（轮机工程专业论文）超大型船舶推进轴系校中理论研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 内容提要 近年来，随着新一代巨型超级油船v l c c 和超大型油船u l c c 出现，轴系 的刚性增加，船体的柔性增大，使得轴系的校中非常困难，传统的轴系校中方 法难以适应轴系校中的要求，因此，有必要研究适用于超大型船舶轴系校中的 计算方法、测量手段和安装检验准则。作者在查阅国内大量文献资料的基础上， 提出了超大型船舶推进轴系弹性校中的概念，对其理论进行了系统深入地研究， 建立了轴系弹性校中计算模型，在国内率先开发了具有自主知识产权的弹性校 中计算软件，通过在实际中的应用，能满足超大型船舶轴系校中的需要。 论文对超大型船舶推进轴系弹性校中计算理论进行了系统深入地研究。 根据超大型船舶推进轴系设计、安装检验的需要，提出了推进轴系弹性校中的 概念，系统地研究了弹性校中计算的有限元法、传递矩阵法和三弯矩方程法等， 通过改进使三种方法均能适用于超大型船舶推进轴系弹性校中计算的需要。同 时，提出了弹性校中计算是多因素综合计算的结果，对超大型船舶推进轴系校 中衡准应以弹性校中计算的结果为基础。在系统研究弹性校中计算理论的基础 上，基于v i s u a lb a s i c n e t 面向对象的编程工具，开发了具有自主知识产权的超 大型船舶轴系弹性校中计算软件。软件具有界面友好，操作简便，通用性强， 便于二次开发等特点，能满足弹性校中计算的需要。根据流体润滑动力学理 论以及国内外学者所给出的近似计算公式，结合轴系弹性校中计算有限元模型， 提出了一种确定轴系在实际运转过程中艉管轴承支承点位置以及轴心空间位置 的计算方法，有利于准确地确定轴系在实际工作过程中轴系中心线的位置和轴 承支反力；该方法简单易行，也可用于其它轴承支承位置的确定。针对大型船 舶尾管轴承工作特点，基于流体润滑动力学理论，建立了艉管轴承的非线性模 型。讨论了轴承油膜刚度的数值计算方法，建立了艉管轴承的动力润滑模型， 给出了求解油膜压力分布的有限元方法，导出了油膜主要特征参数的计算公式。 根据螺旋桨水动力计算的传统方法一拟定常理论，同时结合螺旋桨设计计算理 论，应用面元法对螺旋桨进行水动力计算，其计算结果与实验结果更接近，计 算精度高，计算方便，能够较好的运用于弹性校中计算中水动力的计算。分 析研究了弹性校中计算最优化方法，建立了弹性校中优化计算模型，并将遗传 算法应用于弹性校中优化计算，根据弹性校中计算的特点，对标准遗传算法进 行了改进，将优选技术、非线性排名选择机制与基于实数编码的遗传算法相结 合，建立了遗传算法优化模型。与标准遗传算法相比，改进后的优化算法具有 武汉理工大学博士学位论文 更高的优化质量和优化效率。根据超大型船舶的主推进装置的特点，提出了 大型低速柴油机曲轴校中计算等效轴段的简化方法，并与有限元数值计算相比 较，误差在允许的范围内，满足弹性校中的需要，从而验证了该方法的正确性， 计算简单可行。探讨了弹性校中情况下轴系的安装检验方法，根据所测轴段 应变，通过建立r i c c a t i 矩阵，迭代试算，检验轴段应力水平和轴承的支反力， 以满足轴系校中的要求。作者认为对超大型船舶推进轴系的安装检验，采用应 变片法更为合适，且可以通过测量对计算所采用的支承刚度进行校核，从而提 高弹性校中计算的精度。 关键词：v l c c ，船舶推进轴系，轴系弹性校中，支承刚度，螺旋桨水动力， 校中衡准 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ea l i g n m e n to ft h ep r o p u l s i o ns h a f ti st h ev i t a lp a r to ft h ed e s i g na n d i n s t a l l a t i o no ft h es h a f t i n g am i s a l i g n m e n to ft h es h a f ti sh i g h l yh a r m f u ls i n c ei tm a y a f f e c tt h ev i b r a t i o nb e h a v i o ra n dt h es t r e n g t ho ft h es h a f t i n g ，o re v e nm o r ed e s t r o yt h e m a i ne n g i n ea n dt h eg e a r b o x e a r l yi nt h e1 9 6 0 s ，t h ef o r e i g ns c h o l a r sd i ds o m e r e s e a r c h e so nt h et h e o r ya n dt h et e s t i n ga n a l y s i so ft h es h a f ta l i g n m e n ta n dg o ts o m e a c h i e v e m e n t s ，w h i c hc a nm e e tt h en e e do ft h ed e s i g no ft