научная статья по теме СОВРЕМЕННЫЙ ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРОВКИ ВАЛОПРОВОДОВ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «СОВРЕМЕННЫЙ ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРОВКИ ВАЛОПРОВОДОВ»

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.

Показать целиком