基于ANSYS的船用螺旋桨模态分析与优化设计
基于ANSYS的舰船模型模态分析
元素仅在其共同的节点处相互连接。通过变分原
{ } 理可以建立各元素的节点位移 δ e(t) 和作用在各
{ } 节点上的外力 Fe(t) 之间的关系：
{ } { } [M
e
]⎨⎧δ..e
⎩
⎫ ⎬ ⎭
+
[Ce
]⎨⎧δ.
⎩
e
⎫ ⎬ ⎭
+
[K
e
]
δ
e
=
Fe
各单元内部的任意部分的位移，近似地表示
为各节点位移的函数，由各单元的运动方程可以
《机电技术》2010 年第 2 期
船舶技术
基于 ANSYS 的舰船模型模态分析
丁志龙 凌华 任荣社 祝峰
（海军蚌埠士官学校机电系，安徽 蚌埠 233012）
摘 要：通过 ANSYS 软件对一舰船模型进行模态分析，得到舰船模型的固有频率、振型，为进一步改进舰船结构 设计提供指导。
关键词：有限元法；船舶振动；模态分析 中图分类号：U674.7┼02 U661.73 文献标识码：A 文章编号：1672-4801（2010）02-160-03
如图 1 所示，本文在 ANSYS 环境下建立大 约 110 个点。
图 1 建有 110 个点的舰船图形
其次，在坐标面里把点用线连起来。
(2) GUI: Main Menu>Preprocessor> — Modeling—Create>Lines—lines>StraightLine.
如图 2，本模型在 ANSYS 环境下的线条图。
参考文献： [1] 张朝辉. ANSYS8.0 结构分析及实例解析[M].北京：机械工业出版社，2005. [2] 傅志方等.模态分析理论与应用[M].上海：上海交通大学出版社，2000. [3] 李晓娟，何韫如.纵骨架式船舶结构垂向振动的三维有限元分析[J].华东船舶工业学院学报， 1995,9(3):1-4. [4] 郭日修，朱云翔.船舶防振减振技术的进展[J].振动与冲击，1993（3）.
利用ANSYS软件进行船舶局部结构分析
四
结
论
1 该模型所得到的结果是基于对压力波在测压通道传递时所作的几个假定的 , 因此会 与测压通道中压力波的传递的实际状况有所偏离 , 从而产生结果上的偏离。 2 测压通道是测试系统中的一个环节, 压力信号在通过测压通道时产生了幅值和相位 的失真, 这是因为压力波的传递是有一定的速度的 , 压力波在通道内会产生反射和叠加。 3 结果反映出导致压力信号失真与测压通道的结构尺寸有关 , 在条件允许的情况下, 测压通道的截面积越小, 通道的长度越短, 则输出信号的一致性就越好。 4 通过该模型 , 利用小扰动波理论 , 可以由传感器端测得的压力信号简单快捷地计算 出缸内压力信号 , 消除压力测量时的通道效应。
二
有限元建模及求解
ANSYS 支持自底向上和自上向下两种建模方式, 本文采用由点到线 , 由线到面的自底 向上的建模方法。对于关键点 ( KeyPoint ) 的输入 , 可以利用 Excel 辅助进行。用 Excel 生成 如表 1 的表格, 好处在于易于编辑 , 并且可利用 Excel 的绘图功能初步察看所定义关键点是 否正确。然后 Copy 到 Ansys 的 command prom pt 中 , 生成关键点 , 并在 ANSYS 中生成线, 再由线生成面, 最终得到有限元图网格图如图 1。
图3
梁的变形和应力
对于 Beam 上, 每一个 剖面上 的各个 节点上 的应力 , 可 能通过 下拉菜 单中的 Section
12 Solut ion 得到。
广
东
造
船
2004 年第 3 期
图 2 中 , 在 6- 16 和 7- 17 中点边线定义路径, 然后将 Sx 、 Sy 、 Sz 和 Seqv. 映射到路径上 ( 如图 4) 。由图 2 可见 : Sx 在板条梁中点和端部较大 , 由于两端固定, 在端部的弯曲应力更 大, 约为中间的 2 倍; Sy 和 Sz 相对较小 , 剪切应力也比较小, 从而 Seqv 和 Sx 很接近 ; 作为板 的上表面, 在端部受压缩, 在中间部分受拉, 所以呈现出如图所示的形状。注意到由于梁有 变形 , 而边界处由于钢固没有变形 , 所以变形和应力并不对称。
船用螺旋桨设计与优化技术研究
船用螺旋桨设计与优化技术研究船用螺旋桨的设计与优化技术是船舶工程领域中的重要研究内容。
船用螺旋桨是推动船舶前进的关键设备，其设计的好坏直接影响到船舶的航行性能和能源消耗。
本文将从螺旋桨设计的基本原理、设计过程以及优化技术等方面进行详细阐述。
一、螺旋桨设计的基本原理船用螺旋桨的基本原理是通过螺旋桨叶片的转动产生的水流与船体相互作用，产生推力将船体推动前进。
根据流体动力学原理，螺旋桨的叶片设计应满足最大化推力、最小化振动和噪声以及最高效能的要求。
螺旋桨一般由叶片、母体以及杆连接组成。
叶片的设计关键包括叶型的选择、叶片的几何参数（如子翼比、展弦比等）、叶片面积分布等。
母体的设计关键包括母体的形状和强度。
杆的设计关键是杆的直径和材料的选择。
二、螺旋桨设计的基本过程螺旋桨的设计过程包括初步设计、中间设计和最终设计三个阶段。
1. 初步设计阶段：根据船舶的工况要求和基本参数，确定螺旋桨的直径、叶片数、种类以及安装位置。
同时，进行一些基本的叶片几何参数的估算，如叶片的展弦比、子翼比、弯曲强度等。
2. 中间设计阶段：根据初步设计结果，通过一系列的流场计算和性能试验来进一步优化螺旋桨的叶片几何参数。
此阶段的重点是确定叶片的几何参数，如叶片的弯曲角、扭曲角以及叶片的厚度分布等。
3. 最终设计阶段：根据中间设计结果，进行最终的螺旋桨设计，包括叶片的细化设计、母体的优化和杆的设计等。
在此阶段，通常需要进行大量的流场计算和模型试验来验证和优化设计结果。
三、螺旋桨设计的优化技术螺旋桨的设计优化是为了在满足船舶工况要求的前提下，进一步提高推力效率和减小振动和噪声。
常用的螺旋桨设计优化技术包括参数化模型优化、流场计算优化、进化算法优化等。
1. 参数化模型优化：通过建立螺旋桨的参数化模型，将螺旋桨的几何参数与推力效率进行关联，然后利用数值方法进行优化计算，寻找使得推力效率最大化的最优参数组合。
2. 流场计算优化：运用计算流体力学（CFD）方法对螺旋桨的水流场进行数值模拟，以评估螺旋桨的性能。
ANSYS模态分析
ANSYS模态分析ANSYS模态分析是一种用于计算和研究结构的振动和模态的仿真方法。
它可以帮助工程师和设计师了解结构在自由振动模态下的响应，从而优化设计和改进结构的性能。
本文将对ANSYS模态分析的原理和应用进行详细介绍。
ANSYS模态分析基于动力学理论和有限元分析。
在模态分析中，结构被建模为一个连续的弹性体，通过求解结构的固有频率和模态形状来研究其振动行为。
固有频率是结构在没有外力作用下自由振动的频率，而模态形状则是结构在每个固有频率下的振动形态。
模态分析可以帮助工程师了解结构在特定频率下的振动行为。
通过分析结构的固有频率，可以评估结构的动态稳定性。
如果结构的固有频率与外部激励频率非常接近，可能会导致共振现象，从而对结构造成破坏。
此外，模态分析还可以帮助识别结构的振动模态，并评估可能的振动问题和改进设计。
1.准备工作：首先，需要创建结构的几何模型，并进行必要的网格划分。
在几何模型上设置适当的约束条件和边界条件。
选择合适的材料属性和材料模型。
然后设置分析类型为模态分析。
2.计算固有频率：在模态分析中，需要计算结构的固有频率。
通过求解结构的特征值问题，可以得到结构的固有频率和模态形状。
通常使用特征值求解器来求解特征值问题。
3.分析结果：一旦得到结构的固有频率和模态形状，可以进行进一步的分析和评估。
在ANSYS中，可以通过模态形状的可视化来观察结构的振动模态。
此外，还可以对模态形状进行分析，如计算应力、变形和应变等。
ANSYS模态分析在许多领域都有广泛的应用。
在航空航天工程中，模态分析可以用于评估飞机结构的稳定性和航空器的振动特性。
在汽车工程中，可以使用模态分析来优化车身结构和减少共振噪音。
在建筑工程中，可以使用模态分析来评估楼房结构的稳定性和地震响应。
总之，ANSYS模态分析是一种重要的结构动力学仿真方法，可以帮助工程师和设计师了解结构的振动特性和改善设计。
通过模态分析，可以预测共振问题、优化结构设计、提高结构的稳定性和性能。
基于ANSYS的船舶轴系校中优化计算
维普资讯
基于 Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｙ 的船舶轴系校中优化计算 王金娥 间轴 ９ ３０ｍ， ． 支承轴承包括前 、 艉管轴承 ， ７ 后 中 间轴承， 推力轴承和 ５ 个主机轴承， 各轴承支承刚
度 ５ ０ ／ 。 ×１９ ｍ Ｎ
文件应该参数化建立模 型， 参数化提取变量并设 定状态变量和目标函数 ；