h es h i pa tt h a tt i m e b u tw i t h t h ea p p e a r a n c eo ft h en e w l yv e r yl a r g ec m d ec a r r i e r ( v l c c ) a n du l t r a l a r g e c r u d ec a r r i e r ( u l c c ) ，t h eh u l lb e c o m e sr e l a t i v e l ym o r ef l e x i b l ew h e nc o m p a r e d w i t ht h er i g i d i t yo ft h es h a f t i n g ，i tm a d et h ea l i g n m e n th i g h l yd i f f i c u l ta n dc o m p l e x t h i st h et r a d i t i o n a la l i g n m e n tm e t h o dc a n tm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h es h a f t i n g a l i g n m e n ta n ym o r e a sar e s u l t ，t h en e wc a l c u l a t i o nm e t h o d ，t e s t i n gm e a s u r ea n d i n s t a l l a t i o nc h e c k i n gc r i t e r i o no ft h es h a f t i n ga l i g n m e n ta r ew o r t hs t u d y i n gn o w a f t e rs t u d y i n gl o t so ft h el i t e r a t u r e sa b o u tt h ed e s i g n ，m a n u f a c t u r e ，i n s t a l l a t i o n o ft h ep r o p u l s i o ns h a f th o m ea n da b r o a d ，c o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r i n gt h eh u l l d e f l e c t i o n ，p r o p e l l e rd y n a m i cf o r c e ，b e a r i n gr i g i d i t y , o i lf i l mr i g i d i t y , e n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r e ，c r a n k s h a f tm o d e lo ft h em a i ne n g i n ea n ds oo n ，t h ee l a s t i ca l i g n m e n t c a l c u l a t i o nm o d e lo ft h es h a f t i n go ft h eh u g es h i pi se s t a b l i s h e d m e a n w h i l e ，t h e r e l a t i v ec a l c u l a t i o nm e t h o d s ，s u c ha st h ef i n i t ee l e m e n t sm e t h o df f e m ) ，t h et r a n s i t i o n m a t r i xm e t h o da n dt h et h r e eb e n d i n gm o m e n tm e t h o do ft h ee l a s t i ca l i g n m e n ta r e d i s c u s s e di nd e t m l a tl a s t ，ag e n e r a ls h a f ta l i g n m e n tc a l c u l a t i o ns o f t w a r e ，w h i c h s a t i s f i e sa l lt h en e e d so ft h eh u g es h i p ss h a f ta l i g n m e n ti sd e v e l o p e d t h em a i nf a c t o r st h a te f f e c tt h ec a l c u l a t i o nm o d e lo ft h ee l a s t i ca l i g n m e n th a v e ， b e e nf u a h e rd i s c u s s e di nt h i sp a p e r c o n s i d e r i n gt h ef e a t u r eo ft h es t e r n - t u b