СОВРЕМЕННЫЙ ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРОВКИ ВАЛОПРОВОДОВ
К. Н. Морозов (ОАО «ЦТСС», e-mail: inbox@sstc.spb.ru) Д. В. Усманов (ООО «Ритм-софт») удк 629.5.024
Высококачественная центровка главных механизмов судовых энергетических установок и вало-проводов обеспечивает длительную безотказную работу движительного комплекса, а быстрый и качественный монтаж механизмов и валопро-водов на судне снижает общую трудоемкость строительства.
Расчет технологических параметров центровки — неотъемлемая часть документации, разрабатываемой при строительстве судна. Определенные в ходе расчета значения нагрузок на подшипники напряжения в валах и параметры упругой линии напрямую влияют на надежность движительного комплекса в период эксплуатации судна. Для проведения таких расчетов разработаны специализированные программы,
которые используются в ряде классификационных обществ, а также в организациях, занимающихся проектированием и изготовлением движи-тельных комплексов.
Вместе с тем применяемые в настоящее время методики расчета технологических параметров центровки (в том числе и заложенные в специализированные программы) часто базируются на рекомендациях специализированных стандартов [1—3] и в некоторых случаях не соответствуют современным требованиям по точности и качеству получаемых результатов.
Для расчетов технологических параметров центровки судовых ва-лопроводов ОАО «ЦТСС» разработан специализированный программный комплекс «Валопровод»,
имеющий собственный интерфейс ввода—вывода данных и отображения трехмерной модели валопро-вода (рис. 1). В качестве расчетного модуля использован комплекс общеинженерного конечно-элементного анализа ANSYS, имеющий широкие возможности по прочностному анализу конструкций. При наличии исчерпывающих исходных данных о нагрузках и геометрических параметрах элементов вало-провода в программе можно рассчитать валопровод практически любой сложности.
Расчет технологических параметров центровки валопровода начинается с составления расчетной схемы (по чертежам валопровода), которая учитывает: геометрические параметры элементов валопровода; свойства материала валов, гребного винта и антифрикционных вкладышей подшипников; внешние нагрузки и моменты, действующие на вало-провод; положение подшипников относительно теоретической оси ва-лопровода; параметры подшипников валопровода; погружение части валопровода в воду.
В программу расчетная схема вводится элементами с постоянны-
Рис. 1. Интерфейс программного комплекса «Валопровод»
ОРГАНИЗАЦИЯ VI ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ
СУДОСТРОЕНИЕ 3'2013
Рис. 2. График упругой линии валопровода и эпюра максимальных эквивалентных напряжений в валах
ми геометрическими свойствами и нагрузками. Свойства материалов элементов валопровода и окружающей среды вводятся из встроенной библиотеки материалов.
После формирования расчетной модели валопровода программа формирует файл базы данных ANSYS и запускает программу ANSYS в пакетном режиме.Время проведения одного расчета составляет 1—10 мин в зависимости от сложности расчетной схемы. После расчета программа формирует файлы результатов в отдельной папке проекта. Программа позволяет
работать с одним проектом при различных состояниях, например: при нахождении судна на стапеле и на воде, при движении порожнем и в грузу и т. д. Различные состояния (представления) создаются в дереве проекта, результаты расчетов всех представлений можно выводить совместно.
Результаты расчетов, отображаемые в виде графиков и эпюр, а также трехмерных изображений распределения контактных давлений во вкладышах протяженных подшипников гребного вала (рис.2, 3), позволяют оценить:
У напряжения в валах (нормальные, касательные, эквивалентные);
У параметры упругой линии валопровода (прогиб, угол поворота сечений);
/ распределение давления по поверхности контакта вала и вкладыша протяженного подшипника.
После анализа результатов расчета проводится оптимизация параметров центровки. Целями оптимизации являются:
— обеспечение требований поставщиков подшипников, редукторов и главных двигателей в части центровки и монтажа этих агрегатов;
Рис. 3. Распределение контактных давлений во вкладышах протяженных подшипников
— получение оптимальных напряжений в валах;
— получение равномерного распределения контактных давлений во вкладышах подшипников гребного вала.
Оптимизация осуществляется путем изменения положения опор валопровода.
В программе реализована возможность автоматической оптимизации контактных давлений во вкладышах протяженных подшипников гребного вала. При запуске режима оптимизации выполняется автоматический разворот протяженных подшипников в соответствии с естественным изгибом валопровода.
Для расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) используется метод конечных элементов в реализации пакета конечно-элементного анализа ANSYS [4—8].
В общем случае расчетная модель представляет собой совокупность балочных, твердотельных и контактных конечных элементов. Характеристики поперечных сечений валопровода, представленных балочными элементами, определяются также методом конечных элементов, при дискретизации сечения на двумерные конечные элементы на осно-
Рис. 4. Модель валопровода, имеющего три протяженные опоры
(втулка подшипника кронштейна, кормовая и носовая втулки дейдвудного устройства) и шесть промежуточных опор (пять опорных и один упорно-опорный подшипник)
ве геометрии сечения и свойств материалов, составляющих его слоев.
Поиск равновесного состояния валопровода выполняется с учетом геометрической нелинейности (обусловленной значительными перемещениями и поворотами сечений) и нелинейности, связанной с контактом. Для равновесного состояния определяются реакции в опорах и внутренние силовые факторы в материале валопровода, напряжения в контакте вал—втулка протяженного подшипника.
