CN112214839B - 一种船舶轴系轴承动力学分析建模方法及分析模型 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船舶轴系轴承动力学分析建模方法及分析模型，模型包括圆柱体轴的三维有限元模型、球轴承圆环结构的三维有限元模型以及外载荷的三维有限元模型，以三维体单元建立球轴承圆环结构与穿过轴结构的三维模型，能够准确细致的表达轴承与穿过轴的空间尺度形状等几何特性，同时两者之间接触关系的设置能够合理的反应动力学分析时两者的连接特性。通过圆环结构模型弹性模量和质量的调整模拟轴承本身的力学特性，同时以三向弹簧单元模拟轴承结构基座的刚度可以避免复杂的三维建模工作又能保证工程计算的精度。本发明提出的建模方法能够有效的模拟轴承与轴系的细部动力学特性，且在各种商用有限分析软件上均可实现。

Description

一种船舶轴系轴承动力学分析建模方法及分析模型
技术领域
本发明涉及一种船舶轴系轴承动力学分析建模方法及分析模型，属于船舶结构工程领域。
背景技术
船舶轴系的动力学分析一般采用梁单元进行有限元建模，轴系的支撑结构利用弹簧单元来模拟相应的刚度，该方法获得的轴系整体动力学响应结果一般能够满足工程精度的要求，但轴系梁模型由于其简化及等效方式的限制，很难有效的进行轴系局部强度的细化分析，如轴承与轴系的局部接触应力计算等，而轴系轴承的动力学分析是保证轴系在瞬态载荷作用下安全运转的关键。
现行的船舶轴系的动力学分析一般采用梁单元进行有限元建模，该方法获得的轴系整体动力学响应结果一般能够满足工程精度的要求，但轴系梁模型由于其简化及等效方式的限制，很难有效的进行轴系局部强度的细化分析，如轴承与轴系的局部接触应力计算等，而轴系轴承的动力学分析是保证轴系在瞬态载荷作用下安全运转的关键。基于上述情况，提出一种有效的船舶轴系轴承动力学分析建模方法对于轴系的设计及安全评估具有重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现行的船舶轴系的动力学分析建模方法很难有效的进行轴系局部强度的细化分析及评估轴承与轴结构的应力情况。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种船舶轴系轴承动力学分析建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、建立圆柱体轴穿过球轴承圆环结构的三维有限元模型；
步骤二、调整球轴承圆环结构三维有限元模型的弹性模量和密度实现轴承自身刚度与质量的等效；
步骤三、以球轴承圆环结构的圆环中心为参考点，建立圆环中心与球轴承圆环结构外表面节点的多点约束；
步骤四、建立球轴承圆环结构的圆环中心与船体结构连接的外载荷三维有限元模型，模拟球轴承圆环结构下结构基座的刚度；
步骤五、建立球轴承圆环结构表面与圆柱体轴结构表面的三维接触关系。
优选地，所述步骤一中圆柱体轴的三维有限元模型和球轴承圆环结构的三维有限元模型不接触。
优选地，所述步骤二中以球轴承圆环结构三维有限元模型的弹性模量和密度为两个未知数，轴承自身刚度与质量为目标值，求解出球轴承圆环结构三维有限元模型的弹性模量和密度。
优选地，所述步骤二中，分别构建关于弹性模量x、密度y和轴承刚度K的关系式f(x,y)＝K，以及弹性模量x、密度y和轴承质量M的关系式h(x,y)＝M，求解出球轴承圆环结构三维有限元模型的弹性模量x和密度y,实现轴承自身刚度与质量的等效。
优选地，所述步骤一中先分别建立圆柱体轴的三维有限元模型和球轴承圆环结构的三维有限元模型，再建立圆柱体轴穿过球轴承圆环结构的三维有限元模型。
优选地，所述圆柱体轴的三维有限元模型和球轴承圆环结构的三维有限元模型为三维实尺度体网格有限元模型。
优选地，所述外载荷为三向弹簧单元，弹簧单元的三向刚度为轴承下结构基座的实际刚度。
优选地，所述步骤五中通过外载荷三维有限元模型向球轴承圆环结构和圆柱体轴的三维有限元模型施加载荷使两者发生接触关系。
优选地，所述步骤一至步骤五通过有限分析软件实现。
本发明的另一个技术方案是提供了一种船舶轴系轴承动力学分析模型，其特征在于：应用上述任意一项所述的船舶轴系轴承动力学分析建模方法，包括圆柱体轴的三维有限元模型、球轴承圆环结构的三维有限元模型以及外载荷的三维有限元模型，所述球轴承圆环结构穿过圆柱体轴的三维有限元模型且两者不接触，所述外载荷的三维有限元模型与球轴承圆环结构的外表面连接用于向球轴承圆环结构和圆柱体轴的三维有限元模型施加载荷使两者发生接触关系。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明以三维体单元建立球轴承圆环结构与穿过轴结构的三维模型，能够准确细致的表达轴承与穿过轴的空间尺度形状等几何特性，同时两者之间接触关系的设置能够合理的反应动力学分析时两者的连接特性。通过圆环结构模型弹性模量和质量的调整模拟轴承本身的力学特性，同时以三向弹簧单元模拟轴承结构基座的刚度可以避免复杂的三维建模工作又能保证工程计算的精度。本发明提出的建模方法能够有效的模拟轴承与轴系的细部动力学特性，且在各种商用有限分析软件上均可实现。
附图说明
图1为轴承动力学分析模型侧视图；
图2为轴承动力学分析模型横断面图；
图3为圆环结构与参考点多点约束示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明一种船舶轴系轴承动力学分析建模方法基于有限分析软件实施，具体包括以下步骤：
步骤一、建立圆柱体轴1的三维实尺体网格有限元模型，建立球轴承圆环结构2部分的三维实尺度体网格有限元模型，球轴承圆环结构2的三维有限元模型穿过圆柱体轴1的三维有限元模型，两者的三维有限元模型不连接。
步骤二、以球轴承圆环结构2三维有限元模型的弹性模量和密度为两个未知数，轴承自身刚度与质量为目标值，求解出球轴承圆环结构2三维有限元模型的弹性模量和密度。具体为分别构建关于弹性模量x、密度y和轴承刚度K的关系式f(x,y)＝K，以及弹性模量x、密度y和轴承质量M的关系式h(x,y)＝M，求解出球轴承圆环结构2三维有限元模型的弹性模量x和密度y,实现轴承自身刚度与质量的等效。
步骤三、以球轴承圆环结构2的圆环中心为参考点，建立圆环中心与球轴承圆环结构2外表面节点的多点约束4，如图3所示。
步骤四、建立球轴承圆环结构2的圆环中心与船体结构连接的外载荷三维有限元模型，模拟球轴承圆环结构2下结构基座的刚度，外载荷为三向弹簧单元3，弹簧单元的三向刚度为轴承下结构基座的实际刚度。
步骤五、通过三向弹簧单元3的三维有限元模型向球轴承圆环结构2和圆柱体轴1的三维有限元模型施加载荷使两者发生接触，建立球轴承圆环结构2表面与圆柱体轴1结构表面的三维接触关系。
如图1和图2所示，本发明一种船舶轴系轴承动力学分析包括圆柱体轴1的三维有限元模型、球轴承圆环结构2的三维有限元模型以及三向弹簧单元3的三维有限元模型，球轴承圆环结构2穿过圆柱体轴1的三维有限元模型且两者不接触，三向弹簧单元3的三维有限元模型与球轴承圆环结构2的外表面连接用于向球轴承圆环结构2和圆柱体轴1的三维有限元模型施加载荷使两者发生接触关系。

