摘    要：船舶舵桿結構是舵裝置的重要組成部件，其結構性能關系到船舶的航行安全性。為提高舵桿結構設計效率，以某舵桿為例，在CATIA(Computer Aided Three-dimensional Interactive Application)零件模塊中對舵桿進行三維參數化建模，以其內徑為設計變量，通過工程數據鏈接，將舵桿三維參數化模型導入CATIA結構分析模塊中進行優化計算。仿真計算結果表明，采用該方法可實現舵桿在CATIA平臺上的CAD(Computer Aided Design)/CAE(Computer Aided Engineering)一體化設計，在滿足結構強度要求的條件下，優化后舵桿的重量相比優化前減小12.5%。

關鍵詞：舵桿;CATIA平臺;CAD/CAE一體化;結構優化;

0 引 言

舵是控制船舶方向的主要設備，與船舶的安全航行密切相關。舵桿為舵裝置的重要組成部件之一，可將舵機發出的扭矩傳遞給舵葉。舵桿同時承受彎曲、扭曲和剪切應力，其力學性能對最終的舵桿尺寸選取有重要影響。在傳統的舵桿設計理念中，采用CAD(Computer Aided Design)軟件設計三維實體模型，采用CAE(Computer Aided Engineering)軟件進行仿真建模計算。由于CAD軟件和CAE軟件是由不同廠家開發的，需通過中間格式進行間接的數據交換[1],易引發數據特征丟失、使用復雜和設計重復等問題。任浩楠等[2]研究了在CATIA(Computer Aided Three-dimensional Interactive Application)與ANSYS軟件之間搭建水工結構CAD/CAE一體化系統的方法，通過數據接口在兩者之間進行基于參數的雙向傳遞和互相驅動，可簡化水工結構優化設計流程；陳明等[3]研究了CATIA平臺的上飛機零件CAD/CAE集成，通過二次開發實現設計模型與仿真數據鏈接；王桂錄[4]研究了Pro/E環境下的直齒圓柱齒輪CAD/CAE一體化技術，完成了對零件的全流程設計。目前CAD/CAE一體化技術在船舶設計領域的應用相對較少。

CATIA是由達索公司開發的CAD/CAE/CAM(Computer Aided Manufacturing)集成化應用系統，軟件內容涵蓋產品從概念設計、三維設計、工程分析計算、動態模擬與仿真、工程圖生成到數控加工的全過程。本文將CATIA優秀的建模技術與強大的工程結構分析能力有效結合，對某船舵桿進行CAD/CAE一體化設計分析，獲取其力學特性并完成結構優化。

1 舵力和舵桿扭矩計算

該船配備2只懸掛舵，舵葉平均寬度為2.0 m, 舵葉面積為6.8 m2,船舶設計航速為16 kn。根據《鋼質海船入級規范》,舵力和扭矩的計算公式分別為

式(1)和式(2)中：F為舵力；vd為航速；A為舵葉面積；K1、K2和K3為相關舵葉參數；T為扭矩；R為臂距，其取值不小于0.1倍舵葉平均寬度。經計算得：F=323 kN;T=64.6 kN·m。

2 舵桿CAD/CAE一體化設計

在CATIA中對舵桿進行三維實體建模，通過其自帶的工程數據鏈接，將三維實體模型自動導入CATIA結構分析模塊中，采用有限元分析方法對結構性能進行評估，調整模型尺寸，以獲得最佳的舵桿結構設計方案，具體流程見圖1。

該船的舵桿長為4 545 mm, 外徑為280 mm。為分析舵桿內徑對舵桿結構的影響，通過在CAD模塊中對舵桿內徑進行參數定義(見圖2),驅動CAE模塊自動更新舵桿有限元模型，實現對不同內徑舵桿的應力和變形結果的批量計算。在CAD模塊中建立的舵桿三維模型包含舵桿結構的所有信息，如外形尺寸、材料屬性、鍵槽和開孔等。圖3為舵桿三維實體模型。

圖1 舵桿CAD/CAE一體化設計流程圖  

圖2 舵桿內徑參數化設計  

通過工程數據鏈接將舵桿三維模型輸入CAE模塊中，后期三維模型的修改可自動同步傳遞到有限元模型中。采用CATIA的有限元處理工具對網格規格進行設置，如元素類型、網格尺寸和網格形狀等。對于主要受力部位、曲面彎曲或收縮部位，應以較小的網格尺寸劃分，這樣分析的結果會更精確[5]。整個舵桿有限元模型包含17 083個四面體單元和28 700個節點。圖4為劃分好網格的舵桿有限元模型。

圖3 舵桿三維實體模型   

圖4 劃分好網格的舵桿有限元模型  

3 強度計算及優化設計

舵桿有限元模型上施加的舵力、扭矩和邊界約束如圖4所示，其中在舵桿與舵承接觸區域約束舵桿的位移。舵桿材質選用屈服強度為260 MPa的船體結構用鍛鋼，參照《鋼質海船入級規范》的規定，當采用直接計算法校核舵桿強度時，舵桿的等效應力應不超過118/K,其中K為舵桿材料系數，其值為0.927,舵桿的許用應力[σ]為127 MPa。

圖5為實心舵桿等效應力云圖，最大應力出現在舵桿與下舵承連接區域，大小為114 MPa; 圖6為舵桿變形云圖，舵桿根部的最大變形為10.4 mm, 實心舵桿強度滿足規范的要求。[5]通過在CAD模塊中更改舵桿內徑參數，舵桿三維模型的修改可自動傳遞到有限元模型中，快速批量得到不同內徑舵桿的應力和變形計算結果，見表1。

圖5 實心舵桿等效應力云圖 

圖6 舵桿變形云圖   

表1 不同內徑舵桿的應力和變形計算結果 

圖7 舵桿最大等效應力隨舵桿內徑的變化曲線

舵桿最大等效應力隨舵桿內徑的變化曲線見圖7。當舵桿內徑為110 mm時，最大等效應力已超過許用應力。綜合考慮應力、變形、重量和加工等各種因素，舵桿內徑最終選擇90 mm, 相比實心舵桿方案，重量減小12.5%,減重效果明顯。

4 結 語

采用CAD/CAE一體化設計方法，在CATIA平臺中實現舵桿設計模型與有限元模型數據的無縫集成，避免因數據轉換引起的精度損失和重復建模等問題[6]。通過參數化建模直接驅動舵桿力學性能仿真計算，在滿足結構強度要求的條件下，優化后舵桿的重量相比優化前減小12.5%,極大地提高了設計和分析效率。

參考文獻

[1] 楊曉東.基于CATIA V5的割縫篩管參數化建模與有限元分析[J].機械工程師，2012(10):39-41.

[2] 任浩楠，王曉東.基于CATIA和ANSYS Workbench的水工結構CAD/CAE一體化系統[J].水利規劃與設計，2018(2):92-94.

[3] 陳明，鄧矢斧，朱睿，等.基于CATIA平臺的CAD/CAE集成[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2006(7):1078-1082.

[4] 王桂錄.基于Pro/E的直齒圓柱齒輪的CAD/CAM/CAE一體化技術研究[J].機電工程技術，2011(7):33-35.

[5] 王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[6] 謝飛，宋傳學，王建華，等.基于CATIA的差速器直齒圓錐齒輪參數化建模與有限元分析[J].機械傳動，2008(4):20-22.

文章來源：傳播與海洋工程