（） 明优化变量 ， ４声 选择优化工具或优化计 算方法 ， 指定优化循环控制方式 ， 进行优化分析 ； （） ５ 查看设计序列结果和分析结果。 优化设计数据的流 向见 图 ２ Ｎ Ｙ 优化设 。Ａ Ｓ Ｓ 计计算方法有零 阶方法 、 一阶方法 、 随机搜索法 、 等步长搜索法 、 乘子计算法 和最优梯度法。一 阶 方法将真实的有限元结果最 小化 ， 而不是对其进 行逼近数值操作 ， 计算精度高 ， 因此这里采用一阶
主要 约束 条件 有
Ｒｆｉ ≤ Ｒ ≤ Ｒ ａ ｘ
ｉ ≤ ≤
化计算方法， 讨论 了船舶轴系合理校 中的最优化 设计 。
随着计算机技术 和有 限元理论的发展及广 泛应
用， 出现 了很多通 用有限元 计算软 件， Ａ ＳＳ 如 ＮＹ 、 艇℃，Ａ＇ Ａ Ｎ ＳＲ Ｎ等， Ｉ 为工程设计和计算提供 了支持。
支反力 、 最大支反力 ； ｆ Ｐ 、 Ｐ ｆ ～ 分别为轴 承 ｉ 的最小 比压 、 比压 、 最大 比压 ； 、一 分别为尾管 ０ 后轴承支点处的转角 、 最大允许转角。
１ 轴 系校 中优化 计算模 型
１ １ 目标 函数 ．
２ 轴 系校 中有 限元模型
以一大型船舶的推进轴 系为研究对象 ， 系 轴
了详细 的建摸过程 和优化计算 步骤 ， 通过 工程 实例 验证 了该 方法 的适用 性 ， 并 对工 程设计 具 有一 定 的指 导
ANSYS环境中的船舶推进轴系冲击动力学仿真计算
ANSYS环境中的船舶推进轴系冲击动力学仿真计算许庆新1沈荣瀛1臧述升2(1. 上海交通大学振动冲击噪声国家重点实验室，上海，200030，2.上海交通大学动力机械与工程实验室，上海，200030)摘要:本文提出了一种基于ANSYS环境的船舶推进轴系冲击动力学计算的方法。
首先采用有限元方法，把连续轴系离散成由二维梁单元构成的离散质量系统，轴承座处理成弹性约束的边界条件，螺旋桨简化为集中质量，求得轴系弯曲振动的固有频率和固有振型。
然后在垂向加速度冲击输入条件下，求解轴系任意点处的位移响应，以及轴承支承处的冲击应力。
通过一个工程计算实例，说明该方法的适用性。
关键词：推进轴系、冲击响应、仿真计算Simulation of Shock Dynamics of Ship Propulsive Shafting UsingANSYSXU Qingxin1 SHEN Rongying1 ZANG Shusheng2(1.Shanghai Jiaotong University State Key Laboratory of Vibration Shock Noise, Shanghai,200030 2.Shanghai Jiaotong University Power Mechanical Engineering Laboratory,Shanghai, 200030)Abstract : This paper discusses the method of simulation of shock dynamics of ship propulsive shafting by use of ANSYS. According to Finite Element Method, continuous shafting is considered as a discrete mass system in terms of 2D beam element, bearing block is considered as elastic constraint condition, and the propeller is simplified lumped mass, so the natural frequency and natural mode of flexural vibration of shafting can be calculated. Then, shock response of propulsive shafting and shock stress of bearing block under vertical acceleration shock can be computed. Finally, the practical engineering calculation example illustrates the availability of the proposed method.Keywords : propulsive shafting, shock response, simulation computing1 前言：船舶推进轴系是船舶动力系统的一个重要组成部分，它包括从主机输出端推力轴承直到螺旋桨之间的传动轴及轴上附件。
