一种船舶推进轴系校中计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种船舶推进轴系校中计算方法。该方法首先计算推进轴系在直线校中状态下各支承的负荷以及负荷影响系数；选择各油润滑轴承的径向变位值作为设计变量；定义二个优化目标函数，其一为同类型或相邻支承负荷的标准方差最小，其二为后轴架轴承的支反力最小；定义推进轴系在设计、强度、应力和几何特征等多方面的限制条件，构成可行解域空间；最后，基于多目标优化方法求解支承最佳径向变位值。本发明改进了现有技术在船舶推进轴系校中时仅考虑单一的优化目标以及采用多目标优化求解中的不足，提高了推进轴系校中多目标优化计算的合理性。本发明简单可靠，易于实现，具有实用性。
【专利说明】一种船舶推进轴系校中计算方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及船舶推进系统【技术领域】，具体属于一种船舶推进轴系校中计算方法。
[0003]
【背景技术】
[0004]推进轴系是船舶推进系统的重要组成部分，直接影响到推进系统运行和船舶航行的安全性和可靠性。校中质量不好的推进轴系会造成轴承磨损加剧，严重时甚至会造成轴承摩擦副烧结、尾管密封元件泄漏、船体尾部振动增大等。优良的轴系校中应使轴承负载均衡、轴截面应力分布合理、轴系挠度及转角控制兼优，因此需要应用多目标优化的思想开展轴系校中设计。
[0005]推进轴系的校中问题最终是以轴承变位的形式出现，因此如何确定轴承的变位将直接影响校中的结果。在轴系合理校中时，工程人员往往根据经验和轴承负荷影响系数初步给定各轴承的变位值，然后进行计算，当结果不满足要求时，则需要调整变位值再进行计算。这种方法费时长，而且试凑的结果往往也不能达到最优的校中效果。近年来，计算机技术的发展推动了优化设计方法的进步，并正逐步取代传统设计方法。机械优化设计是以数学规划为理论基础、以计算机为工具来寻求最佳机械设计方案的现代设计方法，包括建立数学模型和选择恰当的优化设计算法。
[0006]针对船舶推进轴系校中的优化设计，国内外研究者开展了相应的研究。文献[1-3](卢熹，静波.船舶柴油机轴系合理校中自动搜索的研究[J].中国造船，1997, 38(2):71-76 ；J.D.Reeves, N.Vlahopoulos.0ptimized alignment of a USCGpolar class icebreaker wing shaft using a distributed bearing finite-elementmodel [J].Marine Technology, 1999, 36(4): 238-247 ;周瑞平.超大型船舶推进轴系校中理论研究[D].武汉:武汉理工大学，2005)利用最优化方法确定轴承的最佳变位值，以使后尾轴承承受的支反力最小。这些方法均采用单一的优化目标，而对于轴系的合理校中，还需要考虑更多的优化目标，比如轴承承载的均衡性。文献[4](卢熹，陈之炎.多维空间网格划分在船舶轴系合理校中的应用[J].船舶力学，2002，6(5): 66-69)提出了一种轴系多目标优化计算方法，通过在可行解域空间内划分网格，然后计算每个网格点的结果并进行综合比较以得到最优解，其存在的问题在于:网格划分如果过大，则计算成本过高；网格划分如果过小，则不能求得最优的校中计算结果。
[0007]
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种船舶推进轴系校中计算方法，以期获得优化的船舶推进轴系校中结果，为推进轴系的优化设计提供支撑。
[0009]本发明是通过以下的技术方案实现的，一种船舶推进轴系校中计算方法，包括如下步骤:
步骤一、计算推进轴系在直线校中状态下各支承的负荷以及负荷影响系数；
步骤二、选择优化设计变量；
步骤三、定义优化目标函数；
步骤四、定义优化限制条件；
步骤五、基于多目标优化方法求解最佳支承径向变位值。
[0010]所述的步骤一中，计算推进轴系在直线校中状态下各支承的负荷以及负荷影响系数，包括以下步骤:
1、将推进轴系简化为一个具有多个支承的变截面连续梁系统，并且承受横向载荷和弯矩的作用；
2、基于推进轴系简化模型，计算直线校中状态下各支承的负荷以及负荷影响系数。
