[发明专利]一种舰船轴系校中及回旋振动多学科优化方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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发明显，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、降低扰动激励幅值、重点部位使用隔振器等方法来实现轴系减振，但其效果局限。轴系回旋振动和校中计算的数值方法成熟，但综合考虑两者及其耦合学科的设计方法较少，因此优化结果缺乏全面性。为综合优化轴系校中质量和振动性能，改善轴承尤其是艉轴承的工作状态，提高舰船轴系总体质量，设计阶段需要综合考虑多学科因素及其耦合强度，选取行之有效的方法进行解耦，最后完成轴系多学科设计优化，提高轴系综合性能。

发明内容

本发明创造的目的在于，为综合提升舰船轴系校中质量和振动特性，在考虑多学科因素及其耦合分析、解耦的前提下，提供一种简便而行之有效的多学科优化设计方法，。

本发明基于舰船动力装置校中设计和舰船轴系振动长期研究和分析的基础上，总结影响轴系校中及振动的多学科因素并进行学科划分，其中影响轴系校中的主要因素包括：a)轴系布置尤其是轴承数目和跨距的影响；b)轴承静刚度和支撑油膜的动刚度；c)尾轴承斜镗孔角度。d)轴段及轴系其他零部件自身重量。影响振动传递和响应特性的主要因素包括：a)轴系的布置，包括轴系的长短、轴承的支撑方式、轴系部件的安装位置；b)支撑轴承的动力学特性，包括刚度、阻尼、摩擦和磨损；c)轴系校中状态，包括轴承轴向位置、轴承垂向位置、校中方式等；d)螺旋桨水动力效应，尤其是螺旋桨激振力；e)主机激振力。从学科角度进行划分，轴系设计学科包括动力学、静力学、结构力学、材料力学、流体力学、机械传动学、液压力学、摩擦力学、电磁力学等。

受现有轴系优化设计方法的限制，单独对上述某一因素或某一学科进行轴系校中及振动优化具有非显而易见效果，不同校中形式、不同轴系结构参数、不同支撑方式，可优化设计变量间相互影响的强弱程度和对振动传递、响应的影响是不同的。