具有轴向推力和弯矩作用下的轴系的校中分析

具有轴向推力和弯矩作用下的轴系的校中分析摘要船舶轴系作为船舶的重要组成部分，在船舶的建造过程中，轴系校中是极为重要的环节。

随着船舶大型化及推进效率的更高要求，船舶轴系校中的研究和应用，具有更加现实的意义。

为此，本文针对某一具体的船舶轴系，采用了力法、三弯矩法和有限元方法对其作了详细的校中分析，并给出了轴系简化处理方法、计算简图和实际参数，同时比较了各种方法的优劣，包括计算量及计算精度等。

在第四章中利用工程分析软件ANSYS做了静力学分析，给出了船舶推进轴系的受力变形图，支座反力及固支端弯矩。

文章最后是结构的优化设计工作，通过改变轴系的受力情况，使得轴系的稳定性与安全性得到极大的提高。

【关键词】船舶轴系轴系校中三弯矩法有限元方法优化设计【论文类型】应用型NO: 2012-Title: Alignment of the shaft with axial thrust and bending moment Major: Engineering MechanicsName: Wang Gang Signature: Supervisor: Li Ming Signature:ABSTRACTShip shaft is the only parts to transfer host power and make the ship sailing, as an important part of the ship, in the process of ship building, shaft alignment is a very important link. The quality of ship shaft, will directly related to the long-term operation and safety of the ship and of course the life safety of the crew. As the ship that built later will become larger and the higher requirements of efficiency, alignment of the shipping shaft system , will have more realistic significance.In this paper, for a specific ship shaft, the force method, finite element method and three bending moment method which is detailed in shaft alignment, and gives the method to simplify shaft, calculation diagram and practical parameters, at the same time, by using the engineering analysis software ANSYS do the analysis. The final, optimization of the structure design makes the stress of the shaft is more reasonable.【Key Words】shipping shaft system shaft alignment three-bending moment method finite element method optimal design【Type of Thesis】Application Research摘要 (1)ABSTRACT (2)1 绪论 (6)1.1 研究的背景及意义 (6)1.1.1引言 (6)1.1.2 船舶轴系校中的目的及方法 (7)1.2 国内外的研究现状 (8)1.3 本文的主要内容 (10)2 船舶轴系力学模型的建立、简化及理论分析 (11)2.1 力学模型的建立 (11)2.1.1 模型的简化 (11)2.1.2 某实际船型相关参数及尺寸 (12)2.1.3 载荷及约束 (13)2.1.4 坐标系定义 (13)2.1.5 简化后的力学模型 (14)2.2 力法在船舶轴系校中方面的应用 (14)2.2.1 力法简介 (14)2.2.2 力法的理论分析 (15)2.3 三弯矩方法在船舶轴系校中方面的应用 (18)2.3.1 三弯矩方法简介 (18)2.3.2 力学模型的建立 (18)2.3.3 理论分析 (19)2.3 力矩分配法法在船舶轴系校中方面的应用 (21)2.3.1 力矩分配法简介 (21)2.3.2 力矩分配法解析 (21)2.4 小结 (22)3 工程软件的数值分析 (24)3.1 有限元方法 (24)3.1.1有限元法的概念、应用领域及优点 (24)3.1.2 有限元法分析过程 (26)3.2 ANSYS结构分析 (26)3.4 小结 (28)4 轴系结构的优化....................... 错误！未定义书签。

4.1 结构优化的含义及发展 (30)4.2 优化结构的模型建立 (30)4.4 总结 (32)5 总结与展望 (33)5.1总结 (33)5.2 展望 (34)致谢................................... 错误！未定义书签。

1 绪论在船舶的建造过程中，世界各大船厂都多次出现过轴系校中的问题，导致轴承高温、振动过大甚至造成轴承、轴颈损坏的恶性事故。

究其原因，有计算模型建立过程考虑不周，也有别的一些影响因素：支座刚度、船体变形、轴系振动等。

所以说船舶轴系的合理校中对于整个船舶来说显得尤为重要[1]。

1.1 研究的背景及意义1.1.1引言船舶轴系是唯一传递主机动力，使船舶航行的系统组装部件。

船舶推进轴系是在推进装置中从发动机（机组）的输出法兰到推器之间以传动轴为主的一整套设备，主要由用来传递主机功率的传动轴（中间轴、推力轴、螺旋桨轴或尾轴）、支撑部件（推力轴承、中间轴承及尾管内的尾轴承）、轴系附体（用于连接传动轴的联轴器；联轴器外缘上安装的制动器；艉密闭装置等）及其它附件组成[2]。

在其运转的过程中船舶轴系承受着复杂的应力和载荷，主要有：螺旋桨的扭矩和它所产生的扭应力、螺旋桨的推力及压应力、轴系安装时的误差或船体变形（遭受碰撞）时所引起的附加载荷等。

