基于ANSYS的滚装船超长轴系扭转振动仿真计算

基于 ANSYS的滚装船超长轴系扭转振动

仿真计算

摘要：针对包含调距桨液压控制装置及抱轴式轴发的滚装船超长轴系扭转

振动计算的问题，通过ANSYS软件对其进行了模态分析和谐响应分析。模态分析

的结果表明在0-300Hz内OD-BOX轴、轴发转子处以及两根中间轴的连接处容易

出现较大的扭转振动变形，所有扭转振动的固有频率均高于其设计频率，在轴频

激励下不会出现共振，同时扭转振动的最大振动应力均小于许用应力，满足设计

的要求。谐响应分析的结果表明在整个轴在160Hz处扭转振动最为剧烈。

关键词：滚装船; 扭转振动; ANSYS; 模态分析; 谐响应

Simulation of shaft torsional vibration of long shaft

on Ro-Ro ship based on ANSYS

Wei Dong-liang，Ge Ji-huan

China Merchants JinLing shipyard (Nanjing) CO.,LTD., Jiangsu

Nanjing 210015

Abstract：For the purpose of the torsional vibration calculation

of long shaft with controllable-pitch propeller hydraulic control

device and shaft generator on Ro-Ro ship, the modal and harmonic response analysis were carried out by ANSYS. The modal analysis

results show that the OD-BOX shaft, the shaft generator rotor and the joint of two intermediate shafts are easy to deform in 0-300Hz. All natural frequencies of the torsional vibration are higher than design frequency. There will be no resonance under shaft frequency excitation. The maximum vibration stress of torsional vibration is less than the

allowable stress, which meets the design requirements. The harmonic response analysis results show that the shaft has the maximum

torsional vibration at 160Hz.

Key words：Ro-Ro ship; Torsional vibration; ANSYS; Modal analysis; Harmonic Response

0引言

扭转振动是船舶轴系的振动形式之一，由于弹性作用，在其旋转的过程中，

各组成部件之间会而产生大小、相位不相同的瞬时旋转速度的差异，从而产生沿

旋转方向的来回扭动。

对于轴系扭转振动的计算，传统采用比较成熟的集中模型和连续质量模型法[1]。随着有限元技术的发展，用有限元法求解轴系扭振已经得到了较为广泛的应用，王超，庞乐等人[2,3]采用了该方法对扭振特性进行分析，证明了其方法可以进

一步提升轴系的固有频率计算的精准度。高清冉[4]使用有限元法对大型原油运输

船的轴系振动特性进行分析，证明了有限元方法对于计算轴系振动特性是有效地。黄晓刚等[5]也采用有限元法计算了轴系扭转振动的固有频率，进一步验证了有限

元法分析轴系扭振的可行性。权崇仁[6,7]基于8530TEU集装箱船，通过对其轴系建

模及自由扭振仿真计算，同时与三井造船、CCS、COMPASS软件的计算结果进行对比，证明了有限元模型和计算的可靠性。刘昌领[8]等人基于ANSYS软件，对一压

缩机曲轴进行了模态分析和谐响应分析，对曲轴的优化提出了一些建议。

由此可见，有限元法可以对轴系的扭振进行计算，本文应用ANSYS软件，对

包含调距桨液压控制装置及抱轴式轴发的滚装船超长轴系扭转振动进行仿真计算，为该项目轴系的设计提供参考。

1某滚装船轴系基本参数

某滚装船船长210米，型宽28米，型深9.5米，两台MAN 9S40ME-B主机分

别驱动一个调距桨，单台主机最大功率10215kW×146rpm。轴系由螺旋桨轴、OD-

BOX（oil distribution box 调距桨的螺距液压控制装置）轴和两段中间轴组成，其中中间轴2上还带有一个抱轴式轴发，如图1。

图 1 轴系布

置图

其中螺旋桨轴和OD-BOX轴为中空轴用于布置液压管路，中间轴1包含一个

中间轴承和一个舱壁密封装置，中间轴2包含一个中间轴承和一个轴发转子。各

段轴之间均采用法兰连接。本文将采用ANSYS软件对OD-BOX轴及两段中间轴进

行模态分析和谐响应分析。

2模型与网格

2.1模型建立

在ANSYS自带的三维建模软件DesignModeler中建立如图2所示的模型。其

中OD-BOX轴轴长4008mm，轴径380mm，内有直径110mm的孔；中间轴1轴长

9100mm，轴径373mm，中间轴承处有700mm长的轴轴径为378mm，轴承实际接触

长度为280mm，为了更准确地加载边界条件，将实际接触的面用Imprint Faces

功能标记，舱壁密封装置处有500mm长的轴轴径为378mm，此处基本不受力；中

间轴2轴长7092mm，轴径373mm，中间轴承处同中间轴1，轴发转子长度345mm，直径695mm。

图 2 轴系模

型

2.3网格划分