e b e a r i n go ft h eh u g es h i p ，a n do nt h eb a s eo ft h eh y d r o d y n a m i ct h e o r yo fl u b r i c a t i o n ，a n o n - l i n e a rm o d e lo ft h es t e m t u b e b e a r i n gi sb u i l t ，t h e na nf e ma p p r o a c ho f c o m p u t i n gt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no ft l l eo i lf i l ma n dt h er e l a t i o n s h i po ft h em a i n o i l f i l mc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s a r e p r e s e n t e d ) a c c o r d i n g t ot h et r a d i t i o n a l c a l c u l a t i o nm e t h o do fp r o p e l l e r sd y n a m i cf o r c e ，t h es u r f a c ee l e m e n tm e t h o di s a p p l i e dt oc a l c u l a t et h ep r o p e l l e r sd y n a m i cf o r c e ，a s s o c i a t i n gw i t ht h ec a l c u l a t i o n 武汉理工大学博士学位论文 m e t h o do ft h ea v i a t i o na n ds p a c e f l i g h tp r o p e l l e r t h en u m e r i c a lr e s u l ti sc l o s e rt ot h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s oi ti sm o r ep r e c i s e ，c o n v e n i e n ta n dc a l lb eu s e di nt h ed y n a m i c f o r c ec a l c u l a t i o no ft h ee l a s t i ca l i g n m e n t t h eo p t i m u mm e t h o do ft h ee l a s t i c a l i g n m e n ti sa n a l y z e d ，t h e nt h ec a l c u l a t i o nm o d e lo fe l a s t i ca l i g n m e n ti se s t a b l i s h e d a n dt h eg e n e t i co p t i m u ma r i t h m e t i ci su s e di nt h ee l a s t i ca l i g n m e n t a c c o r d i n gt ot h e c a l c u l a t i n gc h a r a c t e r i s t i co fe l a s t i ca l i g n m e n t ，t h eg e n e t i ca r i t h m e t i ca n dt h eo p t i m u m g e n e t i cm o d e la r ei m p r o v e d ，c o n s i d e r i n gb e s tc h o o s et e c h n o l o g y , n o n l i n e a r i t yr a n k c h o o s em e c h a n i s ma n dr e a ln u m b e rc o d i n gm e t h o d c o m p a r e dw i t ht h es t a n d a r d g e n e t i ca r i t h m e t i c ，t h ei m p r o v e do p t i m u mc a l c u l a t i o n i sb e t t e r i nq u a l i t ya n d e f f i c i e n c y a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo ft h em a i np r o p u l s i o ns h a f t i n go ft h eh u g es h i p a l ls i m p l i f i e dc a l c u l a t i o nm o d e l n a m e l yt h ee q u i v a l e n ts h a