秦 瑯 史霏霏 石 好 李良才 陳武超

(1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108；2.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

0 前言

復合材料軸重量輕，可以降低軸承載荷，并且跨距可以做得更長，減少系統(tǒng)中傳動軸和軸承數(shù)量，從而簡化軸系布置，減少維護成本。另外，復合材料軸具有不易腐蝕，熱膨脹系數(shù)小，疲勞性能好，減振性能好等諸多優(yōu)點，在船舶動力傳動系統(tǒng)的應用中優(yōu)勢明顯[1]。國外自20世紀80年代起，復合材料軸開始應用在船舶上，并逐步經(jīng)歷了從小型中間軸到大型推力軸，從試驗船驗證到實船應用的發(fā)展歷程。例如由Austal制造的大型渡輪Leonora Christina上采用了4套碳纖維傳動軸，功率9 000 kW，轉速1 000 r/min，可承載1 400人和357輛車。

目前國際上一些知名的傳動設備制造商，如CENTA、Geislinger、Emerson、Vulkan等，其復合材料軸產(chǎn)品已廣泛應用，最大額定轉矩可達5 000 kN·m。在國內(nèi)，中國船舶重工集團公司第七一一研究所實現(xiàn)了國產(chǎn)復合材料軸的實船應用，如圖1，并形成了額定轉矩175 kN·m以下復合材料傳動軸標準產(chǎn)品型譜，非標設計的復合材料傳動軸可以達到1 000 kN·m，如圖2。

圖1 復合材料軸系Fig.1 The model of composite shaft body

圖2 1 000 kN·m復合材料軸樣機靜扭試驗Fig.2 1 000 kN·m composite shaft was tested

不同于小功率的復合材料中間軸，大轉矩復合材料推力軸在傳遞大轉矩的同時還需要承受推力，不但跨距更長、直徑更大、壁厚更厚，并且在載荷要求上更高更復雜。因此在大轉矩復合材料推力軸設計時要考慮扭轉、推力、轉速等綜合工況。同時因為復合材料軸是空心軸，長度和直徑之間、長度和壁厚之間的比值都比較大，要考慮復合材料軸的屈曲強度。另外，隨著長度的增加，復合材料軸的軸向剛度減小，臨界轉速也隨之降低，應避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。

本文利用ABAQUS有限元分析軟件對大轉矩復合材料推力軸進行方案設計及建模分析，得到了滿足要求的大轉矩復合材料推力軸方案。

1 設計分析

1.1 設計參數(shù)

根據(jù)需求，復合材料推力軸需要滿足額定轉矩2400kN·m、額定推力2200kN，具體設計參數(shù)如表1所示。

表1 復合材料傳動軸設計參數(shù)Tab.1 The design parameters of the composite shaft

1.2 原材料

船用動力系統(tǒng)中工作環(huán)境較為復雜，復合材料推力軸在工作環(huán)境中會同時承受大推力和大轉矩。針對此型復合材料推力軸，采用了T800級碳纖維作為增強體，改性環(huán)氧樹脂作為基體材料。該復合材料測試的性能數(shù)據(jù)見表2。其玻璃化轉變溫度可以滿足大轉矩復合材料推力軸工作環(huán)境溫度。

表2 復合材料性能數(shù)據(jù)Tab.2 Material parameters of CFRP

2 技術設計及建模

針對大轉矩、大推力、臨界轉速等要求，開展復合材料軸結構設計，包括鋪層結構設計和外形結構設計。在鋪層結構設計時，對軸身進行小角度纖維鋪層設計，對連接處進行插層補強設計；在外形結構設計時，同時考慮軸徑、壁厚的影響，開展綜合設計。

大轉矩復合材料推力軸設計時忽略層間的影響，根據(jù)復合材料經(jīng)典層合理論進行鋪層設計，復合材料單層的一般三維應力-應變關系為：

復合材料單層失效準則采用蔡-胡(Tsai-Wu)失效準則，Tsai-Wu失效準則具體形式如下：

式中：

根據(jù)設計輸入，開展大轉矩復合材料推力軸(以下簡稱復合材料軸)技術設計，設計流程圖如圖3所示。

圖3 大轉矩復合材料推力軸技術設計流程圖Fig.3 Technical design flow chart of the composite thrust shaft with large torque

采用有限元分析軟件ABAQUS和Tsai-Wu失效準則[5]對復合材料軸進行計算校核，有限元模型如圖4所示。在有限元模型中，計算單元采用S4R，模型單元數(shù)為13 370，節(jié)點數(shù)為13 840。

圖4 復合材料軸模型Fig.4 The model of composite shaft

3 強度分析

3.1 最大載荷工況

在2 400 kN·m轉矩、2 200 kN推力和150 r/min轉速同時作用下，復合材料軸的Tsai-Wu失效系數(shù)云圖如圖5所示。在額定轉矩、最大推力和200 r/min離心載荷同時作用狀態(tài)下，復合材料軸Tsai-Wu失效系數(shù)最大值0.236<1，因此結構滿足額定工況強度要求。

