基于有限元法的船舶艉轴承负荷优化

基于有限元法的船舶艉轴承负荷优化 第4O卷第5期 2011年1O月 船海 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 SHIP&OCEANENGINEERING Vo1.40NO.5 Oct.2Ol1 基于有限元法的船舶艉轴承负荷优化 魏颖春,杨川 (1.中国船级社武汉规范研究所,武汉430022;2.人民交通出版社,北京100011) 摘要:基于有限元法建立艉轴承负荷优化模型,探讨艉轴承负荷优化过程中的目标函数,约束条件和设 计变量的选择原则及影响因素.采用APDL语言编写负荷优化程序,通过优化,艉轴承负荷减少约1l,减 少了艉轴承的磨损,提高了轴承的使用寿命. 关键词:有限元法;艉轴承;优化 中图分类号:U664.2;TP391.9文献标志码:A文章编号:1671—7953(2011)05—0062—03 随着船舶的大型化,大功率和高航速化,螺旋 桨及轴系的尺寸,重量也相应增加,致使轴承上承 受的负荷和轴颈上的应力情况变得更为复杂.为 了提高艉轴承的承载能力,减小艉轴承负荷,采用 线性规划 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 进行艉轴承负荷优化研究[1].为了 提高优化的速度和精度,采用有限元方法对艉轴 承负荷进行优化. 1模型 以36000t散货船为研究对象. 主机型号B&W6L67GFCA 额定功率 额定转速 中间轴直径 艉轴直径 艉轴承材料 艉轴承长径比 螺旋桨空气中质量14.64×1O. 船舶轴系是由艉轴,中间轴和曲轴组成,没有 设立推力轴,推力轴承安装在主机内,由艉端至曲 轴倒数第二个主轴承处全长共16.64m.该轴系 由7个轴承支承,见图1. 1一螺旋桨;2-艉轴承;3-艏轴;4-前艏轴承;5-联轴器;6-中间轴;7-中间 轴承;8-飞轮; 9一后推力轴承;10一推力盘;11一前推力轴承;12一曲轴;13.曲轴主 轴承1#;14曲轴主轴承2# 图1船舶轴系示意 2艉轴承负荷优化的基本要求 2.1目标函数 由于螺旋桨的悬臂作用,在轴系中,艉轴承负 荷最大,且往往形成很严重的”边缘负荷”E. 62 收稿日期:2011—03—11 修回日期:2011-03—21 作者简介:魏颖春(1982一),男,硕士,助理工程师. 研究方向:船舶推进轴系振动与校中 E-mail:ycwei@CCS.org.crl 为了确保轴系的安全运行,在艉轴承负荷优 化中,通过调整轴系中各轴承的垂向位置,使艉轴 承负荷最小.因此,将艉轴承负荷作为目标函数. 2.2约束条件 1)轴承负荷E引.轴系各轴承的轴承负荷均 应为正值,即不允许出现轴承脱空的现象,各个轴 承负荷应满足: R?R?R(1) R一[]?D?L(2) 式中:R,R——轴承允许最小,最大负荷,N; []——轴承最大允许比压,MPa; w血 knHH}一咖舢金 ??拾9146E2 基于有限元法的船舶艉轴承负荷优化——魏颖春,杨J f?20MPa 中?20MPa(4) l曲?30MPa 3基于ANSYS艉轴承负荷优化计算 输入轴系参数,采 用APDL建模 二二二[二 采用稀疏矩阵求解 二二二[二 参数化提取结果 建立 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 文件 二二二[二 设置优化参数(目 标函数, 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 变 量,状态变量) 设计变量赋初值II小步长调整 减小设计空间II设计变量二二工=— 采用梯度寻优Il 进行精确定位ll ——]—一l \查l\\收敛/ 是 输出优化结果 图2ANSYS艉轴承负荷优化流程 的目的. 1)艉轴承负荷优化结果.经过ANSYS程 序全局搜索之后,能够精确定位目标函数的最优 值,优化结果见表1,2. 表1优化与直线校中轴承位置比较mm 对比项轴承 1234567 直线0000000 优化00—1.588—3—3—3—3 注:1一后艉轴承;2-前艉轴承;3-中间轴承;4-后推力轴承;5-前推 力轴承;6-主轴承1#;7-主轴承2# 表2优化与直线校中反力比较kN 对比项_丁—了&_ 直线43 优化2 注:1一后艉轴承;2-前艉轴承;3-中间轴承;4-后推力轴承;5-前推 力轴承;6-主轴承1#;7-主轴承2# 由表1可见,艉轴承负荷优化之后,轴承不在 63 第5期船海工程第4O卷 同一个水平位置,而是呈曲线状态.这也就是轴 系的合理校中,中间轴承和前面4个轴承位置都 在理论中心线以下. 