f to fc r a n k s h a f ta l i g n m e n t c a l c u l a t i o no ft h e l a r g el o w s p e e dm a i ne n g i n e ，i sp r o p o s e df i r s t l y t h e nt h e n u m e r i c a lr e s u l ti sg a i n e db yu s i n gt h i sm o d e la n dc o m p a r e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n t n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t ，t h ee r r o ri si nt h ea l l o w a b l er a n g e ，w h i c hp r o v e st h e c o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h ea p p r o a c h i tm e e t st h er e q u i r e m e n to ft h ee l a s t i c a l i g n m e n ta n dc a i lb eu s e de x p e d i e n t l y ( 9 c o m p a r e da l lt h ec h e c k i n gm e t h o d su s e di n t h es h a f ti n s t a l l a t i o n ，t h ea d v a n t a g e so fs t r a i n - g a g em e t h o da r ed e s c r i b e d i tc a nb e u s e dt oc h e c kt h es h a f ts t a t ec o n s t a n t l yw i t ht h ec h a n g eo ft h er i g i d i t i e s o nt h eb a s i s o ft h em e a s u r e ds t r a i na n dt h er i c c a t im a t r i xm e t h o d ，t h es t r a i no ft h es h a f ta n dt h e b e a r i n gr e a c t i o nc a nb ec h e c k e d ，s oa st os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h es h a f t a l i g n m e n tb yt h ei t e r a t i v em e t h o d b a s e do nt h ep r e v i o u ss t u d i e s ，t h ee l a s t i c a l i g n m e n ts o f t w a r ei sd e v e l o p e d t h e nt h ee l a s t i ca l i g n m e n tc a l c u l a t i o no fo n ea c t u a l v l c ci sc a r d e do u tb yu s i n gt h es o f t w a r e a tl a s ts o m et e n t a t i v ec h e c k i n gr u l e so f t h ee l a s t i ca l i g n m e n ta r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：v l c c ，s h i pp r o p u l s i o ns h a f t ，s h a f te l a s t i c ，s u p p o r tr i g i d i t y , p r o p e l l e rd y n a m i cf o r c e , e l a s t i ca l i g n m e n t ， a l i g n m e n tc h e c k i n gr u l e s 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名邋日期 关于论文使用授权的说明 l 鼬王s j 。 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 签名、：随导师签名：墟日肌世：兰：垒 武汉理工人学博士学位论文 1 1 目的和意义 第1 章绪论 轴系是许多机械系统的重要组成部分，它的可靠工作是保证这些系统安全 运行的基本条件，其工作状态历来受到人们的关注。如果轴系设计质量欠佳， 将会引起机体振动、传动系统零部件损坏、轴承过度磨损、甚至轴折断等事故 【1 】_ 【l l j ，不仅会中止机械系统的正常运行，也会危及工作人员的生命安全，因此 对轴系必须进行深入的研究，以利于其正确的设计、制造、安装和检验。 