一种尾轴承-转子系统多重流固耦合计算方法技术方案

一种尾轴承‑转子系统多重流固耦合计算方法，属于海洋平台流固耦合技术领域，包括多个尾轴承、一个螺旋桨轴，包括单位时间步长设置和计算的总时间设置、流体域单元离散化、固体域单元离散化、离散化流体域的计算、离散化固体域的计算、数据耦合计算、计算结束步骤；该尾轴承‑转子系统多重流固耦合计算方法实现了尾轴承与转子系统工作过程的准确模拟，解决了现有动网格技术，应用于多个尾轴承占据的空间区域，进行数值模拟所存在的网格畸变过大，从而导致流体域计算精度低的问题；实现了流体‑固体的多重耦合计算，克服了对称轴承‑转子系统耦合计算的弊端，能够准确模拟螺旋桨轴与多个尾轴承在振动、润滑之间的多重耦合作用。

【技术实现步骤摘要】

一种尾轴承-转子系统多重流固耦合计算方法，属于海洋平台流固耦合

技术介绍
随着石油调研、勘探工作重心逐渐从陆地、浅海转向深海，海洋平台的应用不断扩大。海洋平台按结构特征和工作状态分为固定式、活动式和半固定式。螺旋桨是海洋浮动式平台的关键部件之一，海洋浮动式平台依靠自身的浮力来支撑其平台重量，并借助螺旋桨动力定位平台，螺旋桨轴为具有复杂轴系的大型船系的尾轴，由船舶尾部的尾轴承支撑运行，其运行产生的反作用力抵抗风、浪、流等作用力，达到平衡定位目的，确保海洋浮动平台能长周期安全稳定作业。因此，研究非对称流场下的尾轴承-转子系统的流固耦合计算方法对海洋平台长周期安全工作具有重要意义；目前，我国螺旋桨轴系使用的尾轴承大部分是通过引进国外技术或仿照国外产品进行生产的，自主设计力不强，多场耦合工作过程模拟基础薄弱并存在各种问题，无法为我国深度研制具有自主产权的深海钻井浮动式平台的航行与定位动力系统提供技术支撑。在实现本专利技术过程中，专利技术人发现现有技术中至少存在以下问题：1、尾轴承与螺旋桨轴系统的工作过程数值模拟不准确；2、尾轴承-转子系统进行流固耦合过程中的流体域计算精度低；3、尾轴承-转子系统进行流固耦合过程中无法准确揭示螺旋桨轴与多个尾轴承在振动、润滑之间的耦合作用机制。经分析发现，出现上述问题的主要原因是由于：1、现有的流固耦合技术应用大型的CAE软件，对流体域和固体域的离散化数据进行统一计算处理，导致尾轴承与螺旋桨轴系统的工作过程数值模拟不准确；2、现有流体域计算采用动网格技术应用于尾轴承数值模拟存在网格畸变过大的问题；3、在螺旋桨轴系中，螺旋桨轴由多个尾轴承共同支撑，各个尾轴承之间有很强的耦合关系，转子系统与一个尾轴承之间工作状态的变化会影响到相邻尾轴承的工作状态，各尾轴承的润滑工作状况相互作用、相互影响；因此，尾轴承与螺旋桨轴的耦合计算过程将不同于对称轴承-转子系统的计算，需要考虑各个尾轴承之间的不对称性，实现流体-流体-固体的多重耦合计算。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种准确模拟尾轴承与转子系统工作过程、提高流体域计算精度、准确模拟螺旋桨轴与多个尾轴承耦合作用机制的尾轴承-转子系统多重流固耦合计算方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：该尾轴承-转子系统多重流固耦合计算方法，包括多个尾轴承、一个螺旋桨轴，还包括以下步骤：单位时间步长设置和计算的总时间设置；流体域单元离散化，多个尾轴承占据的空间区域的单元离散化；固体域单元离散化，螺旋桨轴转子动力学方程的单元离散化；离散化流体域的计算，采用结构化动网格更新方法更新离散化流体域网格节点，并获得流体作用于螺旋桨轴边界上的非线性油膜力；离散化固体域的计算，采用时域积分法求解螺旋桨轴转子动力学方程，获得螺旋桨轴颈处位移和中心位置；数据耦合计算，单位时间步长内，将多个所述非线性油膜力作为离散化固体域的边界条件，输入到离散化固体域进行计算；同一时间步长内，将螺旋桨轴颈处位移和中心位置，作为离散化流体域的网格更新坐标，输入到多个离散化流体域进行计算；计算结束，计算的总时间到。优选的，所述离散化流体域的计算包括以下步骤：S201，建立多个非线性油膜力方程；S202，调用刚性边界条件数据库文件，确定当前时间步下螺旋桨轴颈处的网格节点坐标；S203，在计算流体力学CFD软件中，采用结构化动网格更新方法更新离散化流体域的网格节点，获得最新网格节点下的多个非线性油膜力；S204，将多个非线性油膜力写入多个非线性油膜力边界条件数据库文件；S205，刚性边界条件数据库文件存在，返回步骤S202；否则，离散化流体域的计算结束。