Рассчитываются как истинные на-
чения нормальных напряжений от изгибающих моментов и максимальные значения касательных напряжений от перерезывающих сил).
Использование для расчета параметров напряженно-деформированного состояния валопровода метода конечных элементов в трехмерной реализации с учетом контакта в протяженных подшипниках позволяет повысить точность расчетов валопровода в условиях эксплуатации (действие гидродинамических сил и моментов со стороны гребного винта, деформации корпуса, износ подшипников и т. д.).
Согласно [1—3] при расчете НДС валопровода в условиях максимального износа подшипников и в случае необходимости учета деформаций корпуса судна используются коэффициенты влияния, определяемые по формуле
к.. = АР..,
i,I I,I '
(1)
пряжения, так и условные, принятые в балочной теории (максимальные зна-
где — коэффициент влияния на ¡-ю опору перемещения /-й опоры, Н (или Н/мм); АР. — изменение силы реакции ¡-й опоры при перемещении /-й опоры.
Рис. 5. Сравнение результатов расчета НДС валопровода (вертикальные смещения сечений валопровода и перерезывающая сила в вертикальной плоскости) в вертикальной плоскости, выполненного в двумерной (РС-4) и в трехмерной постановке (РС-6)
ОРГАНИЗАЦИЯ и технология СУДОСТРОЕНИЯ
СУДОСТРОЕНИЕ 3'2013
5.66 |_^0,73 0 09
I ■; ■ 1-! ......Г II. ¡'N[11 1 I 1 И Ч I 1 И' I I |:п ТП
6.С00е+1 5.000е+1 Ч.ОООаМ 3.0006+1 2.0006+1 1.000е+1 0.000е+0
-1.0005+^ 00 10 00 20.00 30.00 40.00 60.00 60.00
Рис. 6. Сравнение результатов расчета НДС валопровода (горизонтальное смещения сечений валопровода и перерезывающая сила в горизонтальной плоскости) в горизонтальной плоскости, выполненного в двумерной (РС-5) и в трехмерной постановке (РС-6)
Весь набор коэффициентов влияния определяется путем последовательного смещения каждой из опор относительно соосного положения на 1 мм [1] при нахождении остальных опор в соосном положении. Такой подход применим для расчета НДС валопровода при относительно небольших смещениях опор и при пренебрежении нелинейностью, связанной с контактом в протяженных опорах.
В качестве примера недостаточной точности указанного подхода сравним результаты расчетов коэффициентов влияния, выполненных с его использованием, а также с использованием программного комплекса «Валопровод» для валопровода, имеющего три протяженные и шесть промежуточных опор (рис. 4). Опоры пронумерованы от втулки кронштейна (№ 1) до упорно-опорного подшипника (№ 9).
Результаты расчетов коэффициентов влияния при смещении 3-й, 4-й и 7-й опор на 1, 2, и 3 мм, а также отличие коэффициентов влияния, рассчитанных при смещении опор на 2 и 3 мм, от рассчитанных при смещении на 1 мм, приведены в таблице.
Как видно из таблицы, если смещаемые опоры находятся «на удалении» от протяженных опор, вносящих нелинейность, то результаты
Величина смещения Величина коэффици ента влияния перемещения опор к^, кН/мм
к1,2 к1,3 к,,4 к,7 к|,8 к|,9
Смещение опоры № 3 на 1 мм 3811,4 -13951,0 23136,0 -15609,0 3197,0 -738,0 195,1 -56,4 14,4
Смещение опоры № 3 на 2 мм 4429,2 -14284,0 22702,0 -15444,0 3177,4 -733,5 193,9 -56,1 14,3
Относительная разница коэффициентов влияния, % 15,0 2,35 1,90 1,10 0,60 0,60 0,60 0,60 0,60
Смещение опоры № 3 на 3 мм 4759,1 -14340,0 22324,0 -15329,0 3163,9 -730,4 193,1 -55,8 14,2
Относительная разница коэффициентов влияния, % 22,10 2,75 3,60 1,80 1,05 1,05 1,05 1,05 1,05
Смещение опоры № 4 на 1 мм -940,7 5258,2 -15201,0 15037,0 -5662,6 1903,6 -503,25 145,5 -37,1
Смещение опоры № 4 на 2 мм -967,9 5577,3 -14432,0 13841,0 -5497,4 1865,5 -493,2 142,6 -36,3
Относительная разница коэффициентов влияния, % 2,85 5,90 5,20 8,30 3,00 2,00 2,00 2,00 2,00
Смещение опоры № 4 на 3 мм -972,8 5712,3 -13921,0 13115,0 -5394,0 1841,6 -486,9 140,7 -35,9
Относительная разница коэффициентов влияния, % 3,35 8,30 8,80 13,65 4,90 3,30 3,30 3,30 3,30
Смещение опоры № 7 на 1 мм 6,907 -38,0 195,6 -509,4 145,6 -330,8 439,9 -533,2 134,9
Смещение опоры № 7 на 2 мм 6,904 38,0 195,6 -509,4 145,6 -330,8 439,9 -533,2 134,9
Относительная разница коэффициентов влияния, % 0,05 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Смещение опоры № 7 на 3 мм 6,893 -37,966 195,54 -509,3 145,6 -330,8 439
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.