船舶推进轴系主要任务是连接主机与螺旋桨，将前者所产生扭矩传递给后 者，将螺旋桨产生的轴向推力通过推力轴承传给船体，以推动船舶的运动【1 2 】。 在最近一二十年，由于i m o 对油船的特殊要求【1 3 _ 1 4 l ，特别是对现代巨型油船 v l c c ( v e r yl a r g e rc r u d ec a r r i e r ) 和超大型油船u l c c ( u l t r al a r g ec r u d ec a r r i e r ) 的要求越来越严格，而船体结构对船舶机械系统、主推进装置造成很大影响， 使得推进轴系设计、制造、安装、检验工作变得非常重要。 推进轴系校中是轴系设计、安装的重要组成部分，轴系校中质量的优劣， 对保障轴系及主机的正常运转，以及对减少船体振动有着重要的影响。生产实 践证明，校中质量不好的轴系，其运转时则会造成尾轴管轴承迅速磨损甚至烧 坏，尾管密封元件异常磨损而导致泄漏，造成主机曲轴的臂距差超过允许的范 围，破坏减速齿轮的正常啮合和轴承的正常工作，以及引起船体振动【1 5 。轴系 校中一般由两大部分组成：即轴系设计分析、校中计算安装与检验。新一代巨 型超级油船v l c c 、超大型油船u l c c 以及大型集装箱船，由于船体越来越大 ( 一般长3 5 0 米左右，宽6 0 米左右) ，使得轴系校中问题越来越突出【1 6 _ 1 8 】，不 良的校中，将直接导致轴系振动破坏，造成轴承的损坏、轴系的断裂、主机故 障等；其主要原因就是由于主推进装置为了适应船体结构和船舶用途的需要， 轴系变短，轴径增大，有的甚至达到了一米多，使轴系刚性增加，船体柔性增 大。随着船舶装载条件、海况等变化，轴系的工作条件变得非常恶劣，导致轴 系的损坏，造成事故。对现代v l c c 船舶来说，船舶推进轴系校中主要与以下 因素有关【1 9 2 2 l ： ( 1 ) 超大螺旋桨 武汉理工大学博士学位论文 为了适应现代v l c c 船超大功率、超低转速( 如船舶主机功率高达几万千 瓦：而主机转速在5 0 转分) 的需要，不得不采用大直径轴系及超大超重螺旋桨 传递主机扭矩和螺旋桨推力，这种大直径短轴系相对于早期v l c c 船来说，轴 系的刚性增加，船体的柔性增大，轴系的工作状态受外界因素的影响就更加敏 感。比如当v l c c 遭遇到恶劣天气或者是在高速下转弯时，都将使螺旋桨尾流 加剧，螺旋桨推力减小，扭矩增大，轴承负荷增大，直接威胁船舶的安全。 ( 2 ) 轴系布置 文献【1 8 】中的计算资料表明，新一代双层底v l c c 船较之上世纪8 0 年代单 层底的v l c c 船，船体刚度进一步降低，船体弹性增加，船体受外界环境影响 更大，使刚性轴的工作状态变差，对轴系校中的影响更大。如文献f 1 8 】所列新一 代v l c c 由于轴系的全长减小了9 0 0 r a m 左右，而为了传递更大的扭矩，螺旋桨 和中间轴的直径分别增大了8 0 m m 和1 1 0 m m 。中间轴承和尾管前轴承间的距离 减少了1 8 0 0 r a m 左右，尾管前轴承和后轴承之间的距离也减少了6 9 0 r a m ，相反， 主机曲轴中最后一道主轴承和中间轴承间的距离增加了近1 4 9 0 r a m 左右；尾管 轴承的长度随轴径的增加也随之增大，因此，传统轴系( 刚性支承和柔性轴) 校中方法，难以满足工程实际的需要。 ( 3 ) 轴承负荷影响数的变化 船体弹性如何影响轴承负荷，可以通过新一代v l c c 船轴承负荷影响数的 变化说明。轴承负荷影响数就是通过调整某一轴承的变位值，即某一轴承抬高 或降低o 1 m m 后，该轴承的负荷以及轴系中其他轴承负荷的变增加或减少的数 值 1 5 】。表1 - 1 给出了国外某船厂制造的新旧v l c c 船轴承负荷影响数【2 2 】。从表 1 - 1 中可清楚地看到，当中间轴承变化0 1 m m 后，对新代v l c c 船来说，尾 管前轴承载荷增加2 1 6 5 0 n ；而老船只增加8 0 7 0 n ，前者几乎是后者的3 倍。但 这里还没有考虑船体变形：如果船体变形使得中间轴承被抬高o 2 8 m m ，则尾管 前轴承的负荷减少6 0 6 0 0 n 。而在热态螺旋桨全浸水时，轴系计算的结果是尾管 前轴承的载荷仅为6 0 7 0 0 n ，综合考虑的结果是尾管前轴承受力几乎为零，说明 轴承基本脱空，这是不允许的，这样轴系处于不稳定运行状态，即轴系的回转 效应增加，轴系与尾管后轴承之间的相对斜度( 或轴系转角) 增加，螺旋桨悬 臂作用加强，陀螺效应的作用也更加明显，轴系的运转转速有可能落入轴系的 共振转速范围，使轴系产生振动与冲击，影响船舶的安全运行。 ( 4 ) 船体弹性 2 武汉理工大学博士学位论文 从上述分析可知，船舶的不同压载和装载会影响轴系的工作状态和轴承负 荷。表1 - 2 给出了某新一代v l c c 船在不同装载状况下，实际测得的轴承静态 负荷。从表中可以看出，在正常设计压载吃水情况下，尾尖舱满载将使尾管前 轴承负荷减少6 5 t 。将设计压载吃水状态和部分装载吃水状态相比，尾管前轴承 的负荷从1 1 3 t o n 减到了4 8 t o n 。