轴向推力作用下拱形梁算法及轴系校中应用研究

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船舶推进轴系是为船舶提供动力最重要的部件,它负责连接主机与螺旋桨,将前者所产生的扭矩传递给后者螺旋桨,并将螺旋桨旋转产生的轴向推力通过推力轴承传给船体,来推动船舶运动。轴系受到螺旋桨重量、轴段自重、联轴器重量、轴承支撑等多种因素的影响,轴会产生弯曲,轴系质心中心线为弯曲的拱形曲线。在轴系校中计算时,目前只考虑螺旋桨推力竖直分力的影响,没有考虑轴系弯曲的拱形曲线因素,因此需要研究计入轴系弯曲的拱形曲线因素时整个螺旋桨推力对轴系校中影响,并开发相应的轴系校中的计算算法。  本文基于传递矩阵法和曲线梁结构分析法提出了全面计入轴向推力的轴系拱形梁算法(简称:拱形梁算法)原理。首先介绍了曲线梁结构分析方法和传递矩阵法,研究了目前曲线梁常用的结构分析的常用方法-有限单元法,同时本文介绍了传递矩阵法的基本原理,在此基础上引入了轴向推力这一矢量元素,把拱形梁分成圆弧梁微分段单元,构建圆弧梁微分段单元的力学计算模型,确定相应结构单元间的传递关系,推导出传递矩阵方程,以此形成了全面计入轴向推力的轴系拱形梁算法的原理。  基于拱形梁算法的原理,开发了全面计入轴向推力的轴系拱形梁算法的计算程序,完善现有的轴系推进理论校中算法,采用该程序对简单的算例进行计算分析,运行结果与ANSYS仿真的结果进行对比,证明该算法的有效性。同时运用拱形梁算法的计算程序对三支撑轴系台架进行了轴系挠度曲线计算,得到包括轴系挠度,转角等轴系校中参数,验算算法在轴系校中的应用,同时将校中结果与现有的曲线校中方法的运算结果进行比较显示结果有变化,说明计算螺旋桨推力对轴系校中影响时需要计入轴系弯曲的拱形梁因素,同时本算法的校中结果可以为轴承安装提供指导。为了进一步验证全面计入轴向推力的轴系拱形梁算法的计算程序,对一个多支撑的轴系进行了校中计算,计算结果有指导意义。  本文提出的船舶推进轴系校中计算的拱形梁算法,为推进轴系曲线轴系理论及受力分析提供了一种更为完善的轴系校中计算方法,同时本文提出的轴系曲线梁算法也可用于端部受轴向力的曲线梁的计算分析,是对现有梁的分析算法的有效补充,有较大的理论和实践意义。
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