摘 要

船舶轴系是船舶动力装置中最重要的结构之一，它的作用十分重要。船舶轴系能否可靠地运转，不仅取决于轴系的结构材料、设计和制造，更重要的是取决于轴系的安装和校中质量。轴系校中是按照一定的原理和方法，将轴系布置成某种曲线状态，使各轴承上的负荷，各轴段的应力、弯矩、转角等的参数值尽可能比较合理且保持在允许的范围内，从而保证轴系能够安全、可靠地运转。本文以某海上救助船轴系为对象，应用有限元法和三弯矩法进行静力学、动力学模拟分析计算，研究各轴承上的支反力，以及轴系固有频率、振型与轴承变位优化等。

论文主要工作及结论如下：

（1）分析了船舶轴系的基本结构、要求和工作原理，根据海上救助船左舷轴系相关结构尺寸，建立了轴系梁单元有限元模型。

（2）对轴系有限元模型进行静力学分析，求解了轴系各轴承的支反力，并与三弯矩法计算结果进行对比，结果表明两者数值比较吻合。并分析了后尾轴承的接触压力和变形情况。

（3）对轴系有限元模型进行了模态分析，求得轴系的固有频率与振型。结果发现轴系的一阶固有频率远高于轴系运转频率，由此可见在轴系转速范围内不会发生共振。

（4）为了保证各轴承负荷均匀，对主要轴承进行了变位调整，计算结果表明，变位后的轴承负荷得到了优化。

关键词：轴系校中；有限元模型；轴承支反力；模态分析

Abstract

Ship shaft is one of the most important of component of power plant. The reliable operation of ship shafting not only depends on the structure of materials, design and manufacture of shafting, but also on the installation and alignment quality of the shaft more importantly,. Shafting alignment is aimed to arrange the shafting into some curve state, according to certain principles and methods, and to make the load on each bearing, and the stress, moment, and bending angle of each axis segment more reasonable value and within the allowed range, so as to ensure shafting safe and reliable operation. In this paper, the sea rescue ships axis system was taken as an object to study the dynamic simulation analysis and calculation and research the reaction force on each bearing and shaft natural frequency, mode shape and bearing displacement optimization by using finite element method and three-moment method,.

The main research work and obtained the study results are as follows:

(1) The basic structure of the ship shafting, requirements and works were analyzed, and a shaft beam element finite element model was established according to the relevant structure size of the port shafting of the sea rescue ships,.

(2) The static analysis of the shafting finite element model was analyzed, the reaction forces of each bearing was solved and the results were compared with three - moment method. The results show good agreement between the two values. And the rear stern bearing's contact pressure and deformation was analyzed.

(3) Shaft finite element model for modal analysis was analyzed, and shafting natural frequency and vibration mode determined. It was found that the first order natural frequency is much higher than the rotary operation frequency of the shafting, and the resonance within the shaft speed range can't be occur .

(4) In order to ensure uniform load of each bearing, the displacement of main bearings was adjusted. The results show that bearing load has been optimized due to displacement .

Key words: shafting alignment; finite element model; bearing reaction forces; modal analysis

