【技术实现步骤摘要】
一种结合流固耦合的舰船轴系动力学多目标优化设计方法
[0001]本申请属于舰船动力装置设计方法
，尤其涉及一种结合流固耦合的舰船轴系动力学多目标优化设计方法。
技术介绍
[0002]舰船轴系又称为传动轴系，包括传动轴、连接设备、支撑设备、密封装置等，是舰船动力装置的重要组成部分。随着舰船逐渐向大型化、高速化发展，舰船轴系结构更加复杂，不同轴段包含不同的零部件且相互之间联系密切，其设计涉及结构学、静力学、振动力学、材料力学、流体力学等不同学科，轴段空心度、轴承位置、轴承支撑特性等设计参数的变化均会使轴系校中、振动等动力学计算结果发生改变，进而影响轴系的可靠性、安全性和隐身性等技术指标。在传统的技术设计方法中，对于轴段空心度、轴承位置的调整多采用试算的方法，若有任意一项技术设计指标未满足要求，则需要重新调整设计参数并再次进行计算，这使得轴系设计效率偏低，成本过大，周期过长，且难以得到优良设计结果。在传统的舰船轴系动力学分析方法中，螺旋桨通常被简化为匀质圆盘，螺旋桨水动力则采用简谐力替代。而作为影响轴系动力学特性的一项重要因...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种结合流固耦合的舰船轴系动力学多目标优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、构建桨轴船一体化模型具体是指，根据待优化舰船轴系对象建立桨轴船一体化模型，其中船体部分所需数据包括船体总长、型宽、垂线间长、肋骨型线、吃水等；螺旋桨部分所需数据主要包括桨直径、叶片型值表、叶片数、毂径比、螺距比、倾斜角、盘面比及螺旋桨旋向等；轴系部分所需数据主要包括轴系总体布置、各轴段内外径、轴系各部件材料属性、各轴承型号及位置、各联接件型号及尺寸；步骤二、流域模型构建具体是指，依据步骤一建立的桨轴船一体化模型，建立流体数值仿真计算模型，该模型包括两部分：一个是用来模拟试验水池的长方体大流域模型，入口处距离船艏一倍船长，出口处距离船艉二倍船长；另一个是螺旋桨附近的圆柱形旋转小流域模型，高与桨直径相同，半径为桨直径的1.2倍；步骤三、流固耦合具体是指，网格划分完成后，设置模拟船体航行的边界条件，包括大流域出入口来流方向、静壁面、旋转流域旋转中心及旋转速度；在小流域与大流域交界处设置网格交界面，计算伴流场条件下的螺旋桨水动力，在轴系螺旋桨表面定义流固耦合面，将计算结果通过流固耦合法附加在螺旋桨表面；步骤四、轴系动力学分析建模具体是指，建立轴系校中及振动的分析模型，包括：建立轴系重量尺寸模型：式中，ρ
i
为第i段轴的密度、D
i
为第i段轴的外径、d
i
为第i段轴的内径、L
i
为第i段的长度，g为重力加速度，G
s
(D)为轴系附属设备重量；建立校中分析模型：将所建立的桨轴船模型只保留轴系模型建立轴系校中计算模型；采用有限元法进行校中计算，系统方程为：R
2n
×1＝K
2n
×
2n
a
2n
×1；式中，R
2n
×1为系统载荷向量，K
2n
×
2n
为系统总体刚度矩阵，a
2n
×1为节点位移向量；建立振动分析模型：基于有限元法建立轴系回旋振动计算模型，考虑螺旋桨的附水质量、附水极惯量和径惯量以及大齿轮处垂向和横向啮合力；基于有限元法建立轴系纵向振动计算模型，计入螺旋桨附水效应，在齿轮轴推力盘处设置轴向接地弹簧，以模拟止推作用；计入螺旋桨水动力的得到考虑流固耦合压力作用的系统振动控制方程：式中，M
s
为结构质量矩阵、C
s
为结构阻尼矩阵、K
s
为结构刚度矩阵；M
f
为流体等效质量矩阵、C
f
为流体阻尼矩阵、K
f
为流体刚度矩阵；ρ
f
R为流固耦合质量矩阵；K
s
为预应力刚度矩阵；x为节点位移、为节点速度、为节点加速度向量、p为节点流体压力；F为节点所受外部激
励向量；步骤五、构建多目标优化函数基于所建立的动力学分析模型，计入流固耦合压力，计算优化前的轴系校中及振动分析结果，包括轴系挠度分布、轴承载荷、最大弯曲应力、一阶正逆回旋阵型及临界转速、一阶纵振阵型；选取轴段内径及轴承垂向变位为优化设计变量，构建多目标优化函数；重量尺寸模型的优化目标为轴系总重；校中分析模型的优化目标包括前后艉轴承轴承载荷差最小、轴承间载荷差值均匀、轴系最大弯曲应力最小、后艉轴承截面转角最小；振动分析模型优化目标，则根据模态分析结果选取振动较大的位置作为监测点，提取回振监测点横向及垂向最大振幅、纵振监测点最大共振峰值等参数，以供优化使用；多目标优化函数的一致性约束条件包括：a、轴承载荷不超过许用值且不小于相邻两跨距间所有重量总和的20％；b、各轴段最大弯曲应力不超过许用值；c...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘金林，古铮，房诗雨，张荣国，
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：
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