优选的，所述离散化固体域的计算包括以下步骤：S301，建立螺旋桨轴转子动力学方程；S302，调用多个非线性油膜力边界条件数据库文件，确定积分区域；S303，将多个非线性油膜力与螺旋桨轴转子动力学方程耦合；S304，采用时域积分法求解螺旋桨轴转子动力学方程，获得最新的螺旋桨轴颈处位移和中心位置；S305，将所述螺旋桨轴颈处位移和中心位置写入刚性边界条件数据库文件；S306，多个非线性油膜力边界条件数据库文件存在，返回步骤S302；否则，离散化固体域的计算结束。优选的，所述结构化动网格更新方法包括以下步骤：S401，调用刚性边界条件数据库文件，获得螺旋桨轴颈处位移和中心位置；S402，网格节点坐标识别；S403，根据轴瓦分界线方程确定网格节点区域；S404，网格节点移动距离赋值；S405，确定最新网格节点坐标。优选的，步骤S404中所述网格节点坐标移动距离赋值的方法为：与螺旋桨轴颈重合的网格节点与螺旋桨轴颈同步移动赋值，与轴瓦重合的网格节点保持赋值不变，螺旋桨轴颈与轴瓦之间的网格节点按以下公式移动赋值：x′i-xi+(1-qNi)(1-qN)Δx,y′i=yi+(1-qNi)(1-qN)Δy,]]>其中，(xi，yi)为螺旋桨轴颈移动前节点i的坐标，(x'i，y'i)为螺旋桨轴颈移动后节点i的坐标，Ni表示节点i所在的径向网格层数，网格层数编号从轴瓦处节点到轴颈处节点从0到N依次递增，N表示总径向网格层数，N≤10，q表示网格高度的增长比，0.96≤q≤1.06，且q≠1。优选的，所述螺旋桨轴转子动力学方程的表达式为：Ms··+Cs·+Ks=B1ω2Qejωt+B2F2+B3F3+B4Kr0ejωt,]]>其中，M为螺旋桨轴转子系统的质量矩阵，s为螺旋桨轴转子系统的位移量，C为螺旋桨轴转子系统的阻尼矩阵，K是螺旋桨轴转子系统的刚度矩阵，Q是螺旋桨轴的质量不平衡量，F2为螺旋桨轴重力，F3为非线性油膜力；Kr0ejωt为由初始弯曲引起的激振力，r0表示初始弯曲，ω为螺旋桨轴旋转角速度；Bi为作用力的位置矩阵，i≤4。优选的，步骤S403中所述轴瓦分界线方程为：当尾轴承为椭圆轴承时，分界线方程的通用表达式为：b1=b0(a1+R)a0-r+R,b2=b0(a2-R)a0+r-R,]]>其中：R为尾轴承的半径，r为螺旋桨轴颈的半径，(a0，b0)为螺旋桨轴颈中心位置坐标；当尾轴承为四油叶轴承时，通用表达式为：b1=(b0-r1)+(r1-R1-b0)(a1-a0-r1)R1-a0-r1,]]>b2=(b0+r1)+(R1-r1-b0)(a2-a0-r1)R1-a0-r1,]]>b3=(b0+r1)+(R1-r1-b0)(a3-a0+r1)-R1-a0+r1,]]>b4=(b0-r1)+(r1-R1-b0)(a4-a0+r1)-R1-a0+r1,]]>其中：R为尾轴承的半径，r为螺旋桨轴颈的半径，(a0，b0)为螺旋桨轴颈中心位置坐标，优选的，所述时域积分法为Newmark方法、Runge-Kutta方法中的任一种。优选的，所述单位时间步长依据公式：单位时间步长＝L×最小网格长度/流体特征速度进行设定，0.1≤L≤1。优选的，所述计算的总时间依据公式：总时间＝计算总步数×单位时间步长进行设定。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案的说明如下：通过流体域单元离散化和固体域本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种尾轴承‑转子系统多重流固耦合计算方法，包括多个尾轴承、一个螺旋桨轴，其特征在于：还包括以下步骤：单位时间步长设置和计算的总时间设置；流体域单元离散化，多个尾轴承占据的空间区域的单元离散化；固体域单元离散化，螺旋桨轴转子动力学方程的单元离散化；离散化流体域的计算，采用结构化动网格更新方法更新离散化流体域网格节点，并获得流体作用于螺旋桨轴边界上的非线性油膜力；离散化固体域的计算，采用时域积分法求解螺旋桨轴转子动力学方程，获得螺旋桨轴颈处位移和中心位置；数据耦合计算，单位时间步长内，将多个所述非线性油膜力作为离散化固体域的边界条件，输入到离散化固体域进行计算；同一时间步长内，将螺旋桨轴颈处位移和中心位置，作为离散化流体域的网格更新坐标，输入到多个离散化流体域进行计算；计算结束，计算的总时间到。