Claims (10)

1.一种船舶轴系轴承动力学分析建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、建立圆柱体轴穿过球轴承圆环结构的三维有限元模型；
步骤二、调整球轴承圆环结构三维有限元模型的弹性模量和密度实现轴承自身刚度与质量的等效；
步骤三、以球轴承圆环结构的圆环中心为参考点，建立圆环中心与球轴承圆环结构外表面节点的多点约束；
步骤四、建立球轴承圆环结构的圆环中心与船体结构连接的外载荷三维有限元模型，模拟球轴承圆环结构下结构基座的刚度；
步骤五、建立球轴承圆环结构表面与圆柱体轴结构表面的三维接触关系。
2.如权利要求1所述的一种船舶轴系轴承动力学分析建模方法，其特征在于：所述步骤一中圆柱体轴的三维有限元模型和球轴承圆环结构的三维有限元模型不接触。
3.如权利要求1所述的一种船舶轴系轴承动力学分析建模方法，其特征在于：所述步骤二中以球轴承圆环结构三维有限元模型的弹性模量和密度为两个未知数，轴承自身刚度与质量为目标值，求解出球轴承圆环结构三维有限元模型的弹性模量和密度。
4.如权利要求1所述的一种船舶轴系轴承动力学分析建模方法，其特征在于：所述步骤二中，分别构建关于弹性模量x、密度y和轴承刚度K的关系式f(x,y)＝K，以及弹性模量x、密度y和轴承质量M的关系式h(x,y)＝M，求解出球轴承圆环结构三维有限元模型的弹性模量x和密度y,实现轴承自身刚度与质量的等效。
5.如权利要求1所述的一种船舶轴系轴承动力学分析建模方法，其特征在于：所述步骤一中先分别建立圆柱体轴的三维有限元模型和球轴承圆环结构的三维有限元模型，再建立圆柱体轴穿过球轴承圆环结构的三维有限元模型。
6.如权利要求5所述的一种船舶轴系轴承动力学分析建模方法，其特征在于：所述圆柱体轴的三维有限元模型和球轴承圆环结构的三维有限元模型为三维实尺度体网格有限元模型。
7.如权利要求1所述的一种船舶轴系轴承动力学分析建模方法，其特征在于：所述外载荷为三向弹簧单元，弹簧单元的三向刚度为轴承下结构基座的实际刚度。
8.如权利要求1所述的一种船舶轴系轴承动力学分析建模方法，其特征在于：所述步骤五中通过外载荷三维有限元模型向球轴承圆环结构和圆柱体轴的三维有限元模型施加载荷使两者发生接触关系。
9.如权利要求1所述的一种船舶轴系轴承动力学分析建模方法，其特征在于：所述步骤一至步骤五通过有限分析软件实现。
10.一种船舶轴系轴承动力学分析模型，其特征在于：应用权利要求1至9任意一项所述的船舶轴系轴承动力学分析建模方法，包括圆柱体轴(1)的三维有限元模型、球轴承圆环结构(2)的三维有限元模型以及外载荷的三维有限元模型，所述球轴承圆环结构(2)穿过圆柱体轴(1)的三维有限元模型且两者不接触，所述外载荷的三维有限元模型与球轴承圆环结构(2)的外表面连接用于向球轴承圆环结构(2)和圆柱体轴(1)的三维有限元模型施加载荷使两者发生接触关系。
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