如果在设计负荷处将尾尖舱装满，那么尾管前 轴承的负荷将减少超过2 t o n 。 表1 - 1 轴承负荷影响数对比表1 2 引 a f ts t e r nf w ds t e r n i n t e r m e d i a t e b e a r i n g s v l c c t y p e t u b e b u s ht u b e b u s h s h a f t b e a r i n g i nm e n e w t y p e - 7 9 8 02 1 6 5 02 7 8 3 01 4 1 6 0 o l dt y p e 一3 0 6 08 0 7 0 - 1 j ! 塑! 壁! 塑 表1 - 2 船舶在不同装载状态下实际测得的轴承负荷( t o n ) 1 1 8 船舶不同的装载情况，导致船体不同的变形，从而使轴承发生变位。要使各 种装载条件下，轴系均处于良好的工作状态，需要进行计算与分析。温度的变 化，也会对轴承的变位产生影响，但其影响较船体变形小，且仪对主机主轴承 和齿轮箱大齿轮轴承有一定的影响。 上述问题，引起了船舶界和各国船级社的高度重视，人们对推进轴系校中的 研究开始升温，国际上各大船级社和造船公司，纷纷加入超大型船舶相关技术 的研究，特别是d n v ( 挪威船级社) 1 2 3 - 2 4 1 、b v ( 法国船级社) 2 5 、a b s ( 美国 船级社) 1 2 6 等，更是捷足先登，比较深入地开展了船舶推进轴系的校中研究， 先后提出了自己的解决方案，并对传统计算软件进行了修改，以期适应超大型 船舶轴系校中计算的需要。 随着我国船舶工业的发展，船舶设计技术也有了很大的进步，我国已连续 八年成为世界第三造船大国、成为国际造船市场中一支不容忽视的重要力量。 武汉理工大学博士学位论文 在开拓国内外市场过程中，我国开发建造了一批优良的常规船型，高技术高附 加值船舶建造比重也不断提高，特别是2 0 0 2 年中国造船业高技术、高附加值船 舶承造取得新突破。2 0 0 2 年8 月3 0 日大连新船重工有限责任公司为伊朗国家油 船公司建造的、我国首艘3 0 万吨巨型油船( v l c q “伊朗德尔瓦”号签字交船， 标志着中国已成功进人世界上少数几个能建造v l c c 国家的行列1 2 。”j 。虽然如 此，我们并没有掌握大型船舶设计的核心技术，自主开发设计能力和技术储备 的不足，不仅使中国船厂在建造“双高”船时难以摆脱主要依赖国外设计公司 的被动局面，而且使得中国船厂在国际造船市场竞争中缺乏足够的应变能力， 超大型船舶轴系设计与安装检验更是如此。大连新船重工所建造的v l c c 船， 其主推进装置设计方案由b v 船级社提出，韩国现代重工集团设计，轴系校中计 算由d n v 船级社完成【1 i 7 】，并在d n v 船级社的指导下安装，由此可以看出，我 国在轴系设计、制造、安装与检验方面完全受制于人。要改变这种落后的局面， 我们必须尽快进行大型船舶推进轴系的系统研究，开发研制具有自主知识产权 的计算软件，为我国早日进入船舶设计与制造强国，奠定坚实的理论基础。 1 2 国内外研究现状分析 关于轴系校中研究，国内外一些研究机构和船级社做了大量工作，提出了 适合各类船舶推进轴系校中的计算模型和计算方法。早在上世纪6 0 年代，人们 就注意到，采用直线对中方式进行轴系安装，对轴系的工作状态不利，甚至使 轴系产生破坏；根据船舶轴系实际工作情况，提出了使个别中间轴承位置下移， 以改变轴系受力分布情况，逐步衍生出了轴系合理校中的概念。在推进轴系静 态校中中，通过轴承的合理变位，轴系被敷设成曲线，使轴承负荷、各轴段的 应力都处在允许范围内，或具有最佳数值，从而保证轴系持续正常地运转i j “】。 随着船舶的大型化和大功率化，传统的推进轴系静态校中技术已不能满足轴系 安全运行的需要，轴系校中新技术的研究已成为十分重要的课题。国外学者从 上世纪六十年代起，开始轴系动态校中技术的研究，i c m e s ( 轮机工程系统国际 合作组织) 1 9 7 9 年5 月关于推进轴系的会议，正是对有关研究工作的总结。会上 所提交的论文，从原理与方法、安装与检验等方面探讨了轴系运行时的对中状 态、影响轴系校中的各种因素以及造船厂所采用的一些实际校中方法等。但这 些论文并没有对轴系动态校中计算问题给出恰当的、适用的算法和建议【3 3 。 4 武汉理工大学博士学位论文 上世纪八十年代初，日本学者也在舶用机关学会志及三井造船发表了 有关动态校中的研究文章【3 7 38 1 ，其内容也未超出上述会议讨论的范围。 国内学者在轴系设计、安装、检验等方面，也发表了十余篇文献，从理论 和实际两方面进行了探讨【3 9 侧。文献 3 9 1 主要讨论了轴系在稳定运转状态下，尾 管后轴承不同支承位置对轴系校中计算和回旋振动的影响。文献 4 0 4 4 详细讨 论了轴系静态校中的计算模型和计算方法，并通过计算示例说明了算法的正确 性。文献4 5 4 8 讨论考虑螺旋桨水动力、温度等因素的轴系校中计算模型，提 出了静态校中模型的修正方法。文献 4 9 5 0 用简单优化算法研究了在轴系合理 校中计算时，如何确定轴承的最佳轴向位置和垂向变位的问题。