一种舰船轴系校中及回旋振动多学科优化方法技术

本发明专利技术属于舰船动力装置设计领域，尤其涉及一种舰船轴系校中及回旋振动多学科综合设计优化方法。获取待优化的轴系的初始布置、轴段和轴承的材料属性、船体艉部型线、螺旋桨结构尺寸及材料属性。基于轴段、轴承、艉部壳体、螺旋桨的结构尺寸、各面型线、材料属性，先建立几何模型，再建立包含校中计算模型、振动计算模型、螺旋桨模型的轴系多学科有限元模型。选取优化评价指标变量，指标变量通过多学科模型的数值计算和实际台架的测量或换算得到。建立流体计算模型。根据优化目标，选取设计变量并定义优化数值范围。本发明专利技术能够改善现有设计方法在轴系多学科耦合设计上的缺陷，对实际的轴系设计和实际舰船的轴系改进有工程实践价值。

A multidisciplinary optimization method for alignment and gyratory vibration of ship shafting

【技术实现步骤摘要】
一种舰船轴系校中及回旋振动多学科优化方法
本专利技术属于舰船动力装置设计领域，尤其涉及一种舰船轴系校中及回旋振动多学科综合设计优化方法。
技术介绍
轴系是动力装置的重要组成部分，其作用是将主机功率传递给推进器使船舶运动。轴系校中质量和振动特性是关乎现代船舶轴系整体质量的两个重要指标。轴系结构复杂、零部件多，涉及转子动力学、流体力学、摩擦力学、结构力学、电磁力学等众多学科，且学科间联系紧密耦合复杂，分析计算量庞大。轴系所受的扰动激励来自这些耦合的学科，不对中扰动激励使运行轴系产生回旋振动，回旋振动过大会引发轴系共振，降低船舶声隐身性能。随着现代舰船原动机向高速化发展，电力推进方式、主机功率提高等因素使轴系转速升高，轴系所传递扭矩和推力增加，致螺旋桨的激振力增大、轴系固有频率降低，多学科耦合因素对轴系振动的影响越专利技术显，其中以轴系不对中引起的回旋振动最为明显。相应的，振动引起轴承发热及磨损，反过来改变轴系的校中质量。根据舰船总体技战术需求，现有轴系优化设计方法的所考虑的因素较为单一，缺乏对多设计因素耦合情况的分析，常用的改变轴系固有频率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种舰船轴系校中及回旋振动多学科优化方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤一、获取待优化的轴系的初始布置、轴段和轴承的材料属性、船体艉部型线、螺旋桨结构尺寸及材料属性。初始布置包括各轴段长度、外径、内径、轴承类型、轴承径向及垂向刚度；材料属性包括材料密度、杨氏模量、剪切弹性模量、泊松比；螺旋桨结构尺寸和材料属性包括螺旋桨外径、桨叶数目、各桨叶面型线、材料密度、弹性模量、泊松比；/n步骤二、基于轴段、轴承、艉部壳体、螺旋桨的结构尺寸、各面型线、材料属性，先建立几何模型，再建立包含校中计算模型、振动计算模型、螺旋桨模型的轴系多学科有限元模型；对于校中计算模型，将轴系简化为多支撑等截面连续梁，...

【技术特征摘要】
1.一种舰船轴系校中及回旋振动多学科优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、获取待优化的轴系的初始布置、轴段和轴承的材料属性、船体艉部型线、螺旋桨结构尺寸及材料属性。初始布置包括各轴段长度、外径、内径、轴承类型、轴承径向及垂向刚度；材料属性包括材料密度、杨氏模量、剪切弹性模量、泊松比；螺旋桨结构尺寸和材料属性包括螺旋桨外径、桨叶数目、各桨叶面型线、材料密度、弹性模量、泊松比；
步骤二、基于轴段、轴承、艉部壳体、螺旋桨的结构尺寸、各面型线、材料属性，先建立几何模型，再建立包含校中计算模型、振动计算模型、螺旋桨模型的轴系多学科有限元模型；对于校中计算模型，将轴系简化为多支撑等截面连续梁，梁单元的刚度矩阵可表示为



其中β为剪切变形影响系数，基于均匀截面假设的G为剪切弹性模量；[K]为轴系刚度矩阵，可由联立获得，进而可得到整个轴系受力及形变关系{F}＝[K][v]，结合轴系实际几何参数和支撑刚度计算，轴系校中计算模型可表述为：
[K+Koil]·(Y0+Y1+Y2)+{Fs-([Koil]·Y2)}+{F}+G0＝0
其中[Koil]为轴承支撑刚度矩阵，可由油膜刚度矩阵及轴承接触刚度矩阵串联获得；Y0，Y1，Y2分别为轴中心线与轴承中心线的初始距离向量、轴中心与支座中心距离向量、轴系中心与支承点参考线的距离向量；
基于螺旋桨推进轴系的转子动力学方程：



建立振动计算模型，将非止推轴承简化为具有垂向刚度和横向刚度的弹簧单元，使用Beam188建立轴段梁单元，使用Combin14完成弹簧单元建模；将止推轴承简化为具有垂向刚度、横向刚度和轴向刚度的弹簧单元，使用Combin214完成止推轴承的建模；
步骤三、选取优化评价指标变量，指标变量通过多学科模型的数值计算和实际台架的测量或换算得到；校中指标变量包括轴承支反力、轴段间转角、轴挠度和应力、轴承间负荷差值；振动指标变量包括振动监测点处的各阶最大振幅、各阶临界转速、艉部噪声，校核指标包括轴段强度、安全系数等；
步骤四、建立流体计算模型；包括螺旋桨水动力计算和轴承液膜刚度计算；
根据螺旋桨升力线理论，将螺旋桨沿径向分为Nm段，则叶角为θ'时，螺旋桨主叶的推力、转矩和切向力可表示为：









转子在轴承内运转，油膜分布于转子与轴瓦之间的间隙，轴径和轴瓦间的液膜雷诺方程为：



假设油膜在轴承边界处压力为0，且轴段在轴承内部无倾斜，稳定运行时轴承的径向力Fbd和切向力Fbt可分别表示为：






其中，Rb为轴承半径，ω为轴转速，μ为润滑油粘度系数，Lb为轴承长度，为轴承内部径向间隙平均值，ε为轴承偏心；油膜径向力与切向力的合力Foil通过轴瓦作用于轴承，可表示为：



轴系的负载可以通过以上所建立的校中计算模型获得，在数值上载荷的大小和方向均与Foil相同，进一步推导可以得到轴承偏心ε和力姿态角的表达式：
-(3+π2Sf2)ε2+(6-Sf2(16-π2))ε4-4ε6+1＝0



其中Sf为无量纲索莫菲尔德系数(Sommerfeldnumber)，由上式，可根据负载、转速、...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金林，尹红升，曾凡明，吴杰长，常广晖，高伟鹏，赖国军，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42