船舶轴系校中的双向优化研究

论文摘要

船舶轴系校中的质量,对于确保轴系长期正常地运转非常重要,也是保证船舶正常航行的关键。近年来,随着船舶大型化的发展,使得轴系刚性增加及船体柔性增大,造成轴系对于轴承高度变化呈高敏感性反应,轴系整体的横向挠性降低,当轴系运转过程中,轴承的垂向位置由于外界因素发生改变,将会产生过大的附加负荷。因此传统的在轴系布置完成后、中间轴承轴向位置固定的情况下,求取轴承最佳高度的校中分析方法,难以适应轴系校中的要求,有必要研究轴系校中的双向优化的计算方法。轴系校中的双向优化需要确定轴承轴向(也称横向)和垂向的最佳位置。然而轴承轴向位置变化时,轴系横向振动的固有频率也会发生变化,当达到某一值时,有可能使轴系产生共振。因此,在轴系校中的双向优化过程中要考虑横向振动的影响。本论文首先对船舶轴系校中的双向优化的影响因素进行了分析,系统地研究了轴承负荷影响数、轴系的横向振动、温度效应、负荷均衡分布等对中间轴承轴向布置的影响,并以有限元法为基础,建立了轴系校中的优化计算模型,将多目标规划的方法应用于弹性校中双向优化分析,对各轴承的轴向位置及垂向位置进行优化计算。其次利用有限元软件ANSYS建立了轴系校中的双向优化的有限元计算模型,并应用ANSYS提供的优化模块实现了轴承位置的双向优化分析和计算。最后以一艘1500TEU集装箱船的轴系校中为实例分析,研究两个中间轴承及一个中间轴承的差异,并通过优化程序找到一组轴承位置使其同时具有良好的挠性及均衡的负荷分布。验证了该方法的适用性,对船舶轴系校中设计具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 本文的主要内容
• 2 轴系校中的计算方法
• 2.1 概述
• 2.2 基本原理
• 2.3 轴系校中计算模型
• 2.3.1 坐标系定义
• 2.3.2 轴系的简化处理
• 2.3.3 力学模型
• 2.3.4 刚性支承轴系校中计算模型
• 2.3.5 弹性支承轴系校中计算模型
• 2.3.6 校中计算的影响因素
• 2.4 轴系校中的计算方法
• 2.4.1 三弯矩法轴系校中
• 2.4.2 迁移矩阵法轴系校中
• 2.4.3 有限元法轴系校中
• 2.4.3.1 有限元法的概念
• 2.4.3.2 基本假设
• 2.4.3.3 数学模型的建立
• 2.4.3.4 位移、支反力、剪力、弯矩和应力计算
• 2.4.4 三种方法的比较
• 3 轴系横向振动
• 3.1 横向振动简介
• 3.2 船舶推进轴系横向振动计算方法简介
• 3.3 简单估算法
• 3.3.1 计算模型和结构要素处理
• 3.3.2 不考虑螺旋桨陀螺效应的计算公式
• 3.3.3 考虑螺旋桨陀螺效应的计算公式
• 3.4 轴系横向振动的传递矩阵法
• 3.5 轴系横向振动的有限元法
• 3.5.1 振动系统的离散化
• 3.5.2 横向振动单元的特性分析
• 3.5.3 建立轴系横向振动的运动方程
• 3.6 轴系回旋振动模态的ANSYS求解
• 4 轴系校中的双向优化计算
• 4.1 引言
• 4.2 轴承轴向位置优化
• 4.2.1 负荷影响数考量下的最优位置
• 4.2.2 振动频率考量下的最优位置
• 4.2.3 温度效应考量下的最优位置
• 4.2.4 均衡负荷考量下的最优位置
• 4.2.5 轴向位置优化的目标函数及约束条件
• 4.3 轴承垂向位置优化
• 4.3.1 目标函数
• 4.3.2 约束条件
• 4.4 多目标规划
• 4.4.1 多目标规划基本理论
• 4.4.2 求解多目标规划问题的基本方法
• 4.5 轴系校中双向优化的计算
• 4.5.1 轴系有限元模型的建立
• 4.5.2 ANSYS优化计算步骤和算法
• 4.5.3 轴系校中双向优化流程及其流程图
• 5 1500TEU集装箱船轴系校中的双向优化分析
• 5.1 两个中间轴承轴向位置优化分析
• 5.1.1 两中间轴承传统布置轴系直线校中计算
• 5.1.2 两中间轴承传统布置轴系合理校中计算
• 5.1.3 两中间轴承的轴向位置优化
• 5.1.4 两中间轴承轴向位置优化后的校中计算
• 5.2 单一中间轴承的校中优化分析
• 5.2.1 负荷影响数考量下的最优位置
• 5.2.2 温度效应考量下的最优位置
• 5.2.3 均匀负荷考量下的最优位置
• 5.2.4 综合考量下的最优位置
• 5.2.5 单一中间轴承的直线校中计算
• 5.2.6 单一中间轴承的合理校中计算
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