由表2可见,优化之后的艉轴承的支承反力 由原来的263kN下降到232kN,轴承负荷减轻 了11.7,艉轴承的承载能力提高.同时,艉管 前轴承负荷增加,推力轴承和主轴承负荷均匀,整 个轴系负荷更为合理,使整个轴系以更加良好的 状态运行. 2)艉轴承反力与迭代次数的关系.艉轴承 反力也就是目标函数,查看目标函数与迭代次数 的关系,可以反映目标函数随着迭代次数收敛的 速度和目标函数本身变化的趋势,见图3. f | f f f f f 59】3172l2529333741 迭代次数 图3艉轴承支承反力与迭代次数关系 由图3可以看出,梯度寻优是一种快速寻优 方式,艉轴承反力随着迭代次数增加,以较快的速 度趋于平缓,在满足约束的条件下,该算法大概通 过5次迭代基本锁定最优解的位置,快速进入收 敛区域,进行精确定位.通过零阶优化之后,梯度 寻优大大节省了求解时间,提高求解效率,提高求 解精度. 4结论 1)以36000t散货船为研究对象,把有限元 方法引入到轴承负荷优化中,采用ANSYS优化 模块进行参数化编程,为工程计算提供一种快捷 的计算方法. 2)在优化过程中,采用零阶优化与梯度寻优 相结合的方法,避免了常规优化陷入局部死循环 的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,可提高优化的精度和速度. 参考文献 Eli曹学涛.基于ANSYS的船舶轴系校中的双向优化研 究EJ].造船技术,2009(3):11—13. [2]张军,张维英,唐士岭.MATIAB在船舶轴系校中 设计中的应用I-J].船舶,2003(5):46—48. [3]中国船级社.国内航行海船建造规范2006Es].北京: 人民交通出版社,2006. Load0ptimizationofMarineSternTubeBearingBasedon theFiniteElementMethod WEIYing-chun,YANGChuangz (1WuhanRuleandRegulationResearchInstitute,ChinaClassificationSociety,Wuhan430022,China; 2ChinaCommunicationPress,Beijing100011,China) Abstract:Basedonthefiniteelementmethod,theloadoptimizationmodelofthesterntubebearingwassetup.The choiceprinciplesandinfluencefactorsoftheobjectivefunction,constraintsanddesignvariableinthecourseoftheload optimizationwerediscussedabout.LoadoptimizationresultsbytheAPDLprogramshowedthatthesterntubebearing loadcanbeloweredabout11,whichcanreducewearofthesterntubebearingandincreasebearingSlife. Keywords:thefiniteelementmethod;thesterntubebearing;optimization (上接第61页) OntheKeyPointsofControlValueSelectionin ShipPipelineSystemDesign ZHANGHong-yan,JIJing-di,HUANGKe-zhen (1NavyArmamentsDepartment,Beijing100073,China;2ChinaShipDesignandResearchCenter,Wuhan430064,China) Abstract:Theoperatingprinciplewasbrieflyintroduced.Theselectionprincipleofstructurestyle,flowcharacteris tic,diameterofthecontrolvaluewasdescribedespecially.Thepaperalsoexplainedsomeitemsshouldbepaidattention toincontrolvalueselectionbypracticalexample. Keywords:controlvalue;flowcharacteristic;flowcoefficient 64 O5O5O5O5O5O O752O752O75 532?O876532 33333232222 22222222222 N/憾