【技术特征摘要】
1.一种尾轴承-转子系统多重流固耦合计算方法，包括多个尾轴承、一个螺旋桨轴，其特征在于：还包括以下步骤：单位时间步长设置和计算的总时间设置；流体域单元离散化，多个尾轴承占据的空间区域的单元离散化；固体域单元离散化，螺旋桨轴转子动力学方程的单元离散化；离散化流体域的计算，采用结构化动网格更新方法更新离散化流体域网格节点，并获得流体作用于螺旋桨轴边界上的非线性油膜力；离散化固体域的计算，采用时域积分法求解螺旋桨轴转子动力学方程，获得螺旋桨轴颈处位移和中心位置；数据耦合计算，单位时间步长内，将多个所述非线性油膜力作为离散化固体域的边界条件，输入到离散化固体域进行计算；同一时间步长内，将螺旋桨轴颈处位移和中心位置，作为离散化流体域的网格更新坐标，输入到多个离散化流体域进行计算；计算结束，计算的总时间到。2.根据权利要求1所述的尾轴承-转子系统多重流固耦合计算方法，其特征在于：所述离散化流体域的计算包括以下步骤：S201，建立多个非线性油膜力方程；S202，调用刚性边界条件数据库文件，确定当前时间步下螺旋桨轴颈处的网格节点坐标；S203，在计算流体力学CFD软件中，采用结构化动网格更新方法更新离散化流体域的网格节点，获得最新网格节点下的多个非线性油膜力；S204，将多个非线性油膜力写入多个非线性油膜力边界条件数据库文件；S205，刚性边界条件数据库文件存在，返回步骤S202；否则，离散化流体域的计算结束。3.根据权利要求1所述的尾轴承-转子系统多重流固耦合计算方法，其特征在于：所述离散化固体域的计算包括以下步骤：S301，建立螺旋桨轴转子动力学方程；S302，调用多个非线性油膜力边界条件数据库文件，确定积分区域；S303，将多个非线性油膜力与螺旋桨轴转子动力学方程耦合；S304，采用时域积分法求解螺旋桨轴转子动力学方程，获得最新的螺旋桨轴颈处位移和中心位置；S305，将所述螺旋桨轴颈处位移和中心位置写入刚性边界条件数据库文件；S306，多个非线性油膜力边界条件数据库文件存在，返回步骤S302；否则，离散化固体域的计算结束。4.根据权利要求2所述的尾轴承-转子系统多重流固耦合计算方法，其特征在于：所述结构化动网格更新方法包括以下步骤：S401，调用刚性边界条件数据库文件，获得螺旋桨轴颈处位移和中心位置；S402，网格节点坐标识别；S403，根据轴瓦分界线方程确定网格节点区域；S404，网格节点移动距离赋值；S405，确定最新网格节点坐标。5.根据权利要求4所述的尾轴承-转子系统多重流固耦合计算方法，其特征在于：步骤S404中所述网格节点坐标移动距离赋值的方法为：与螺旋桨轴颈重合的网格节点与螺旋桨轴颈同步移动赋值，与轴瓦重合的网格节点保持赋值不变，螺旋桨轴颈与轴瓦之间的网格节点按以下...

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，张硕，马龙，许伟伟，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37