[發明專利]一種艦船軸系優化方法及其優化平臺

有效

• 申請號: 201810239337.6
• 申請日: 2018-03-22
• 公開（公告）號: CN108416159B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 劉金林;賴國軍;曾凡明;吳杰長;嚴紅升;曹詩杰
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍工程大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/23
• 代理公司: 北京天盾知識產權代理有限公司 11421
• 代理人: 黃淑娟

1.一種艦船軸系校中優化方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一、獲取待優化的艦船軸系的結構參數以及材料參數，包括艦船軸系中各軸段的幾何參數以及材料屬性、各軸承的支撐位置，各軸承軸向和垂向的支撐剛度，軸的尺寸，所述材料屬性包括彈性模量以及泊松比，所述支撐位置包括軸向位置以及垂向位置；

步驟二、基于上述結構參數以及材料參數建立該艦船軸系的有限元模型；建立有限元模型中任一梁單元K節點處所受剪力向量{Q}和形變向量{δ}，

以及K節點單元的剛度矩陣

其中

E——材料的彈性模量；

G——材料的剪切彈性模型；

I——單元對X軸的慣性矩；

S——單元的橫截面積；

l——單元長度；

y_j——第j個軸承的變位值mm；

i、j——分別表示軸承編號；

根據上述公式，求得有限元模型中各個梁單元的剛度矩陣，將各單元的剛度矩陣重新組合得到該艦船軸系的剛度矩陣K；

步驟三、調整艦船艉軸上各軸承的豎向位置的偏移量Y₀，以各軸承上載荷位于許用范圍、相鄰軸承上的載荷差最小為限制條件，以后艉軸軸承上的載荷R₁最小為目標函數求解獲取豎向位置各軸承的最佳偏移量；軸系各軸承變位后各軸承上的載荷R_i可表示為：

式中：R_0i——軸系直線校中狀態下各軸承上的載荷kn；其中T_i，T_j——節點i、j上的剪力；M_i，M_j——節點i、j上的彎矩；y_i，y_j——節點i、j沿Y軸即豎直方向的位移；θ_i，θ_j——節點i、j繞X軸即軸向的轉角；

步驟四、基于滑動軸承動壓潤滑理論，建立各軸承油膜運動的雷諾方程：

由直角坐標系轉換到圓柱坐標系可得：

其中：r——徑向坐標mm；μ——油膜的動粘度系數；p——油膜壓力分布；h——油膜厚度mm；θ——軸向坐標rad；ω——軸系轉速rad/s；

將坐標原點設置在油膜最大厚度處h＝h_max，利用無量綱參數對⑧式進行無量綱化得到：

λ＝2Z/L為油頸的徑向坐標Z與二分之一軸承軸向長度L的比值；H＝h/c為油膜厚度與軸瓦軸頸間隙的比值；

對軸承支撐油膜壓力分布積分，得支反力在圓柱坐標下的表達式為：

式中：e——軸承截面的偏心距；

由式⑦、⑧、⑨、⑩求得穩定工況下各軸承支撐油膜壓力分布；

步驟五、艦船軸系運動過程中，將軸頸中心的變化簡化為準靜態過程，當軸承偏心距和偏位角發生變化時采用小擾動法進行分析計算；計算求得該艦船軸系在不同校中狀態下各軸承支撐油膜剛度K_oil：

式中：e₀、——軸心初始穩態坐標；

步驟六、依據步驟三中的優化選擇結果數據設置艦船軸系中各軸承的位置，將各軸承支撐作用采用Combin214單元模擬，推力軸承承受軸向推力作用采用彈簧單元模擬，對艦船軸系進行校中計算和模態分析；并根據模態分析的結論選取整體軸系上振幅最大的兩個節點為參考點，計算它們的振動幅頻響應；

步驟七、在直線校中的基礎上以1mm為步長，在后艉軸承變位(-5mm，5mm)的范圍內求解優化目標函數：

式中：α₁、α₂、α₃——分別代表后艉軸承上載荷減小程度、節點A和節點B回旋振動減振程度的權重系數；

其中α₁+α₂+α₃＝1；根據軸系后尾軸承上的異常磨損和載荷情況，確定α₁的值，取值范圍為0.2≤α₁≤0.7；根據軸系和艦船對振動特性的要求情況，確定α₂和α₃的值，且0.15≤α₂＝α₃≤0.4；

f_A、f_B——分別代表直線校中狀態下節點A和節點B回旋振動Y向最大振幅值；

k——后艉軸承調整變位值mm；

R_1k、f_Ak、f_Bk——分別代表后艉軸承調整kmm后，后艉軸承上載荷、節點A和節點B回旋振動Y向最大振幅值。