目 录

第一章 绪论 1

1.1 轴系校中的研究背景及意义 1

1.2 轴系校中国内外研究发展现状 2

1.2.1 轴系校中的必要性 2

1.2.2 轴系校中方法的发展历程 2

1.2.3 不断完善的轴系校中方法 2

1.2.4 国外研究现状 4

1.2.5 国内研究现状 4

1.3 研究内容 7

1.4 本章小结 7

第二章 轴系静力学分析 8

2.1 轴系 8

2.1.1 轴系介绍 8

2.1.2 轴系设计和安装 9

2.2 船舶轴系校中简介 9

2.2 轴系有限元模型 11

2.2.1 ANSYS/Workbench有限元软件介绍 11

2.2.2 某船轴系有限元建模思想及有限元模型 12

2.3 某船轴系模型计算分析 16

2.3.1 各轴承支反力的对比 16

2.3.2 螺旋桨轴承的比压 17

2.3.3 后尾轴承压力和变形 18

2.4 本章小结 20

第三章 轴系模态分析 21

3.1 模态分析介绍 21

3.2 轴系模态分析有限元模型及结果 22

3.3 本章小结 24

第四章 轴系布置优化 25

4.1 轴系校中结果 25

4.2 轴承负荷影响系数 25

4.3 本章小结 27

第五章 结论与展望 29

5.1 结 论 29

5.2 展 望 29

参考文献 30

致 谢 31

第一章 绪论

1.1 轴系校中的研究背景及意义

船舶轴系校中质量的好坏，直接影响到轴系能否长期正常的运转。最初使用的轴系校中方法是直线校中法，进行轴系校中的时候应尽可能将尾轴、中间轴、推力轴和发动机轴排成一条直线，以尽可能保证轴系在基本无弯曲的状态下运转，这就是所谓的直线校中原理。虽然直线校中方法简便易行，在中小型船舶建造中仍有应用，但该方法所规定的偏中值没有科学依据，所校中的轴系不符合实际运转情况，难以保证各轴承负荷均匀，导致轴承使用性能的可靠性受到影响。后来人们认识到轴系在工作时并不是直线状态，因此发明了按轴承上允许负荷校中的原理来进行轴系校中。按这种原理校中的轴系，其轴系轴线不是直线状态而是曲线状态，这样安装可以保证轴系各轴承上的负荷在允许范围内，不会出现轴承超负荷现象。因此，负荷校中方法比直线校中方法合理，因为根据负荷校中方法所确定的轴系轴线状态与轴系工作状况相吻合。但其计算方法尚不完善、不严格，尤其是短轴系的计算更为复杂，无法保证各轴承的负荷均匀，会使某些轴承空负荷或低负荷，影响轴系的整体运转性能。自20世纪60年代以来，国外船舶普遍开始采用合理校中技术进行轴系校中。近几十年来，我国的造船行业已广泛使用合理校中技术进行船舶的轴系校中，大大地改善了船舶轴系各轴承的负荷分配状况^[1]。由于船舶轴系的工作状态是船舶在水中航行时的运转状态，部分轴系可能长期处于水下，如螺旋桨轴承、尾管前后尾轴承等，所以轴系校中的最终目的是保证处于运转状态的轴系在承受动态载荷时仍然能够安全、可靠地工作^[2]。因此，考虑各种动态载荷作用下轴系运行情况的动态校中分析与计算已经成为一个重要的发展趋势。一般的轴系校中方法都没有计入轴系动态因素的影响，因而使理论计算结果与实际情况之间存在一定的差距。当前，虽然人们已经开始就动态因素对轴系校中的影响进行了研究，即对轴系进行动态优化设计，但是尚处于起步阶段，难以全面考虑所有因素的影响，导致该研究在目前并没有取得很大的成果。随着船舶行业对船舶航行速度及安全性要求的不断提高，全面考虑动态因素对船舶轴系校中计算的影响已经成为当前急需解决的重要课题^[3]。如果该课题能够取得突破性的进展，必将促进船舶轴系校中方法的完善以及技术水平的提高，对整个船舶领域产生深远的影响。

1.2 轴系校中国内外研究发展现状

1.2.1 轴系校中的必要性

船舶轴系校中的质量，对于确保轴系能够长期安全正常的运转和缩短船舶修造周期具有重要的影响，也是船舶正常航行的关键。对船舶进行轴系校中计算，目前国内外比较通用的方法是对轴系相关的要素进行处理，建立轴系的物理模型，按照规定的轴承负荷、应力、转角等限制条件，确定轴系中各轴承的合理位置，将轴系安装成规定的曲线状态，以保证各个轴承上的负荷合理分配，避免个别轴承出现空负荷或者超负荷状况。合理、正确的轴系校中能够保障轴系长期正常的运转，相反，如果轴系校中方法不合理或不正确，将会得到错误的轴系校中结果，最终会导致轴系出现致命问题，轴系不能正常运转，出现烧瓦事故，瘫痪轴系的动力传输，从而危及到船员和船舶的安全^[4,5]。