和计算速度，所以本文选择此种求解方法。在进行模态仿真时发现每五个模态频率值相近，考虑是由于多个叶片造成的影响，故而把仿真模型改为桨毂加单个叶片。

在进行无支撑仿真时，只考虑由重力引起的预紧力，模态仿真结果如表1所示，提取前15阶中位移最大的两阶模态振型如图4所示，从结果也可以看出，叶梢部分变形最大。

3 优化设计

3.1 辅助支撑设计

本文研究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，所以实际加工中常常采用支撑的方式减小振动和变形。如图5所示为实际加工中螺旋桨叶片的支撑方式，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。

本文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。华中科技大学宫秀梅研究了支撑位置的优化算法，本文参考了此种算法。

3.2 支撑位置优化

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6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。

在施加约束时，为了逼近实际约束情况，选取直径相同圆内的节点施加Z向位移约束，频率求解结果如表2所示。从模态频率结果可以看出，有支撑的叶片固有频率显著提高，即整体刚度提高，但是从图7中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，仿真结果如图8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。

4 结束语

本文通过对大型船用螺旋桨有支撑和无支撑的模态振型分析，对螺旋桨单叶片的支撑方案进行了优化设计，提高了船用螺旋桨加工时的刚度，进而减小加工振动。同时，本文给出的在多种支撑方案下的模态频率，对实际加工也具有一定的参考价值，在选择主轴加工转速时，应避免选择模态频率对应的转速，防止共振的发生。

参考文献：

[1]宫秀梅.大型船用螺旋桨加工机床模态分析及螺旋桨叶片加工优化[D].华中科技大学，2013.

[2]闵加丰，朱海清.基于ANSYS Workbench有螺栓预紧力的冲压法兰的有限元模态分析[J].锻压装备与制造技术，2012（1）：69-71.

[3]Talaslidis D G， Manolis G D， Paraskevopoulos E， et al. Risk analysis of industrial structures under extreme transient loads[J]. Soil Dynamics & Earthquake Engineering， 2004，24（6）：435-448.

[4]张向宇，熊计，郝锌，等.基于Ansys的立柱有限元分析与结构优化设计[J].机械科学与技术，2008（12）：1602-1605.

[5]孙常峰.基于ANSYS Workbench的精冲模有限元分析与优化[D].华中科技大学，2007.

[6]周鹏，胡欲立，张小军.基于ANSYS的压气机盘模态分析[J].机械设计与制造，2005（6）：61-62.

[7]Cao Z L， Ding Y， Hu Q M， et al. Modal Analysis of the Gantry Milling and Boring Machine Tool Beam Based on FEM[J]. Applied Mechanics & Materials， 2012，151：424-428.

[8]Kim J， Yoon J C， Kang B S. Finite element analysis and modeling of structure with bolted joints[J]. Applied Mathematical Modelling， 2007，31（5）：895-911.

[9]孔瑞蓮，王延荣.某型螺旋桨桨叶振动特性计算分析[J].航空动力学报，1991（4）：342-344.

[10]李国栋.基于ANSYS的自动扶梯桁架结构优化设计[D].江苏大学，2017.