大型船舶推进轴系-柔性基座耦合功率流传递特性及校中优化方法研究

The big aspect ratio shafting system of large marines is for the study in the project. The power flow theory is applied to research the ship propulsion shafting journal-bearing-base coupling system energy transfer characteristics and to study the interaction mechanism of various support bearings, the research involves three aspects: 1)The large marine propulsion shafting "journal-bearing-flexible base" continuous power flow transmission subsystem nonlinear coupling mechanism; 2)large marines big aspect ratio shafting vibration (the torsional vibration, the whirling vibration, the longitudinal vibration and the coupling vibration) power flow analysis; 3)The "Energy Shaft Alignment" optimization methods based on the shaft power flow theory. The power flow transmission characteristics of the shaft-base will be basic scientific research, aimed at considering shafting-the dynamic factors of coupling between the base, bearing oil film stiffness and damping, hull deformation on the shaft alignment, to reveal the large marines large aspect ratio shafting based on the theory of energy transfer, absorption and loss power flow mechanisms, to explore bearing vertical offset, bearing inclination, axial deformation, journal-bearing lubrication conditions and other factors affecting marine propulsion shafting, to evaluate and optimize the parameters of shafting alignment, to propose the concept of energy shafting alignment based on power flow theory and to construction of the optimization method of shafting alignment, thereby laying the foundation for the theory and technique of dynamic alignment optimization for large marines.

本项目以大型船舶大长径比轴系为研究对象，将功率流理论应用于船舶推进轴系-柔性基座耦合系统能量传递特性及各个支承轴承的相互作用机理的研究，包括三个方面内容：1）大型船舶推进轴系“轴颈-轴承-柔性基座”连续子系统非线性耦合功率流传递机理；2）大型船舶大长径比轴系振动（扭转振动、回旋振动、纵向振动及耦合振动）功率流特性分析；3）基于功率流理论的轴系“能量校中”优化方法。旨在综合考虑轴系-柔性基座耦合关系、轴承垂直偏移、轴承油膜刚度与阻尼、轴系振动等动态因素对轴系校中的影响，揭示大型船舶大长径比轴系基于功率流理论的能量传递、吸收与损耗机理，评估与优化轴系校中参数，提出基于功率流理论的“能量校中”的概念，构建校中优化方法，从而为大型船舶动态校中优化奠定理论和技术基础。

随着船舶向大型化、高速化方向发展以及新一代巨型超级油船VLCC和超大型油船ULCC的出现，船舶的大型化和高速化增加了船舶轴系静态与动态影响因素的复杂性。船舶是一个变形体，推进轴系支承在一个大的“弹性体”上，其运行受船体弹性变形的影响。船舶推进轴系是一个复杂的超静定结构，轴系的刚性增加，船体的柔性增大，一方面随着船体刚度的降低，轴系支承轴承的位移随不同工况的变化愈加明显；另一方面，轴系刚度的增加使轴系对支承轴承偏离初始位置的变化适应逐渐减弱。船舶推进系统的“轴颈-轴承-柔性基座”子系统是一个复杂的质量-弹簧-阻尼非线性耦合系统。轴系中各个轴承的负荷与位移变化相互影响，各轴承的油膜刚度和阻尼随轴承的负荷及轴颈与轴承的相对位置而发生变化。.本课题以大型船舶大长径比轴系为研究对象，从能量的角度，综合力和速度这两个参数，将功率流理论应用于大型船舶推进系统的“轴颈-轴承-柔性基座”耦合系统，对大型船舶大长径比轴系进行深入系统的研究。研究了船舶推进轴系“轴颈-轴承-柔性基座”子系统非线性耦合功率流传递、耗散、吸收机理，建立了船舶推进轴系“轴颈-轴承-柔性基座”垂向耦合数学模型，通过理论分析与实验验证，揭示了柔性基座与支承轴系的耦合形式。对大型船舶大长径比轴系振动（扭转振动、回旋振动、纵向振动及其耦合振动）功率流特性进行了分析，揭示了功率流分布特征。研究了不同工况下的轴系功率流传递机理，建立了数学模型和动态控制方程。研究了理想支承工况下、支承轴承强制位移下轴系振动功率流特性，研究了轴承支承偏差引起的预载荷对轴系振动功率流特性的影响。将轴系“轴颈-轴承-柔性基座”子系统非线性耦合功率流特性及轴系振动功率流传递机理应用于轴系校中，提出基于功率流理论的轴系“能量校中”优化方法。由轴承刚度矩阵校中模型扩展为轴承功率流矩阵校中模型，计算影响轴系校中状态的动态因素，构建校中优化理论，从而为大型船舶轴系设计及动态校中优化奠定理论和技术基础，有重要的理论意义和较高的工程实用价值。