Оценка весовой эффективности гребного вала из полимерного композиционного материала в сравнении с гребным валом из стали

АННОТАЦИЯ

Гребной вал (ГВ) – это конечная часть валопровода речного или морского судна, на котором устанавливается гребной винт. Он может иметь диаметр до 1000 миллиметров, иметь длину более 20 метров и массу более 60 тонн, так как материал изготовления ГВ - коррозионностойкие стали типа НН3Б имеющие высокую плотность порядка 7800кг\м³. В связи с этим, актуальной задачей является выраженное снижение массы ГВ (при сохранении им всех прочностных, упругих и частотных характеристик) – т.е. повышение весовой эффективности ГВ. Применение компьютерных технологий проектирования MSC [1] и замещение сталей на композиционные материалы позволяет рассматривать возможность повышения весовой эффективности любой конструкции, в том числе и гребного вала.

ABSTRACT

The propeller shaft (GV) is the final part of the shaft line of a river or sea vessel on which the propeller is installed. It can have a diameter of up to 1000 millimeters, have a length of more than 20 meters and a mass of more than 60 tons, since the material of manufacture of GW is corrosion-resistant steel of the HN3B type with a high density of about 7800kg / m3. In this regard, the acute task is a pronounced reduction in the mass of the GW (while maintaining all its strength, elastic and frequency characteristics) –an increase in the weight efficiency of the GW. The use of computer-aided MSC design technologies and the substitution of steels for composite materials allows us to consider the possibility of increasing the weight efficiency of any design, including the propeller shaft.

Ключевые слова: гребной вал, весовая эффективность, композиционный материал, Nastran.

Keywords: propeller shaft, weight efficiency, composite material, Nastran.

Оценка возможности увеличения весовой эффективности конструкции ГВ проводилась на примере вала, который производится в настоящее время из стали ННЗБ и устанавливается на морское судно (рис.1). Рассматриваются две задачи. Первая задача - рассмотрение несущей способности ГВ из коррозионностойкой стали НН3Б. Вторая задача – рассмотрение несущей способности ГВ из композиционного материала (КМ) на основе волокон UMT45S. Далее проводится сравнительный анализ полученных результатов, по результатам которого можно сделать вывод об изменении весовой эффективности ГВ выполненного из КМ в сравнении со стальным ГВ.

Рисунок 1. Гребной вал с гребным винтом морского судна

Для определения несущей способности ГВ использовался метод  конечных элементов в среде MSC/Nastran. [1-2].

Для моделирования всех элементов ГВ выбран трехмерный элемент CHEXA (рис.2).  

Рисунок 2. Конечно-элементная (FE) модель ГВ

Для решения задачи №1 использовались физико-механические характеристики стали НН3Б указанные в таблице 1. Для решения задачи №2 использовались физико-механические характеристики композиционного материала (КМ) на основе волокна UMT45S указанные в таблице 2.

Таблица 1.

Физико-механические характеристики стали НН3Б

Таблица 2

Физико-механические характеристики км на основе волокна UMT45S

FE модель ГВ нагружается одним типом нагрузки – узловой нагрузкой.

Узловая нагрузка вызвана воздействием от крутящего момента М_кр=55000Нм, сжимающей силы F_cж=230кН и веса винта P_в=20кН. Нагрузки действуют одновременно. Способ приложения нагрузок указаны на рис.3.

Рисунок 3. Схема нагружения FE-модели ГВ

Способ крепления ГВ задается в четырех независимых узлах его FE модели в виде ограничений степеней свободы указанных на рис.4.

Рисунок 4. Способ крепления ГВ

Проведен линейный статический анализ конструкции ГВ из материала сталь НН3Б. Деформированное состояние ГВ представлено на рис.5.

Рисунок 5. Деформированное состояние и распределение суммарных перемещений (мм) по элементам стального ГВ

Распределение напряжений Мизеса представлено на рис.6.

Рисунок 6. Деформированное состояние и распределение напряжений Мизеса (МПа) по элементам стального ГВ

Распределение напряжений Мизеса в регулярной зоне ГВ представлено на рис.7.

Рисунок 7. Распределение напряжений Мизеса (МПа) в регулярной зоне ГВ

Далее проведен линейный статический анализ конструкции ГВ из КМ на основе волокна UMT45S. Деформированное состояние ГВ представлено на рис.8.

Рисунок 8. Деформированное состояние и распределение суммарных перемещений (мм) по элементам ГВ из КМ

Распределение напряжений Мизеса ГВ из КМ представлено на рис.9

Рисунок 9. Деформированное состояние и распределение напряжений Мизеса (МПа) по элементам ГВ из КМ 

Распределение напряжений Мизеса в регулярной зоне ГВ из КМ представлено на рис.10.

Рисунок 10. Распределение напряжений Мизеса (МПа) в регулярной зоне ГВ из КМ

Для несущей способности ГВ большое значение имеют частоты собственных колебаний вала и их формы. [3] Особое значение имеют крутильные формы колебаний, т.к. их частота не должна совпадать с частотой вращения гребного вала. В связи с этим проведен модальный анализ стального ГВ и ГВ из КМ. Дальнейший анализ полученных результатов модального анализа позволяет сделать вывод о том, что нет практически значимой разницы в уровнях частот и их форм между стальным ГВ и ГВ из КМ. На рис.11. представлены первые 10-ть собственных частот стального ГВ. На рис.12. представлены первые 10-ть собственных частот ГВ из КМ.

Рисунок 11. Собственные частоты колебаний стального ГВ (Гц) 

Рисунок 12. Собственные частоты колебаний ГВ из КМ (Гц)

Заключение

Результаты предварительного анализа прочности металлического ГВ и ГВ из КМ сведены в таб.3.

Таблица 3.

Результат анализа прочности ГВ

Из этих результатов видно, что весовая эффективность ГВ из КМ больше всего на ~20% весовой эффективности стального ГВ. При этом, предположительно, прочность при ударном воздействии у ГВ из КМ существенно ниже стального ГВ. Для увеличения весовой эффективности ГВ из КМ необходимо использовать композиционный материал на основе волокон имеющих более высокие прочностные характеристики чем волокна UMT45S, причем весовая эффективность будет увеличиваться пропорционально увеличению прочностных характеристик волокна.

Коэф. весовой эффективности ГВ из КМ в сравнении с ГВ из стали: К_вес.эф.=(m_c/m_к)/(к_{запас.пр.с}/ к_{запас.пр.к})=1,21.

Список литературы:

1. Рычков С.П.  MSC.visualNASTRAN для Windows / Рычков С.П. – М.: НТ Пресс, 2004. – 552с.
2. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. – M.: ДМК, 2001. – 446с.
3. Тимошенко С.П., Янг Д. Х.,Уивер У. Колебания в инженерном деле. – М.: Машиностроение, 1985. – 472с.