文献 5 1 5 4 1 讨 论了轴系校中的安装方法，并将合理校中应用于生产实际，采用“曲折偏移法” 和“负荷法”进行轴系安装，通过千斤顶顶举系数法检验轴系对中状态。 上世纪九十年代末期，随着超大型船舶的日益增加，轴系校中问题突出， 部分船级社在所开发的校中计算软件的计算模型中，考虑了螺旋桨水动力、润 滑油膜、温度等单个因素的作用，如d n v 在n a u t i c u s 2 0 0 3 计算软件中，考虑了 螺旋桨水动力【5 7 1 ；c c s 在c o m p a s s 2 0 0 1 计算软件中考虑了齿轮啮合力 5 8 】；a b s 在s h a l 计算软件中考虑了尾管轴承支承刚度【”】，但这些软件所考虑的因素，只 是针对轴系静态合理校中计算所采用的一种补偿算法，而不是真正意义上的动 态校中计算。除上述有关轴系校中计算模型研究以外，国内外学者在与轴系校 中相关问题上也做了研究，如尾管轴承润滑特性、螺旋桨水动力、大型船舶柴 油机曲轴的校中计算模型、最优化方法在轴系校中中的运用、检验规则、校中 测量等。 尾管轴承润滑特性对轴系工作状态的影响，一直是众多学者研究的热点。 文献【6 1 6 4 】基于流体润滑动力学理论，在分析大量实验结果和数值计算结果的 基础上，提出了径向轴承流体润滑特性参数之间的近似计算公式，为艉管轴承， 的设计以及轴系校中计算模型考虑油膜压力的影响提供了理论基础。文献 6 5 1 基于流体润滑动力学理论，详细分析了径向轴承流体润滑特性，并且在线性模 型基础上提出了柔性径向轴承非线性模型以及相应的数值计算方法。文献 6 6 1 分析了船舶轴系校中计算中轴承模型的演化过程。基于轴承工作实际，提出了 分布式轴承有限元模型，并应用于轴系校中的优化设计。文献 6 7 】考虑轴系校中 时艉管轴承的实际工作情况，对艉管轴承支承位置的处理给出了指导性意见和 经验数据。文献【6 8 】对轴系校中计算模型中考虑轴承支承油膜作用的重要性进行 武汉理工大学博士学位论文 了分析，提供了相关计算方法，有利于准确确定轴系在运转状态下的空间位置。 文献 6 9 1 在文献 6 8 1 基础上提出了在轴系校中计算时，考虑轴承支承油膜作用的 非线性模型，对准确确定轴系在实际运行状态下的空间位置和各轴承载荷进行 了有益的探讨。文献 7 0 1 指出船舶轴系在实际运行过程中，在轴径和轴承衬之间 存在润滑油膜，考虑其对轴系的作用，能准确描述轴承工作特性，有助于确定 轴线的真实位置。 由于流体润滑理论中径向轴承润滑特性模型主要应用于转子动力学，因此， 国内学者对流体润滑理论和油膜特性的研究，主要涉及高速转子动力学的油膜 稳定性和非线性等方面【7 1 _ 7 钔。这些研究工作为艉管轴承润滑特性的研究提供了 理论基础。实际上船舶推进轴系同样属于转子系统，由于是低速系统，并且轴 系校中又通常以静止轴系为对象，常忽略油膜的作用，这就导致与实际情况较 大的偏差，也不利于该领域深入研究，如弹性校中和动态校中。国内有关轴承 润滑特性和油膜研究的工作较少。文献 7 9 8 0 根据船舶艉管轴承的实际工况， 提出了一种较完善的艉管轴承润滑特性计算数学模型，并利用流体动力润滑理 论和有限元法对数学模型进行了求解，对船舶艉管轴承的润滑特性参数作了计 算，据此建立了艉管轴承优化设计的数学模型。文献【8 1 】建立润滑油膜的有限元 模型，分析了油膜对船舶轴系轴承支反力的影响，通过计算实例得出油膜之间 的相互作用使轴承支反力发生变化，对艉管轴承支反力产生不利影响的结论。 螺旋桨水动力的计算研究，历来受到关注。文献【8 2 】详细地论述了螺旋桨设 计计算中水动力的分析方法，是螺旋桨设计分析的基础。文献【8 3 】总结了国内外 螺旋桨激振力计算分析方法，提出比较完整的螺旋桨激振力计算模型，并给出 了大量的计算实例，特别对拟定常理论进行了研究，提出了螺旋桨水动力的有 关计算公式。文献 8 4 9 4 通过水动力试验，研究螺旋桨水动力各种计算方法的 正确性。 关于大型船舶柴油机曲轴的校中计算模型，两大柴油机公司m a nb & w 公 司和w a r t s i l a 公司分别给出了各自的校中计算模型。m a nb w 公司的校中模 型，将柴油机曲轴简化为等效轴段，且不考虑曲轴的自重【”j 。w a r t s i l a 公司对 s u l z e r 柴油机曲轴，按曲轴轴段简化，且考虑轴段自重的作用1 9 6 1 。同时，d n v 船级社在处理柴油机曲轴模型时，一般按曲轴自然分段进行处理，且考虑轴段 自重1 5 5 1 。c c s 规范基本上采用柴油机厂家自身的校中模型【9 6 1 。 最优化技术发展很快，从传统的无约束最优化、有约束最优化问题，发展 武汉理工大学博士学位论文 到今天的模拟退火、神经网络优化、遗传算法优化、并行算法、禁忌搜索、混 合策略等，其应用的领域也非常广泛m 。从上世纪七十年代末期开始，最优化 技术在轴系校中计算中开始得到应用【3 6 l ，其校中优化计算模型大多采用线性优 化算法【3 6 1 1 4 9 】【5 0 】【删【9 9 】，也有部分考虑非线性计算的校核模型【1 伽】，还有更复杂的 有限元优化计算模型1 6 叭，各种优化计算模型均采用以尾管后轴承的受力最小化 作为目标函数，即单目标函数。