船舶轴系的结构较为简单，但作用十分重大。

其基本任务是：连接主机（机组）与螺旋桨，将主机输出的功率传递给螺旋桨，同时有奖螺旋桨所产生的推力通过推力轴承传给船体，以实现推进船舶的使命。

由此可见螺旋桨是否持续正常运转，在很大程度上决定于轴系工作的可靠性。

因此轴系校中的质量，不仅直接影响到船舶的安全、性能和使用寿命，而且也直接影响船舶运行的经济效益。

因此，如果轴系校中计算有误或者校中的方法不合理，将会导致轴承负荷分配不均，进而引起轴承的超负荷，使得轴承过度磨损，甚至造成轴系开裂。

随着船舶大型化、高速化，以及人们对于船舶安全性、舒适性的更高要求，使得船舶轴系校中的研究和应用，有着极其重要的现实意义。

1.1.2 船舶轴系校中的目的及方法轴系校中即按照某种特定的计算要求和方法，将轴系安装成某种状态，使得轴系在这种状态下，轴承的负载以及各轴段的内的应力均在规范所允许的范围内，从而保证轴系能够持续稳定的工作。

在船舶的建造过程中，轴系校中的方法可谓是多种多样，按其基本理论来划分大致可分为三种：按直线性校中原理、按轴承上许负载荷原理、按轴承上合理负载校中原理。

其中合理校中原理是轴系安装所普遍采用的办法，它是通过计算来确定各个轴承间的合理尺寸，以此将支持螺旋桨的艉管后轴承的荷载减为最小，把轴承的负载限制在一定的范围内，同时也要把轴承的弯曲应力限制在所允许的范围内。

这样作为唯一传递主机动力的机构，船舶轴系便可以保证稳定的运行，而且与之相连接发动机和齿轮箱也不会因轴系校中的质量而受到有害影响。

轴系的合理校中又分为：静态校中、动态校中、运转状态校中。

本文的主要内容是船舶轴系的静态校中。

在船舶设计建造的过程中，轴系校中的计算方法有很多，常用的方法有三弯矩法（一种简洁、高效的用来解决连续梁超静定问题的方法）、力矩分配法（以位移法为基础，逐次渐近地求解结构刚结点力矩的一种数值方法）、有限元法（一种将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合，以求解连续体力学问题的数值方法）、力法、传递力矩法等。

每种方法都具有各自的侧重点，例如计算精度、计算速度等。

随着计算机技术的发展，各种工程分析软件（ANSYS、Cfdesiqn）也都可以用于船舶轴系的校中计算，使得计算精度有了很大程度的提高，满足了实际应用的要求。

1.2 国内外的研究现状随着航海科学技术的进步，船舶向着大型化、专业化、高速化、自动化的方向发展。

人们对于船舶更高的要求使得一些有关船舶轴系校中的研究越来越受重视。

从上个世纪60年代起，国外便开始了轴系动态校中技术的研究。

一些研究机构和船级社在船舶轴系校中方面做了大量的工作，并提出了适合于各类船舶推进轴系校中的计算模型和计算方法。

我国对于船舶轴系校中的研究起步较晚，在80年代才开始进行船舶轴系校中方面的研究。

经历了直线校中，曲线校中，再到后来的合理校中。

在船舶轴系校中的理论方面我们已经可以和发达国家相比，然而将技术转化为实际应用的却不多。

最初的轴系校中一般采用直线对中的方式，就是将各轴的中心线尽量布置在一条直线上。

它的工艺比较简单，但轴系中各轴承的负荷往往成不合理分配。

由于直线对中存在不足，于是人们在轴系校中的过程中，就试图根据轴承的允荷来进行分析，它是根据轴系的特点，确定各轴承上负荷的允许范围，在校中过通过调节轴承的位置，使各轴承上的实际负荷都处在允许范围之内。

由于只考虑到上的负荷，没有考虑到其它的约束问题，如轴的弯曲应力、主机输出法兰的弯矩和以及轴承允许的最大变位等等，因此这一方法还存在一定的缺陷。

上个世纪五十年代中期以来，国外开始研究平顺曲线校中理论，将轴系看成是由多个支承的柔性梁，同时轴承位置可以在竖直方向进行调节，平顺曲线校中理论就是基一假定而提出的，在此基础上，人们入优化计算方法，按照顺曲线轴系校中原理，通过调整轴承在竖直方向上的位置成了现在的合理校中(又称最佳校中)计算方法，经过几十年的研究与实践，合理校中引起了人们的广泛重视，并在船舶轴系的校中过程中得到了普遍的应用[3-4]。

随着船舶逐渐向高速、重载化发展，船舶航行的动态性能越来越受到人们的传统的推进系统静态校中技术已不能满足轴系安全运行的需要，在轴系合理校中的上，船舶界又在进行轴系动态校中技术的研究。