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考虑伴流场中螺旋桨水动力的舰船长轴系校中及优化

古铮 刘金林 周瑞平 房诗雨 张荣国 林存明

古铮, 刘金林, 周瑞平, 等. 考虑伴流场中螺旋桨水动力的舰船长轴系校中及优化[J]. 中国舰船研究, 2023, 18(2): 243–250 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02662
引用本文: 古铮, 刘金林, 周瑞平, 等. 考虑伴流场中螺旋桨水动力的舰船长轴系校中及优化[J]. 中国舰船研究, 2023, 18(2): 243–250 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02662
GU Z, LIU J L, ZHOU R P, et al. Long marine shafting alignment and optimization considering propeller hydrodynamic force in wake field[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2023, 18(2): 243–250 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02662
Citation: GU Z, LIU J L, ZHOU R P, et al. Long marine shafting alignment and optimization considering propeller hydrodynamic force in wake field[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2023, 18(2): 243–250 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02662

考虑伴流场中螺旋桨水动力的舰船长轴系校中及优化

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02662
基金项目: 湖北省自然科学基金资助项目(2017CFB584);国防科技基金资助项目(20172B08015,20191C080744);国家自然科学基金重点资助项目(51839005)
详细信息
    作者简介:

    古铮,男,1997年生,硕士生。研究方向:舰船动力装置总体优化设计。E-mail:guzhengzy@126.com

    刘金林,男,1981年生,博士,副教授。研究方向:舰船动力装置总体优化设计。E-mail:jinlingo@126.com

    周瑞平,男,1964年生,博士,教授。研究方向:船舶推进轴系性能优化与振动噪声控制

    通信作者:

    刘金林

  • 中图分类号: U664.2

Long marine shafting alignment and optimization considering propeller hydrodynamic force in wake field

知识共享许可协议
考虑伴流场中螺旋桨水动力的舰船长轴系校中及优化古铮,等创作,采用知识共享署名4.0国际许可协议进行许可。
  • 摘要:   目的  针对计入螺旋桨水动力的舰船轴系校中计算,传统方法通常容易忽略船体伴流场的影响,使得螺旋桨水动力计算的结果与真实值之间存在较大偏差,从而导致轴系校中精度下降。  方法  以某舰船长轴系为对象,建立桨−轴−船一体化有限元模型及其伴流场流域模型,利用CFD数值仿真的叠模方法计算螺旋桨水动力;采用流固耦合法将流体计算结果作用于螺旋桨表面,进行轴系校中计算,并得到螺旋桨水动力对轴系整体挠曲线及各轴承状态参数的影响规律。在此基础上,引入多目标优化算法开展轴系多目标优化校中,来解决轴系末端四套轴承间载荷差值过大的问题。  结果  考虑螺旋桨水动力后,轴系尾部挠度变化减小,越靠近螺旋桨处的轴承其载荷所受影响越大,载荷值随进速系数的增大而减小;对比多目标优化前后的轴系校中状态,轴系各轴承之间的载荷差值明显减小,轴系运行状态得到改善。  结论  所提方法提高了计入螺旋桨水动力的轴系校中计算精度,可为轴系校中质量的提升提供参考。
  • 图  某舰船长轴系布置简图

    Figure  1.  Layout diagram of a long marine shafting

    图  桨−轴−船一体化有限元模型(吃水线以下)

    Figure  2.  Unified finite element model of propeller-shafting-hull system(below waterline)

    图  船体伴流场及螺旋桨附近旋转小流场流域模型

    Figure  3.  Fluid computational domain model of ship's wake and small rotating flow near propeller

    图  流域网格划分结果

    Figure  4.  Meshing results of fluid computational domain

    图  船体伴流场及桨−轴附近流场速度云图

    Figure  5.  Velocity contours of ship's wake and flow near the propeller and shaft

    图  长轴系校中计算简化模型

    Figure  6.  Simplified calculation model for the long marine shafting alignment

    图  直线校中状态下长轴系挠度分布图

    Figure  7.  Deflection distribution diagram of the long marine shafting for linear alignment

