可倾轴系与船体耦合下的冲击响应和损伤研究

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船舶推进轴系是船舶动力装置的主要部分之一,其工作性能的优劣以及稳定性直接影响到了船舶的安全性,同时也是与船舶生命力和强度密切联系。在科技飞速发展的环境下,对于船舶推进轴系的工作性能要求愈来愈高,同时其构件也越来越复杂,所以,需要针对轴系的动态响应特征加以分析,一方面在满足轴系能够平稳工作的同时,另一方面也要确保船舶具有一定的稳定性和抗冲击性能。所以本文基于传统的船舶推进轴系系统,对推进轴系用万向联轴节进行改造,设计出一种可调倾角的特殊传动机构。本文首先利用SOLIDWORK软件建立不同倾斜角度推进轴系和不同轴承数量推进轴系,随后利用MATLAB软件模拟推进轴系角度的变化对其运动的影响,再通过ANSYS软件分析船舶可倾推进轴系的固有频率、抗冲击能力、损伤裂纹识别以及船舶碰撞时对船体-推进轴系的耦合振动影响和推进轴系在碰撞过程中的动力学响应以及振幅大小,经数据分析和模拟仿真主要得到以下结论:(1)通过建立的推进轴系模型,利用MATLAB软件进行不同角度的轴系模拟,得到了推进轴系保持正常运行的前提是在工作时维持小倾斜角度;随后为了进一步探究角度对轴系的影响程度,利用ANSYS软件对不同倾斜角度和不同轴承数量的轴系进行模态分析和静力学分析,得到各阶频率的激励下的不同振型,随后利用谐响应分析找出不同倾斜角度和不同轴承数量的推进轴系振幅与频率激励的关系,得到大倾斜角度的推进轴系在外界频率的激励下产生的振幅要大于小倾斜角度推进轴系和多轴承推进轴系;随后基于模态分析,利用可倾推进轴系最核心的结构联轴节叉,模拟此处的不同裂纹程度以及裂纹位置,来提供一种快速识别损伤和快速定位损伤位置的方法,使研究人员再推进轴系实际运行过程中可以实时、快速以及方便找到损伤处并且避免发生事故。(2)基于模态分析得到的模态质量和模态频率,利用谱分析法来研究冲击荷载对不同倾斜程度和不同轴承数量可倾推进轴系的影响,船舶推进轴系受到外界冲击载荷的作用下,螺旋桨和联轴节处受到的影响最大,中间轴受到影响相对较小;大倾斜角度推进轴系产生的振幅和应力要大于小倾斜角度推进轴系产生的振幅和应力,而且不同方向上对轴系各部件的振幅影响和应力影响都不一样,其中横向冲击和垂向影响最大;随后基于频率改变损伤识别理论,建立了全局损伤推进轴系模型,并且施加正弦荷载,来研究不同裂纹位置和不同裂纹深度对轴系的影响。(3)在LS-DYNA软件中模拟船舶的碰撞,得到不同撞击速度、轴系不同安装位置以及不同船体结构厚度等工况下可倾推进轴系的动力学特性。结果表明:船体会随着外界撞击速度和轴系转速的提升从而变形程度和变形响应速度都有所增加;随后,研究推进轴系在受到外界撞击时,随着外界撞击速度的不断提升,推进轴系各部件的振幅和应力大小也在逐渐提升,其中影响最明显的是螺旋桨和联轴节且可倾推进轴系在碰撞过程中可以调整能量传递,缓解一部分冲击能量,从而使得振幅降低,起到保护推进轴系的作用;在轴系不同安装的影响下,可以得到靠近撞击侧的推进轴系产生的振幅要大于远离撞击侧的推进轴系,所有轴系安装位置也必须进行考虑,最大限度的避免发生直接碰撞事故;通过不同舱壁厚度进行比较,结果表明适当的增加船体结构厚度有利于对推进轴系的保护,保持船舶的安全运行,并且可倾推进轴系在碰撞过程中可以调整振幅,从而起到保护推进轴系的作用。
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