研究生课程答题本
船舶推进轴系校中系统的建模与仿真
1. 摘要 ........................................................................................................ 2 2. 船舶推进轴系校中系统描述 ............................................................... 3 3. 船舶推进轴系校中系统的建模 ........................................................... 4 3.1 轴系简化的一般原则 ................................................................... 4 3.2 力学模型 ....................................................................................... 5
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4. 船舶推进轴系校中系统仿真： ........................................................... 6 4.1 有限元软件ANSYS简介 ............................................................ 6 4.2 有限元方法简介 ........................................................................... 6 5. 船舶推进轴系校中的仿真分析： ....................................................... 9 5.1 轴系系统校中状态分析 ............................................................... 9 5.2 轴系系统偏中时的状态分析 ..................................................... 10 6. 结 论 .................................................................................................... 14 6.1 本文总结 ..................................................................................... 14 6.2 个人心得 ..................................................................................... 14 7 参考文献............................................................................................. 15
1. 摘要
依据船舶轴系直线校中原理，基于ANSYS环境建立了轴系校中计算的有限元模型，简述了轴系直线校中法，详细说明了轴段偏中时轴系校中的状态，得出了轴段偏中时轴承负荷、轴系挠度、轴系转角、轴系剪力等的变化规律，为船舶轴系校中设计及检修提供了依据。
关键词：船舶轴系；校中计算；轴段；有限元法
中图分类号： U664.21 文献标示码：
Abstract: Based on principles of ship shaft aligning in line, the shaft’s
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mechanical model is established in the ANSYS environment , outlines the method of shaft alignment in line. Descripe the influence of the misalignment’s shaft on the ship. Get the variation law of bearing load, shaft deflection, shaft slope, shaft shear force and other changes when the flange is misaligned. Providing the basis for the ship shaft design and maintenance.
Key words: ship shafting; alignment calculation; shaft; finite element method;
2. 船舶推进轴系校中系统描述
以某船轴系为研究对象，其主机与螺旋桨之间通过一根中间轴和一根尾轴连接，轴系包括7个轴承，每个轴承视为刚性轴承。轴系全长15m，基本轴径为0.45m。
根据轴系实际的结构，在ANSYS软件中对螺旋桨全浸水中时主机倒数第二道主轴承以后的轴段进行建模，建模方法如下：
(1) 对于轴系本身采用BEAM 188三维有效应变单元建模。Beam188 梁单元是三维梁单元,每个节点具有六个自由度,可以满足各种计算的要求。轴段采用不同的截面，轴段的弹性模量 E = 2.06e11 N/m2，泊松比μ= 0.3，轴系浸水段密度 ρ1 = 6528 kg/m3，浸油段密度 ρ2 = 6950 kg/m3，其他段密度 ρ3= 7850 kg/m3。
(2) 螺旋桨简化为匀质圆盘,将螺旋桨的质量加上附连水质量以及螺旋桨的转动惯量作为集中载荷,加在螺旋桨中心位置。
(3) 将柴油机曲轴作为与主轴颈等同轴径的光轴，按均布载荷处理。 (4) 中间轴、推力轴、齿轮箱大齿轮轴及其联轴器均作为均布载荷处理。 (5) 支承轴承的处理有三种模型:刚性、线弹性和非线性(考虑油膜作用)。处于计算简便考虑，本文将轴承作为刚性处理。
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3. 船舶推进轴系校中系统的建模
3.1 轴系简化的一般原则
轴系可简化为多个弹性支承或刚性支承的连续梁。由于各轴段(如螺旋桨轴、尾轴、中间轴、推力轴等)直径不同，出于对校中计算精度的考虑，将其作为变截面梁处理。具体简化原则:
1） 轴系自重处理
校中计算时，将尾轴、中间轴、推力轴和减速齿轮箱大齿轮轴的自重均作为均布载荷处理。对尾轴浸水或浸油的部分，应考虑水或油浮力的影响;对浸油的轴段，可近似取其在空气重量的90%，对浸水的轴段可取87%。锥状轴段，可取其平均直径，按均布载荷计算轴段重量。桨轴导流帽、轴套均可作为相应轴段的均布载荷计入。
2）载荷处理(静载荷与动载荷)
作用在轴系上的载荷，如螺旋桨、连接法兰(普通法兰可作均布载荷)、推力盘、飞轮、减速齿轮箱大齿轮等，其与相应轴段等轴径部分，按该轴段均布载荷计入，其他部分按集中载荷计算，其作用点为各对法兰的连接面或飞轮、推力环、齿轮中横剖面与轴线交点。 螺旋桨重量作为集中载荷处理时，当其在浸水状态时，需考虑浮力的作用。螺旋桨重量的作用点，应取螺旋桨重心向螺旋桨轴线的垂直交点。在未确定螺旋桨重心的情况下，允许取自桨叶中线0.7R处与轴线的垂交点，或近似取桨毅中点。
3）柴油机曲轴及往复运动部件处理
将柴油机曲轴作为与主轴颈等直径的光轴，按均布载荷处理。柴油机各缸的往复及旋转运动部件的重量，包括活塞、十字头、连杆以及扣除与主轴颈等同部分的曲臂重量后，均作为集中载荷迭加在相应于曲柄销中点的梁跨上。有些柴油机厂家在进行校中计算时，不考虑曲轴与主轴颈等直径的光轴的重量。
4）轴承支撑点
在船舶推进轴系中，大多数轴承的长径比(L /I))都不大于1.0。对于这类轴承，在轴系校中计算时，支点可以选在轴承的中间位置，无论是静态校中还是动态校中都成立。
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对于舵管后轴承，考虑螺旋桨悬臂作用，在静态校中时支点取在距离轴承后端D/3或L/4处。需要注意的是，对大多数白合金轴承而言，由于轴承的长径比(L/D)通常是1.5，则两种方法结果比较接近，即0.333D和0.375D。然而当轴承长径比(L/D)不是1.5时，两种结果误差较大，推荐采用L/4的准则。但是，在弹性校中计算时，由于考虑各种动力因素的影响，艇管后轴承支点选在L/4处的准则将不再适合。这时根据实际情况，舵管后轴承支点的处理有两种方案：(1)多点支承模型;(2)非线性模型。
轴系有限元模型如图1。
图1 轴系有限元模型
3.2 力学模型
如果将轴系中集中质量(螺旋桨、飞轮等)转换为集中力，轴段的重量作为均布载荷处理，轴系校中计算模型就可以看成系统在外力和自身重力作用下的静力学问题。即可将轴系作为多支承的连续梁，这样轴系校中计算问题实际上就是求解静不定梁问题。系统静力平衡方程为:
对于有n个支承静不定梁，那么有6n个未知数，但是静力平衡方程只有6个，这个方程组显然无法求解(未知数个数大于方程个数)，所以，求解时必须引进变形协调方程。如果解除系统的(n-1)个多余约束，则得到相应的静定系统。对于这(n-1)个多余约束可以列出变形协调方程组：
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船舶推进轴系校中系统的建模与仿真
