[发明专利]一种舰船轴系优化方法及其优化平台

摘要

本发明属于舰船设计领域，尤其涉及一种舰船轴系优化方法及其优化平台。本方法提高轴系的设计质量，在最初的设计阶段，通过优化轴系各轴承的位置达到提升轴系校中质量和降低轴系振动的目的。为舰船安全，稳定地运行提供基础。本发明为轴系在校中设计阶段控制其振动特性提供了一个新方案，具有重要的理论和工程实践价值，能够填补现有技术方案的不足，提高各种类舰船轴系的设计质量。

主权项

1.一种舰船轴系校中优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、获取待优化的舰船轴系的结构参数以及材料参数，包括舰船轴系中各轴段的几何参数以及材料属性、各轴承的支撑位置，各轴承轴向和垂向的支撑刚度，轴的尺寸，所述材料属性包括弹性模量以及泊松比，所述支撑位置包括轴向位置以及垂向位置；步骤二、基于上述结构参数以及材料参数建立该舰船轴系的有限元模型；建立有限元模型中任一梁单元K节点处所受剪力向量{Q}和形变向量{δ}，以及K节点单元的刚度矩阵其中E——材料的弹性模量；G——材料的剪切弹性模型；I——单元对X轴的惯性矩；S——单元的横截面积；l——单元长度；yj——第j个轴承的变位值(mm)；i、j——分别表示轴承编号；根据上述公式，求得有限元模型中各个梁单元的刚度矩阵，将各单元的刚度矩阵重新组合得到该舰船轴系的刚度矩阵K；步骤三、调整舰船艉轴上各轴承的竖向位置的偏移量Y0，以各轴承上载荷位于许用范围、相邻轴承上的载荷差最小为限制条件，以后艉轴轴承上的载荷R1最小为目标函数求解获取竖向位置各轴承的最佳偏移量；轴系各轴承变位后各轴承上的载荷Ri可表示为：式中：R0i——轴系直线校中状态下各轴承上的载荷(kn)；其中Ti，Tj——节点i、j上的剪力；Mi，Mj——节点i、j上的弯矩；yi，yj——节点i、j沿Y轴(竖直方向)的位移；θi，θj——节点i、j绕X轴(轴向)的转角；步骤四、基于滑动轴承动压润滑理论，建立各轴承油膜运动的雷诺方程：由直角坐标系转换到圆柱坐标系可得：其中：r——径向坐标mm；μ——油膜的动粘度系数；p——油膜压力分布p0；h——油膜厚度mm；θ——轴向坐标rad；ω——轴系转速rad/s；将坐标原点设置在油膜最大厚度处(h＝h_max)，利用无量纲参数对⑧式进行无量纲化得到：λ＝2Z/L为油颈的径向坐标Z与二分之一轴承轴向长度L的比值；H＝h/c为油膜厚度与轴瓦轴颈间隙的比值；对轴承支撑油膜压力分布积分，得支反力在圆柱坐标下的表达式为：式中：e——轴承截面的偏心距；由式⑦、⑧、⑨、⑩求得稳定工况下各轴承支撑油膜压力分布；步骤五、舰船轴系运动过程中，将轴颈中心的变化简化为准静态过程，当轴承偏心距和偏位角发生变化时采用小扰动法进行分析计算；计算求得该舰船轴系在不同校中状态下各轴承支撑油膜刚度Koil：式中：e₀、——轴心初始稳态坐标；步骤六、依据步骤三中的优化选择结果数据设置舰船轴系中各轴承的位置，将各轴承支撑作用采用Combin214单元模拟，推力轴承承受轴向推力作用采用弹簧单元模拟，对舰船轴系进行校中计算和模态分析；并根据模态分析的结论选取整体轴系上振幅最大的两个节点为参考点，计算它们的振动幅频响应；步骤七、在直线校中的基础上以1mm为步长，在后艉轴承变位(‑5mm，5mm)的范围内求解优化目标函数：式中：α1、α2、α3——分别代表后艉轴承上载荷减小程度、节点A和节点B回旋振动减振程度的权重系数；其中α1+α2+α3＝1；根据轴系后尾轴承上的异常磨损和载荷情况，确定α1的值，取值范围为0.2≤α1≤0.7；根据轴系和舰船对振动特性的要求情况，确定α2和α3的值，且0.15≤α2＝α3≤0.4；fA、fB——分别代表直线校中状态下节点A和节点B回旋振动Y向最大振幅值；k——后艉轴承调整变位值(mm)；R1k、fAk、fBk——分别代表后艉轴承调整kmm后，后艉轴承上载荷、节点A和节点B回旋振动Y向最大振幅值。