基于有限元方法的船舶推进轴系抗冲击性能研究

摘要

船舶推进轴系是指从船舶主机输出端到螺旋桨的传动轴以及轴上各种附件的综合体，它是船舶动力装置的重要组成部分。船舶在航行过程中不可避免地要受到各种冲击载荷的威胁:它不仅要受到一般航行过程中由于碰撞或搁浅产生的碰撞力载荷，而且军用船只还要考虑在战时受到爆炸冲击载荷。轴系在这种强冲击载荷下的应力、位移响应直接关系到船舶动力系统的安全性、可靠性，因此，研究船舶推进轴系的抗冲击响应性能具有十分重要的意义。
　　 文中系统研究了水下非接触爆炸对船舶推进轴系影响的相关理论，总结出了几种在军事和民用方面应用较为广泛的方法，建立了推进轴系及设备的有限元抗冲击计算模型，并根据计算的结果对轴系冲击性能的影响因素进行了分析，提出了相关的建议及修改方法，具体的研究工作如下:
　　 (1)以水下爆炸理论为基础，从水下冲击波和气泡脉动两个方面，用一系列相关公式表述了爆炸冲击波在水下的产生传播过程，并给出了水下爆炸的计算公式。说明了冲击源的问题，以及水下冲击波和船舶结构的流固耦合作用，用公式交待了能量的传递过程。论述了冲击波如何在船舶结构及设备中传播，并给出了冲击响应的计算方法，并以一个计算实例说明了轴系的组成，以及计算的过程与结果分析。
　　 (2)研究了船舶推进轴系的抗冲击响应性能。建立了船舶轴系的抗冲击模型，并计算得到了轴系的冲击值。探讨了轴系的冲击环境、轴承刚度、轴系转速、螺旋桨推力对其抗冲击性能的影响作用。结果表明:轴系的冲击环境和轴承刚度对轴系抗冲击性能影响较大，轴系转速和螺旋桨推力对轴系抗冲击性能影响相对较小。
　　 (3)建立了船舶尾轴承的三维实体模型，基于频域分析和时域分析的两种抗冲击分析方法，探讨了冲击激励谱作用下轴承的抗冲击响应，研究了水润滑轴承的有限元模型建立问题，并利用ANSYS和ADINA软件计算出了相应的位移和应变值。同时，模拟了船舶尾轴承在受到水下非接触爆炸的情况下，结构的响应数值，提供了一种基于有限元软件计算接触爆炸的思路，为试验的校准，设备的研制、考核提供了一种计算方法。

目录

声明

摘要

目次

第1章 绪论

1．1 本课题研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 船舶抗冲击研究的主要研究内容

1．2．2 船舶设备冲击响应计算分析方法

1．2．3 国内外研究的不足

1．3 本课题的主要研究内容

第2章 船舶推进轴系抗冲击理论

2．1 水下爆炸理论

2．1．1 水下爆炸冲击波

2．1．2 水下爆炸气泡脉动

2．2 水下非接触爆炸船舶设备结构流固耦合理论

2．3 冲击波在船舶结构中的传播

2．4 推进轴系抗冲击分析

2．4．1 推进轴系抗冲击有限元模型

2．4．2 冲击环境

2．4．3 结果分析

2．5 本章小结

第3章 轴系抗冲击分析研究

3．1 冲击环境

3．2 轴承刚度

3．3 轴系转速

3．4 螺旋桨推力

3．5 本章小节

第4章 船舶尾轴承抗冲击分析

4．1 尾轴承频域分析

4．1．1 建立模型

4．1．2 模态解

4．1．3 冲击谱计算

4．1．4 结果分析

4．2 尾轴承时域分析

4．2．1 建立尾轴承有限元模型

4．2．2 边界条件施加

4．2．3 抗冲击结果分析

4．2．4 时、频域分析结果分析

4．3 水下爆炸载荷作用对轴承的冲击数值仿真

4．3．1 有限元模型

4．3．2 物质模型

4．3．3 计算结果

4．3．4 结论

4．4 本章小结

第5章 结论和展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加的科研项目