[0011]所述的步骤三中，定义优化目标函数，包括以下步骤:
1、定义轴承负荷均衡性优化目标函数；
2、定义后轴架轴承负荷优化目标函数。
[0012]所述的步骤四中，定义优化限制条件，包括以下步骤:
1、定义轴承负荷约束；
2、定义轴段弯曲应力约束；
3、定义轴段安全系数约束；
4、定义螺旋桨下沉角约束；
5、定义主机输出端法兰处剪力和弯矩约束。
[0013]本发明提供的一种船舶推进轴系校中计算方法优化目标明确、约束条件充分、运算简便且易于实现，解决了船舶推进轴系校中计算中的多目标优化求解问题。
[0014]
【专利附图】
【附图说明】
[0015]以下将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0016]图1为本发明方法的计算流程图。
[0017]图2为本发明一个实施例的推进轴系布置图。
[0018]图3为推进轴系直线校中计算结果。
[0019]图4为推进轴系多目标优化校中计算结果。
[0020]
【具体实施方式】
[0021]以下将结合附图和一个具体实施例对本发明作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0022]如图1、2、3和4所示，本发明的具体方法步骤如下:
第一步:计算推进轴系在直线校中状态下各支承的负荷以及负荷影响系数Ia.将推进轴系简化为一个具有多个支承的变截面连续梁系统，并且承受横向载荷和弯矩的作用本实施例中，推进轴系布置情况如图2所示。该套轴系全长44.615m,由推进器轴、尾轴和中间轴组成。沿轴向共布置7只轴承，其中包括3只水润滑轴承(编号f 3)和4只油润滑轴承(编号4~7，其中4飞为中间轴承，6~7号为推力轴承带的两个径向支承)。推进轴系首端与齿轮箱的大齿轮输出端相连，额定工况下的螺旋桨转速约217r/min，推力大小约500kN。
[0023]lb.基于推进轴系简化模型，计算直线校中状态下各支承的负荷以及负荷影响系数
本实施例中，采用有限元法计算直线校中状态下各支承的负荷Ao以及负荷影响系数G7，每一轴承的负荷影响系数定义为其在径向变位一个单位高度(通常以0.1mm为一个单位高度)时，所造成该轴承及其他轴承的负荷变化量。
[0024]表1列出了各支承的负荷以及比压的计算结果，其中6~7号支承的润滑方式为强制润滑，表1未对其比压进行考核。表2列出了各轴承的负荷影响系数，图3为轴系在直线校中状态下各截面处的挠度以及轴承负荷柱状图。
[0025]表1直线校中计算结果
【权利要求】
1.一种船舶推进轴系校中计算方法，其特征在于包括以下步骤: (a)计算推进轴系在直线校中状态下各支承的负荷以及负荷影响系数； (b)选择优化设计变量； (C)定义优化目标函数； (d)定义优化限制条件； (e)基于多目标优化方法求解最佳支承径向变位值。
2.根据权利要求1所述的船舶推进轴系校中计算方法，其特征在于:所述步骤l_a)中，计算推进轴系在直线校中状态下各支承的负荷以及负荷影响系数包括以下步骤: (a)将推进轴系简化为一个具有多个支承的变截面连续梁系统，并且承受横向载荷和弯矩的作用基于推进轴系简化模型； (b)计算直线校中状态下各支承的负荷以及负荷影响系数。
3.根据权利要求1所述的船舶推进轴系校中计算方法，其特征在于:所述步骤Ι-c)中，定义优化目标函数包括以下步骤: Ca)定义轴承负荷均衡性优化目标函数； (b)定义后轴架轴承负荷优化目标函数。
4.根据权利要求1所述的船舶推进轴系校中计算方法，其特征在于:所述步骤Ι-d)中，定义优化限制条件包括以下步骤: Ca)定义轴承负荷约束； (b)定义轴段弯曲应力约束； (C)定义轴段安全系数约束； (d)定义螺旋桨下沉角约束； Ce)定义主机输出端法兰处剪力和弯矩约束。
5.根据权利要求1所述的船舶推进轴系校中计算方法，其特征在于:所述步骤Ι-e)中，所述的多目标优化方法是指用于求解带有约束条件的多目标优化问题的方法和程序。
【文档编号】G06F17/50GK103810305SQ201210439260
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月7日 优先权日:2012年11月7日
【发明者】周瑞, 杨义顺, 管文生, 赵辉, 牛茂升, 高一民, 龙俊 申请人:中国舰船研究设计中心