船舶与海洋工程ANSYS有限元分析——建模过程中设备的模拟及重心的调整
8. 施加质量单元、调密度
8.2 施加质量单元
• 船上设备我们一般采用MASS21单元模拟，该质量单元是具有6 个自由度的点单元。
• 模拟设备的方式：MASS21单元 + 刚性梁
• 有必要说，刚性梁即属性设置中，刚度极大，密度极小的梁单 元（虚构件），从而保证了添加刚性梁不增加船体质量而又能 够使设备重量重心与实船上的布置一致！
8. 施加质量单元、调密度
8. 施加质量单元、调密度
8.3 调密度
8. 施加质量单元、调密度
8.3 调密度
假定实船重量为M，重心位置为（X，0，Z）;模型重量为m， 重心位置为（x，0，z）。 ① 调整垂向坐标
调整垂向坐标，即z坐标，把整船分为上中下三部分，如上图 所示。
8. 施加质量单元、调密度
8. 施加质量单元、调密度
8.3 调密度
③ 全船均匀分配质量
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
由于之前在垂向和纵向质量分布比较均匀，此处可以采取如下处 理方式，得到结果：
8. 施加质量单元、调密度
8.3 调密度
④ 调整横向坐标
8. 施加质量单元、调密度
8.3 调密度
④ 调整横向坐标 将上部分分为6部分，如下图所示。各个部分分得的质量如下表 所示。
左
中
右
8. 施加质量单元、调密度
8.3 调密度
④ 调整横向坐标
8.3 调密度
8. 施加质量单元、调密度
8.3 调密度
8. 施加质量单元、调密度
8.3 调密度
② 调整纵向坐标
8. 施加质量单元、调密度
8.3 调密度
② 调整纵向坐标
8. 施加质量单元、调密度
8.3 调密度
基于ANSYS的船体结构模态分析
基于ANSYS的船体结构模态分析吴渡平;展龙【摘要】在营运过程中,船体本身具有一个固有频率。
如果能准确知道它的固有频率,将对船舶设计有很大帮助。
本文采用目前流行的有限元分析软件,计算分析某船体吊机舱的固有频率,分析结果对设备选型与布置安装有一定的指导意义。
%During the course of the operation, the ship hull itselt has a natural trequency. 1t we can exactly know the natural frequency, it will be of great help to ship design. This paper adopt the finite？ element？ analysis？software which is popular at present to calculate and analysis the natural frequency of the ship hull, The results of analysis have a guiding value to the selection and the layout of the equipment.【期刊名称】《九江职业技术学院学报》【年(卷),期】2012(000)002【总页数】3页(P31-32,39)【关键词】固有频率;有限元分析;船舶设计;网格;模态【作者】吴渡平;展龙【作者单位】九江职业技术学院,江西九江332007;九江职业技术学院,江西九江332007【正文语种】中文【中图分类】TH122;U661.42船舶是集船体机电设备于一体的水上工程建筑物。
船舶本身的运行以及机电设备的运转都具有一定的固有频率。
如果设备的运转频率达到或接近船体的固有频率,会对船体的运行尤其是结构强度产生不利的影响,减少船舶的寿命。
利用有限元分析软件ANSYS可以计算分析结构频率的功能来计算某趸船吊机舱的固有频率。
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基于ANSYS的船用螺旋桨模态分析与优化设计
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。
标签：ANSYS有限元分析；螺旋桨模态分析；优化设计
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。