但是，随着各船级社对校中计算的要求越来越 严格，考虑的因素即相关约束条件越来越多，问题的复杂性增加，简单优化方 法难以满足要求，因此，采用现代优化方法就非常重要。 关于轴系校中计算和检验原则，各国船级社均提出了具体要求1 2 3 - 2 6 1 1 0 1 。1 0 5 】。 这些要求都是静态校中情况下的一般要求，少数考虑了螺旋桨水动力要求1 2 ， 齿轮啮合力的要求1 2 6 】【9 6 】【1 0 1 】；值得注意的是法国船级社( b v ) 在其网站上报道 了有关超大型船舶推进轴系校中计算的完整解决方案的技术概况，并提供技术 服务，遗憾地是未能从b v 方面获取相关资料。不过可以肯定，b v 已在v l c c 或u l c c 船轴系校中计算、安装、检验等方面已进行了相当深入的研究。 在轴系的安装、检验方法研究方面，各船级社也提出了相应的方法。对小 型船舶推进轴系校中检验主要采用曲折偏移法、千斤顶顶举系数法等【1 “】。近年 来，应变片测力法也得到了一定程度的应用【“】 1 0 7 1 。 我国船舶界密切关注轴系校中技术的最新发展，也开始从事该项目的研究工 作。武汉理工大学能源与动力工程学院与沪东重机就大型船舶轴系校中开展了 卓有成效的合作，以第五代集装箱船推进轴系为研究对象，综合考虑影响轴系 校中计算的诸因素，如轴承支承刚度、螺旋桨水动力、温度变化、主机机座变 形等，开发研制大型船舶轴系校中计算软件。本文正是以此项目为依托，更加 深入地系统研究大型船舶轴系校中理论，开发大型船舶轴系校中计算和校中检 验软件。 1 3 本文的主要工作 1 3 1 研究目标 本课题的研究目标是以超大型船舶推进轴系为研究对象，系统地考虑船舶各 种装载状态下船体弹性变形、轴承油膜刚度、油膜压力分布、温度变化以及螺 武汉理上大学博士学位论文 旋桨水动力等诸因素，建立轴系弹性校中的计算模型，提出适用于弹性校中计 算模型的优化解法，开发具有自主知识产权弹性校中计算软件，从理论上提出 轴系弹性校中的安装、检验衡准规则，为轴系的实际安装、检验提供技术指导。 1 3 2 本文的研究工作 围绕课题研究目标，本文主要进行了以下几方面的研究工作： ( 1 ) 定义超大型船舶推进轴系弹性校中的概念，在考虑船体变形、螺旋桨水 动力、曲轴弹性、轴承支承刚度、轴承油膜刚度等因素情况下，建立弹 性校中计算模型，系统研究弹性校中计算的有限元法、传递矩阵法和三 弯矩法，为弹性校中计算软件的开发研制打下理论基础。 ( 2 ) 针对大型船舶弹性支承的特点，特别考虑尾管油润滑轴承的实际，建立 尾管油润滑轴承油膜刚度及合成刚度的计算模型，研究其求解方法。 ( 3 ) 研究螺旋桨水动力计算的传统方法拟定常理论，根据弹性校中计算 对螺旋桨水动力的要求，寻找适宜的求解螺旋桨水动力的计算方法，为 弹性校中计算提供技术支持。在传统算法的基础上，研究适用于弹性校 中计算要求螺旋桨水动力计算方法面元法。 ( 4 ) 探讨弹性校中优化计算方法，建立弹性校中优化计算模型，并将遗传算 法应用于弹性校中优化计算，根据弹性校中计算最优模型的特点，对标 准遗传算法进行了改进，将优选技术、非线性排名选择机制与基于实数 编码的遗传算法相结合，建立遗传优化模型。 ( 5 ) 研究大型低速二冲程柴油机曲轴弹性校中计算模型，提出曲轴校中计算 模型的简化方法，并通过分析比较，验证简化模型的正确性。 ( 6 ) 分析弹性校中安装和检验方法，特别是为适应弹性校中的要求，研究千 斤顶顶举系数法和应变片法，通过刚度试算逐步逼近的方法，满足实际7 轴系弹性校中检验的要求。 在弹性校中理论研究的基础上，开发研制轴系弹性校中计算软件，并通 过与国外权威的校中计算软件对比，验证软件的正确性。以实际v l c c 船为例进行弹性校中计算，详细分析支承剐度、油膜刚度、船体变形、 螺旋桨水动力等诸因素对弹性校中计算模型的影响，提出弹性校中的检 验规则。 8 武汉理t 大学博士学位论文 第2 章推进轴系弹性校中计算模型及算法研究 2 1 概述 传统的轴系校中计算是建立在轴系刚性支承的基础上，对轴系进行【1 5 】【1 0 6 1 ： 轴承负荷影响数计算； 轴承支反力计算( 直线、热态、冷态) ； 尾管轴承斜镗孔计算 合理校中基础上的安装工艺参数( 法兰的开口与曲折) 计算； 安装检验计算。 其计算模型如图2 1 所示。传统计算的主要目的是在轴系静态情况下验证 和确定轴系设计状况，指导轴系安装和检验。但由于没有考虑船体在各种装载 情况下的变形、轴承支承刚度、油膜刚度、螺旋桨水动力等动态因素的作用， 难以满足现代大型船舶轴系校中计算需要，给大型船舶轴系设计、安装、检验 带来困难。因此，对于大型船舶应考虑其轴系的特殊性，建立与实际情况相吻 合的轴系校中计算模型。 图 茅唏 图2 1 传统轴系校中模型图 2 2 轴系弹性校中计算分析 2 2 1 弹。性校中计算 弹性校中计算是建立在弹性支承基础上，考虑船舶各种装载状态下船体弹 性变形、轴承油膜刚度、油膜压力分布、温度变化以及螺旋桨水动力等诸因素 作用下进行的一系列计算。其计算模型如图2 - - 2 所示。弹性校中计算更符合船 武汉理工大学博士学位论文 舶推进轴系校中实际，对确保轴系的可靠性以及船舶安全运行起着非常重要的 作用，是大型船舶轴系设计、制造、安装、检验所须采取的方法。 图2