圖5 復合材料軸的Twai-Wu失效云圖Fig.5 The nephogram of Tsai-Wu Failure factor

3.2 屈曲強度校核

在1 000 kN的推力作用下，計算得到的一階屈曲模態(tài)值為37.486，如圖6所示，從而得到導致軸發(fā)生扭轉屈曲的推力大小為37 486 kN>2 200 kN，因此結構滿足推力狀態(tài)下屈曲強度要求。

圖6 推力狀態(tài)下一階屈曲模態(tài)Fig.6 The first mode of thrust buckling

在1 000 kN·m的扭矩作用下，計算得到的一階屈曲模態(tài)值為41.960，如圖7所示，從而得到導致軸發(fā)生扭轉屈曲的扭矩大小為41 960 kN·m>2 400 kN·m，因此結構滿足扭轉狀態(tài)下屈曲強度要求。

圖7 扭轉狀態(tài)下一階屈曲模態(tài)Fig.7 The first mode of torsional buckling

4 模態(tài)分析

4.1 邊界條件

復合材料軸在軸向振動時只考慮軸向的位移，因此將沿軸線方向平動之外的橫向自由度進行約束，使復合材料軸只產(chǎn)生沿軸線方向的位移，垂直于軸線方向的自由度則取決于支撐結構剛度。當復合材料軸發(fā)生橫向振動時，需要考慮垂直于軸向的位移，該位移的大小則取決于軸承的支撐剛度。復合材料軸的旋轉自由度只允許軸沿軸線方向轉動，其他方向的轉動予以限制。

4.2 支撐方案

根據(jù)復合材料軸的支撐結構和功能特性，復合材料軸的支撐為兩端依靠軸承進行支撐，在本文計算中采用彈簧單元模擬軸承對軸的支撐作用。復合材料軸的兩端采用參考點耦合斷面來模擬斷面與外接法蘭的連接，通過對參考點建立兩個相互垂直且與軸線垂直的彈簧單元，來模擬復合材料軸受到軸承的支撐作用。彈簧單元剛度取為1×109N/m[3]。

4.3 分析結果

對模型進行固有頻率的計算，計算得到的復合材料軸的前兩階振形計算結果如圖8、圖9所示。

圖8 一階振形(固有頻率：14.595 Hz)Fig.8 The first mode of vibration

圖9 二階振形(固有頻率：39.536 Hz)Fig.9 The second mode of vibration

根據(jù)復合材料軸一階振動模態(tài)及其固有頻率，可以算其一階臨界轉速：

Ncr=60f=875.7 r/min

通過計算結果可以看出，復合材料軸的一階臨界轉速大于許用轉速150 r/min，不會在許用轉速下發(fā)生共振。因此在許用轉速下復合材料軸是安全的。

5 試驗驗證

在此型大轉矩復合材料推力軸設計制造之前，國內(nèi)尚無相應試驗臺位可以同時進行大轉矩和大推力加載的驗證試驗。因此依據(jù)此型復合材料軸設計參數(shù)，自行設計并搭建了國內(nèi)首臺船用大型推扭試驗臺，用以進行試驗驗證。試驗中進行了最大載荷工況驗證和屈曲強度驗證，試驗結果均與ABAQUS仿真結果吻合，證明此型大轉矩復合材料推力軸設計制造成功。

圖10 大轉矩復合材料推力軸試驗照片F(xiàn)ig.10 Photograph of the test of thecomposite thrust shaftwith large torque

6 結論

本文根據(jù)設計輸入，提出大轉矩復合材料推力軸設計方案并進行有限元建模。對大轉矩復合材料推力軸方案額定工況下強度和屈曲強度進行分析，該方案的額定工況下強度、推力下的屈曲強度和扭轉下的屈曲強度均滿足設計要求。對出大轉矩復合材料推力軸工況狀態(tài)的邊界條件和支撐方案進行分析，結果顯示大轉矩復合材料推力軸方案的一階臨界轉速大于設計輸入要求的150 r/min，滿足設計要求。根據(jù)設計結果，自行設計并搭建了國內(nèi)首臺可同時進行大轉矩與大推力加載的船用大型推扭試驗臺位，并進行試驗驗證，試驗結果與ABAQUS仿真結果吻合，大轉矩復合材料推力軸設計制造成功。以上設計、分析、試驗驗證結果顯示，大轉矩復合材料推力軸方案滿足設計要求，方案可行，據(jù)此可為后續(xù)的研制工作提供支撐。

隨著綠色船舶的理念逐步深入人心，船舶動力系統(tǒng)的輕量化要求也隨之逐漸提高。大轉矩復合材料推力軸與金屬軸相比重量輕，可以減少軸系中間支撐的使用，完美契合了船舶動力系統(tǒng)的輕量化需求。本文中大轉矩復合材料推力軸研制經(jīng)驗，為復合材料在船舶動力系統(tǒng)中的應用提供了有力的技術支持，同時也為復合材料在船舶領域的推廣應用夯實了基礎。