基于ANSYS的船用推力轴承壳体优化设计

李全超

（中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

基于ANSYS的船用推力轴承壳体优化设计

李全超

（中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

采用有限元软件ANSYS对船用推力轴承壳体进行了优化设计研究。建立了推力轴承壳体三维模型，根据轴承实际应用工况对其进行约束和载荷施加，获得了壳体应力及变形云图。在保证推力轴承安全的前提下，以减少质量为目标，对壳体结构尺寸进行了优化。对比分析结果表明，优化后壳体尺寸更加合理，大大降低了设备重量。

船舶推力轴承；ANSYS；优化设计

1 引言

推力轴承是船舶推进系统的重要设备，用于传递螺旋桨的推进力，推动船舶前进。随着船舶总体性能的提高，推进系统的推力负载大幅增加，推力轴承的结构尺寸及质量也显著增大，给总体的布置和重量控制带来较大负担。推力轴承主要由壳体、推力轴、推力块、推力平衡机构、支撑轴瓦、支撑环等部件组成，壳体是承受轴系推力和载荷的关键部件，同样也是推力轴承的最重部件。本文应用有限元分析方法，对推力轴承壳体进行强度分析，在保证安全的前提下优化设计轴承壳体结构，控制设备总重量。

2 壳体有限元模型及强度分析

轴承壳体一般为铸件，通过铰制孔螺栓与推力轴承基座联接。本文分析的推力轴承壳体长1000mm，宽1500mm，壳体壁厚为55mm，加强筋厚度为35mm，基座支撑面厚度为100mm。

图1 推力轴承壳体模型

2.1 有限元模型的建立

Pro/E是一套大型三维参数化软件，具有基于特征的参数化实体造型、基于约束的装配造型等先进的三维设计功能。Pro/E提供与ANSYS无缝连接的专用接口，可以实现实体模型在不经过任何修改的情况下导入ANSYS中进行受力分析。本文应用Pro/E软件对推力轴承壳体进行了三维建模，并将其导入ANSYS软件进行分析，提高了轴承壳体建模的效率，建立的推力轴承模型见图1所示。

推力轴承壳体材料选用ZG230-450，查阅机械设计手册可知材料的弹性模量E=211GPa，泊松比v=0.3，密度ρ=7800kg/m3，屈服极限 σ0.2=230MPa。

为简化上下壳体之间连接螺栓，采用布尔运算中的Glue命令连接上下壳体。选用六面体结构单元Solid185对壳体进行自由网格划分，网格划分后有限元模型如图2所示。

图2 推力轴承壳体有限元模型

2.2 约束及载荷施加

推力轴承安装于基座之上，通过铰制孔螺栓与基座联接。根据推力轴承实际受力情况约束下支承面在Z方向的自由度和各螺栓孔在X、Y方向的自由度。

推力轴承运行时，其推力支撑面需承受推力载荷、支撑轴瓦需承受径向载荷。有限元分析时需将推力和载荷转换为轴承壳体所承受面载荷，经过换算，壳体推力面所承受面载荷为2.6MPa，支撑轴承部分承受面载荷为0.45MPa。按实际受力状态在推力面和支撑面上施加面载荷。

2.3 结果求解

推力轴承壳体变形图如图3所示。由图可知，壳体受力后有一定幅度的变形，最大变形量为 0.0807mm，位于支撑轴承位置上部。壳体应力分布图如图4所示，壳体最大应力位于圆柱体与唇边结合处，最大应力为86.5MPa，小于材料屈服极限230MPa，且具有较大富余，可进行结构优化。

图3 推力轴承壳体位移图

图4 推力轴承壳体应力云图

3 壳体结构尺寸优化设计

3.1 壳体厚度优化

壳体壁厚减薄是减轻推力轴承重量的重要措施，但可能引起壳体强度不够。通过减小壳体壁厚，分析厚度变化对壳体强度的影响，分析结果见图5。可以看出，壁厚由55mm减为40mm，壳体的最大应力和最大变形均有所增加，但整体依然满足强度要求。

3.2 轴承宽度优化

减小推力轴承的总宽度，分析宽度变化对壳体强度的影响，分析结果见图6。可以看出，推力轴承宽度由1500mm缩短 至 1350mm，壳体受力最大应力基本保持不变，最大变形有所下降，提高了壳体强度。

图5 壳体厚度对壳体强度影响

图6 轴承宽度对壳体强度影响

图7 加强筋厚度对壳体强度影响

3.3 加强筋厚度的优化

减小推力轴承各加强筋厚度，分析厚度变化对壳体强度的影响，分析结果见图7。可以看出，筋板减薄会引起壳体强度降低，但筋板厚度从35mm减薄到 20mm，壳体依然满足强度要求。

经过以上分析，对推力轴承壳体作如下优化：壳体壁厚从55mm减小为40mm，总宽度从1500mm减小为1350mm，加强筋厚度从35mm减小为20mm。结构尺寸优化后，对推力轴承壳体模型重新进行强度分析，此时壳体结构最大应力为125MPa，壳体最大变形为0.097mm，满足强度要求。在Pro/E下进行三维模型质量属性评估，可知壳体质量从1.94t下降到1.48t，质量减轻了23.7%，优化效果明显。

4 结 论

利用ANSYS软件对推力轴承壳体进行了详细的静力学分析。在满足壳体强度的前提下，结合有限元分析结果对壳体厚度、轴承宽度、加强筋厚度等尺寸进行了优化，取得了较好的优化效果，设备重量减轻了23.7%，对设备的工程应用具有重要的指导意义。

［1］朱树文.船舶动力装置原理与设计［M］.北京：国防工业出版社，1980.

［2］濮良贵，纪名刚.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［3］王庆无，左昉.ANSYS10.0机械设计高级应用实例［M］.北京：机械工业出版社，2006.

（编辑 黄 荻）

Optimization of Marine Thrust Bearing Housing Based on ANSYS

LI Quan-chao
（China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China）

Optimum design of the marine thrust bearing housing has been presented using ANSYS software.A 3D model for bearing housing is set up,and the reasonable restriction and load is defined according to its actual work.Then the strength of the bearing housing is analyzed to obtain the stress and displacement rule of housing.The optimization of the bearing housing has been accomplished on the basis of finite element analyzing with the safety of housing being guaranteed as a premise.The analysis result shows that the optimum design can optimize the bearing housing size and reduce its mass.

marine thrust bearing;ANSYS;optimization

U662.9

A

1002-2333（2013）09-0109-02

李全超（1985-），男，工程师，主要研究方向是船舶工程。

2013-05-30