舰船用后艉滑动轴承载荷研究及载荷谱的建立

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舰船在实际航行时,由于风浪的影响从而发生摇摆,其纵摇最高可达±30°,横摇最高可达±45°。当舰船摇摆时,附连在船上的轴系也会产生摇摆运动,导致轴系中的后艉滑动轴承承受更加复杂的载荷,而后艉轴承的可靠性对于轴系乃至整个船舶来说都至关重要,所以本文以后艉滑动轴承为研究对象,探究后艉轴承所受载荷,并对后艉轴承载荷谱的建立方法展开研究,最后编制可用于指导轴承设计和模拟试验的载荷谱。本文研究工作如下:首先基于摇摆工况提出了船舶的摆动规律数学模型,将船舶的摇摆规律模型与波浪的形状参数建立联系,由已知的波浪形状参数求解船舶的摇摆规律模型,再由摇摆规律模型求解出摇摆工况下转子所受的惯性力,即由数学模型推导出惯性力的计算公式;采用以速度势根据地面元法计算螺旋桨所受载荷,首先把桨面与尾涡面均分成一系列面元,根据格林公式建立方程,结合Kutta条件,以Newton-Raphson迭代方式得到解,利用Yanagizawa方法确定速度,再由Bernoulli方程计算压力,最后求得桨所受的载荷。采用CFD仿真软件FLUENT对螺旋桨进行数值计算,选取DTMB4119型号螺旋桨作为计算模型,使用坐标转换法并采用三维建模软件Solidworks对桨进行建模。使用滑移网格模型结合VOF方法进行数值计算,在验证了数值计算方法可行性的基础上模拟了不同波浪工况下桨的水动力性能,得到了不同工况下螺旋桨所承受的力及扭矩的数值。利用Solidworks软件建立了轴系的简化模型,基于ABAQUS软件依次对轴系摇摆的各个工况进行了仿真,把推导出的摇摆过程中角位移-时间曲线作为轴系的运动曲线,以此来模拟船舶的摇摆运动,此过程可产生摇摆惯性力,并将已获得的螺旋桨所受载荷施加到轴系上,最后获得后艉轴承所承受的载荷。确定了载荷谱的编制流程,首先利用MATLAB软件将已获得的载荷-时间原始数据经过数据压缩、循环计数得到载荷的均/幅值信息,其中循环计数采用雨流计数法,并分别对均/幅值分布进行假设,对假设的概率密度函数的未知参数进行估计并检验,以此建立均/幅值的概率密度函数、分布函数以及联合概率密度函数。最后分别介绍了二维载荷谱以及一维载荷谱的编制方法,并根据求得的分布函数求解均值的波动中心及幅值的最值,按比值系数法对幅值进行分级,分别建立了舰尾滑动轴承的轴向力、径向力以及扭矩的八级一维载荷谱。
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