    图  流固耦合压力作用于螺旋桨表面

    Figure  8.  Pressure acting on the propeller surface in fluid-structure interaction

    图  附加水动力的长轴系挠度分布图

    Figure  9.  Deflection distribution diagram of the long marine shafting with additional hydrodynamic force

    图  10  轴承载荷随进速系数的变化曲线

    Figure  10.  Variation of bearing loads with advance coefficients

    图  11  长轴系多目标优化校中流程

    Figure  11.  Multi-objective optimization alignment process of long marine shafting

    图  12  优化校中后长轴系挠度分布图

    Figure  12.  Deflection distribution diagram of the long marine shafting after alignment optimization

    表  螺旋桨水动力计算结果

    Table  1.  Computing results of propeller hydrodynamic force

    进速系数J航速VP/(m·s−1)轴向推力fx /kN横向力fz /kN垂向力fy /kN阻力矩(扭矩)Mx /(kN·m)
    0.60.5Vh2 483.47106.66216.662 810.64
    0.80.67Vh1 962.0283.15264.762 337.22
    1.00.83Vh1 465.1871.27314.231 917.61
    1.2Vh897.3182.81397.321 439.73
    1.31.08Vh560.1389.08417.631 150.18
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    表  长轴系各部件载荷及材料属性

    Table  2.  Loads and material properties of each component for the long marine shafting system

    部件载荷形式杨氏模量E/Pa泊松比ν原密度ρ0/(kg·m−3)浮力系数计算密度ρ/(kg·m−3)
    螺旋桨集中1.24×10110.337 5000.876 525.00
    大齿轮集中2.00×10110.307 8507 850.00
    艉轴均布2.00×10110.307 8500.876 859.50
    其余轴段均布2.00×10110.307 8507 850.00
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    表  直线校中状态下各轴承状态参数

    Table  3.  The state parameters of each bearing for linear alignment

    名称挠度/mm转角/rad载荷/kN剪应力/MPa
    后艉轴承−1.84700−3.240 9×10−6368.172.264 9
    前艉轴承−0.921 63−2.134 3×10−5184.471.637 4
    艉轴管轴承−0.582 14−1.156 9×10−6120.630.976 4
    1号中间轴承−0.289 20−1.678 7×10−5148.111.238 2
    2号中间轴承−0.454 401.634 7×10−6130.700.905 1
    3号中间轴承−0.800 389.958 5×10−771.490.745 7
    4号中间轴承−0.886 64−1.056 5×10−692.930.773 1
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    表  考虑螺旋桨水动力后各轴承状态参数

    Table  4.  State parameters of each bearing in consideration of propeller hydrodynamic force

    名称挠度/mm转角/rad载荷/kN剪应力/MPa
    后艉轴承−0.806 263.3291×106159.831.078 90
    前艉轴承−0.740 92−4.867 9×10−6148.440.799 23
    艉轴管轴承−0.465 52−8.122 2×10−697.380.928 69
    1号中间轴承0.008 19−2.694 6×10−6158.121.521 70
    2号中间轴承−0.048 34−1.406 0×10−699.880.831 32
    3号中间轴承−0.010 54−6.081 2×10−6107.090.911 37
    4号中间轴承0.004 69−1.845 4×10−6127.580.844 16
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    表  优化校中后各轴承状态参数

    Table  5.  State parameters of each bearing after alignment optimization

    名称挠度/mm转角/rad载荷/kN剪应力/MPa
    后艉轴承−0.812 201.635 7×10−5160.991.110 20
    前艉轴承−0.772 36−9.703 2×10−6154.710.773 66
    艉轴管轴承−0.655 02−7.128 8×10−6135.160.800 67
    1号中间轴承−0.585 43−7.897 1×10−6132.721.190 00
    2号中间轴承−0.854 27−1.404 9×10−5122.320.923 03
    3号中间轴承−1.214 802.286 5×10−5119.442.237 80
    4号中间轴承−2.198 404.423 5×10−5156.293.813 20
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-29
  • 修回日期:  2022-03-07
  • 网络出版日期:  2023-04-21
  • 刊出日期:  2023-04-28

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