Ανάπτυξη Μοντέλου Πεπερασμένων Στοιχείων και Δυναμική Ανάλυση Αξονικού Συστήματος Πρόωσης Μηχανότρατας

Abstract

Το σύστημα πρόωσης ενός πλοίου αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι για την αξιόπιστη και αποδοτική λειτουργία του και την κάλυψη των αναγκών στα ταξίδια του στη θάλασσα. Το κύριο μέρος του συστήματος πρόωσης του πλοίου είναι το αξονικό σύστημα, η σωστή μελέτη και ανάλυση συμβάλλει στη ασφαλή και αποδοτική λειτουργία του, όπως και στην αποφυγή βλαβών που μπορεί να οδηγήσουν στην απώλεια πρόωσης και ακυβερνησίας του πλοίου. Επιπρόσθετα, με δεδομένο ότι οι σύγχρονες διατάξεις πλοίων αποτελούνται από μεγάλα μήκη αξόνων για καλύτερη κατανομή του βάρους και από πολύστροφες υπερτροφοδοτούμενες μηχανές ντίζελ, όπως σε αυτή την περίπτωση, η μελέτη τους είναι σημαντική για την αποφυγή προβλημάτων.Στην παρούσα διπλωματική εργασία, πραγματοποιήθηκε η μοντελοποίηση του αξονικού συστήματος πρόωσης σκάφους τύπου μηχανότρατας , αποτελούμενο από έναν πολύστροφο κινητήρα diesel, ο οποίος περιστρέφει μια έλικα σταθερού βήματος άμεσα συνδεδεμένη στον άξονα με μειωτήρα στροφών. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε η παραμετρική σχεδίαση στο λογισμικό Solidworks και η δυναμική ανάλυση σε ένα εύρος στροφών 0-300 rad/s ενός απλού δοκιμαστικού μοντέλου ρότορα του γνωστού ως «Jeffcott rotor» πεπερασμένων στοιχείων στο λογισμικό Ansys Workbench Student 2024 στηριζόμενο σε σταθερά έδρανα όπου έγινε η εξαγωγή των φυσικών συχνοτήτων, των ιδιομορφών , του διαγράμματος Cambell και των κρίσιμων ταχυτήτων. Επίσης, η ανάλυση έγινε και σε περιβάλλον Μatlab για την επαλήθευση και αξιοπιστία των αποτελεσμάτων συμπεριλαμβάνοντας τα γυροσκοπικά φαινόμενα όπου παρατηρήσαμε ότι η απόκλιση των αποτελεσμάτων ήταν μικρότερη από 10%. Στο επόμενο κομμάτι στη δυναμική ανάλυση του αξονικού συστήματος πρόωσης της μηχανότρατας, όπως προαναφέρθηκε, όπου αποτελείται από τον ελικοφόρο άξονα και από την έλικα. Σε πρώτη φάση πραγματοποιήθηκε η παραμετρική μοντελοποίηση του αξονικού συστήματος στο λογισμικό Solidworks με τα κατάλληλα εργαλεία του προγράμματος σε ξεχωριστά μέρη και ύστερα πραγματοποιήθηκε η συναρμολόγηση της γεωμετρίας. Στη συνέχεια, ακολουθεί η δημιουργία πλέγματος πεπερασμένων στοιχείων στο πρόγραμμα Ansys Workbench όπου τοποθετήθηκαν στα σημεία στήριξης του άξονα τα ρουλεμάν και ορίστηκαν οι οριακές συνθήκες. Η δημιουργία του πλέγματος έγινε με την αυτοματοποιημένη λειτουργία που προσφέρει το πρόγραμμα Ansys Workbench και ύστερα από διάφορες αναλύσεις με διαφορετικά μεγέθη στοιχείων και ρυθμίσεις πλέγματος ορίστηκε τελικά στα 20 mm όπου δεν υπήρχε σημαντική αλλαγή στα αποτελέσματα. Τέλος, πραγματοποιήθηκε η δυναμική ανάλυση του συστήματος πρόωσης περιστρέφοντάς το στο εύρος λειτουργίας του κινητήρα από 0-1500 rpm και έγινε η εξαγωγή του διαγράμματος Cambell, των φυσικών συχνοτήτων ,των ιδιομορφών και των κρίσιμων ταχυτήτων. Επίσης, όπως και στο μοντέλο του Jeffcott rotor έτσι και εδώ υλοποιήθηκε η ανάλυση του αξονικού συστήματος πρόωσης σε περιβάλλον Matlab σε απλοποιημένη μορφή και έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων. Όπως και στο δοκιμαστικό μοντέλο έτσι και σε αυτή την ανάλυση η απόκλιση ήταν κάτω του 11% κάτι που επιβεβαιώνει την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων.