CN113221244B - 一种船舶螺旋桨转轴疲劳寿命的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶螺旋桨转轴疲劳寿命的分析方法，涉及船舶螺旋桨转轴领域，包括：建立船舶螺旋桨转轴的负载推力函数和负载扭矩函数；基于范式屈服准则建立转轴上一点的关于负载推力函数和负载扭矩函数的范式等效应力函数；利用各个工况参数及对应的实验结果拟合得到负载推力函数、负载扭矩函数以及范式等效应力函数中的待定系数；采集船舶在实际运行中的船舶运行速度变化曲线和转轴转速变化曲线，并通过拟合得到的范式等效应力函数得到对应的范式等效应力曲线，根据S‑N曲线以及范式等效应力曲线得到转轴使用时间极限值，将多种工况下负载进行处理并结合疲劳耐久理论以及实际的船舶运行状态数据得到疲劳寿命数据。

Description

一种船舶螺旋桨转轴疲劳寿命的分析方法

技术领域

本发明涉及船舶螺旋桨转轴领域，尤其是一种船舶螺旋桨转轴疲劳寿命的分析方法。

背景技术

船舶螺旋桨转轴是船舶动力的推进系统，船舶螺旋桨通常包括转轴和安装在转轴上的螺旋桨，当船舶在水中运行时，转轴旋转从而驱动螺旋桨也进行相应的旋转，螺旋桨在旋转过程中对水流产生作用力，同时水流也会给到螺旋桨反作用力达到推进船舶行进的目的。

由于螺旋桨在旋转过程中与水流的相互作用，主要会在螺旋桨上产生两种力，一种是螺旋桨自身旋转所产生的推进力，另一种是螺旋桨在推进过程中水流对其产生的阻力，这两种力表现在转轴上为一个轴向的推力以及一个轴向的正反扭矩，拉应力和正反扭矩会影响转轴的疲劳寿命，目前传统的研究方法是通过实验，模拟转轴在实际运行过程中的状态，进而计算得到转轴的疲劳寿命，但这种方法由于工作量大，持续时间长，同时会破坏转轴的固有状态，且由于设备的限制，不能很好的系统性的研究转轴的寿命。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种船舶螺旋桨转轴疲劳寿命的分析方法，本发明的技术方案如下：

一种船舶螺旋桨转轴疲劳寿命的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于流体动力学建立船舶螺旋桨转轴的负载推力函数和负载扭矩函数，所述负载推力函数反应所述船舶螺旋桨转轴受到的负载推力与不同时刻下的船舶运行速度以及转轴转速的关系，所述负载扭矩函数反应所述船舶螺旋桨转轴受到的负载扭矩和不同时刻下的船舶运行速度以及转轴转速的关系；

基于范式屈服准则建立转轴上一点的关于负载推力函数和负载扭矩函数的范式等效应力函数；

针对所述船舶螺旋桨转轴建立仿真环境并在不同的工况参数下进行仿真试验得到对应的实验结果，所述不同的工况参数包括不同的船舶运行速度和不同转轴转速，所述实验结果包括在对应的工况下所述船舶螺旋桨转轴受到的负载推力与负载扭矩；利用各个工况参数及对应的实验结果拟合得到所述负载推力函数、负载扭矩函数以及范式等效应力函数中的待定系数；

采集装配有所述船舶螺旋桨转轴的船舶在实际运行中的船舶运行速度变化曲线和转轴转速变化曲线，并通过拟合得到的所述范式等效应力函数得到对应的范式等效应力曲线，根据所述船舶螺旋桨转轴的S-N曲线以及所述范式等效应力曲线得到转轴使用时间极限值。

其进一步的技术方案为，所述负载推力函数的表达式为：

其中，F(t)表示在t时刻下转轴受到的负载推力，a_(i,j)表示第一子待定系数，v(t)、r(t)分别表示在t时刻下船舶运行速度和在t时刻下转轴转速，i、j为参数。

其进一步的技术方案为，所述负载扭矩函数的表达式为：

其中，M(t)表示在t时刻下转轴受到的负载扭矩，a_(u,v)分别表示第二子待定系数，v(t)、r(t)分别表示在t时刻下船舶运行速度和在t时刻下转轴转速，u、v为参数。

其进一步的技术方案为，所述范式等效应力函数的表达式为：

其中，s(t)表示在t时刻下转轴上一点的范式等效应力，F(t)表示在t时刻下转轴受到的负载推力，M(t)表示在t时刻下转轴受到的负载扭矩，C₁、C₂、C₃分别表示第一主待定系数、第二主待定系数和第三主待定系数。

其进一步的技术方案为，所述基于范式屈服准则建立转轴上一点的关于负载推力函数和负载扭矩函数的范式等效应力函数，包括：

以转轴的轴向方向为z轴，通过空间直角坐标系的右手定则建立所述船舶螺旋桨转轴的xyz轴，构建xyz轴的正应力与负载推力函数之间的关系，并构建xy、yz、xz平面上的切应力与负载扭矩函数之间的关系；

将xyz轴的正应力和xy、yz、xz平面上的切应力代入范式屈服准则中得到所述范式等效应力函数，所述范式屈服准则的表达式为：

其中，s(t)表示在t时刻下转轴上一点的范式等效应力，s_x(t)、s_y(t)、s_z(t)分别表示在t时刻下转轴在x、y、z轴的正应力，τ_xy(t)、τ_yz(t)、τ_xz(t)分别表示在t时刻下转轴在xy、yz、xz平面上的切应力。

其进一步的技术方案为，所述xyz轴的正应力的计算公式为：

s_x(t)＝0

s_y(t)＝0

s_z(t)＝C₁F(t)；

所述xy、yz、xz平面上的切应力的计算公式为：

τ_xy(t)＝0

τ_yz(t)＝C₂M(t)

τ_xz(t)＝C₃M(t)。

其进一步的技术方案为，所述根据所述船舶螺旋桨转轴的S-N曲线以及所述范式等效应力曲线得到转轴使用时间极限值，包括：

基于Gerber准则将所述范式等效应力曲线转变为均值为0的等效交变应力，所述等效交变应力包括k个交变周期；

根据所述等效交变应力通过船舶螺旋桨转轴的S-N曲线确定每个交变周期的疲劳寿命周期，所述S-N曲线的表达式为：

lgS_i＝A+BlgN_i；

其中，A和B为材料参数，S_i表示第i个交变周期的等效交变应力，N_i表示第i个交变周期的疲劳寿命周期，且i≤k；

通过每个交变周期的疲劳寿命周期得到损伤累计值为D，计算公式为：

根据所述损伤累计值得到转轴使用时间极限值，所述转轴使用时间极限值N_life的计算公式为：

其进一步的技术方案为，所述等效交变应力的表达式为：

其中，s_m代表一个循环周期中应力的上下极值的平均值，s_r代表一个循环周期中应力的上下极值的差，即波峰与波谷的高度差，S_u代表材料抗拉强度，S_e表示转化后的交变应力幅值。

本发明的有益技术效果是：通过负载推力函数和负载扭矩函数确定转轴上一点的范式等效应力函数，能够很好的模拟出船舶螺旋桨轴系在工作状态下所受到的力；将多种工况下的负载进行集中处理并结合疲劳耐久理论以及实际的船舶运行状态数据得到更加准确的疲劳寿命数据。

附图说明

图1是本申请的方法流程图。

图2是本申请中一个实施例下的转轴所受轴向的负载推力所产生的应力输出结果。

图3是本申请中一个实施例下的转轴绕轴向的负载扭矩所产生的应力输出结果。

图4是本申请中一个实施例的实验模型的S-N曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

一种船舶螺旋桨转轴疲劳寿命的分析方法，步骤如图1所示。

步骤1：为了分析船舶螺旋桨转轴的疲劳寿命，首先需要知道船舶螺旋桨转轴的寿命受哪些因素的影响，根据机械的疲劳寿命理论结合船舶螺旋桨转轴的运行工况可知：船舶螺旋桨转轴的疲劳寿命主要与转轴在工作时间内所受的负载以及转轴的材料有关，即转轴在运行状态下，主要受到来自转轴轴向的负载推力以及负载扭矩，因此可以创建一个关于船舶螺旋桨转轴疲劳寿命函数f₁()：

life＝f₁(F(t),M(t),Mat(δ_b))；

其中，life表示转轴疲劳寿命，F(t)表示在t时刻下转轴受到的负载推力，M(t)表示在t时刻下转轴受到的负载扭矩，Mat(δ_b)表示转轴材料的抗拉强度。

通过该关于船舶螺旋桨转轴疲劳寿命函数f₁()能够很好的反应疲劳寿命与其他变量之间的关系。

步骤2：基于流体动力学建立船舶螺旋桨转轴的负载推力函数和负载扭矩函数。

负载推力函数反应船舶螺旋桨转轴受到的负载推力与不同时刻下的船舶运行速度以及转轴转速的关系；负载扭矩函数反应船舶螺旋桨转轴受到的负载扭矩和不同时刻下的船舶运行速度以及转轴转速的关系。

当转轴在船舶运行速度为0时，转轴所受负载推力和转轴所受负载扭矩分别与转轴转速的二次方成正比，当转轴转速为0时，转轴所受负载推力和转轴所受负载扭矩分别与船舶运行速度的二次方成正比，船舶螺旋桨转轴在行进过程中，由螺旋桨转动所产生的水流推力以及反向力矩与由于前进方向中水流作用产生的阻力与阻力矩存在耦合关系，则负载推力函数的表达式为：

则负载扭矩函数的表达式为：

其中，F(t)表示转轴受到的负载推力，M(t)表示转轴受到的负载扭矩，a_(i,j)和a_(u,v)为第一子待定系数和第二子待定系数，v(t)、r(t)分别表示在t时刻下船舶运行速度和在t时刻下转轴转速，i、j、u、v为参数。

步骤3：建立范式等效应力函数。

范式等效应力是一个屈服准则，其考虑了第一、第二、第三主应力，可以用来对疲劳，破坏等的评价，是弹塑性力学里的一个力学概念。

以转轴的轴向方向为z轴，通过空间直角坐标系的右手定则建立船舶螺旋桨转轴的xyz轴，基于范式屈服准则确定转轴上一点的范式等效应力与转轴所受轴向的负载推力、转轴绕轴向的负载扭矩有关，范式屈服准则的表达式为：

其中，s(t)表示在t时刻下转轴上一点的范式等效应力，s_x(t)、s_y(t)、s_z(t)分别表示在t时刻下转轴在x、y、z轴的正应力，τ_xy(t)、τ_yz(t)、τ_xz(t)分别表示在t时刻下转轴在xy、yz、xz平面上的切应力；

对于船舶螺旋桨转轴，转轴的轴向方向为z轴，则在工作状态下转轴承受来自轴向(z轴)的推力，以及绕轴向(z轴)的扭矩，且应力最大处为转轴外表面，因此转轴上一点的范式等效应力与转轴所受轴向的负载推力、转轴绕轴向的负载扭矩有关。

构建xyz轴的正应力与负载推力函数之间的关系，并构建xy、yz、xz平面上的切应力与负载扭矩函数之间的关系，则xyz轴的正应力的计算公式为：

s_x(t)＝0

s_y(t)＝0

s_z(t)＝C₁F(t)；

其中，C₁表示第一主待定系数，F(t)表示在t时刻下转轴所受负载推力；

xy、yz、xz平面上的切应力的计算公式为：

τ_xy(t)＝0

τ_yz(t)＝C₂M(t)

τ_xz(t)＝C₃M(t)；

C₂、C₃分别表示第二主待定系数、第三主待定系数，M(t)表示在t时刻下转轴所受负载扭矩。

综上可得：在t时刻下转轴上一点的范式等效应力s(t)：

步骤4：针对船舶螺旋桨转轴建立仿真环境拟合得到各个函数中的待定系数。

将船舶螺旋桨转轴的实验三维结构模型导入到hyperworks软件中，提取表面特征，划分网格，创建一个封闭的外表面壁面，在外部创建一个足够大的流体区域，流体区域的范围由流体速度入口、流体速度出口、上下左右包络面以及螺旋桨外表面壁面组成。

将hyperworks软件中创建好的流体区域面模型导入到CFD分析软件Star_CCM+中，设定流体速度入口边界、流体出口边界以及壁面边界；创建网格参数模型，定义网格类型、网格尺寸范围，壁面层数；为了提高计算精度并尽可能减少计算时间，在螺旋桨外表面壁面附近创建一个六面体包络区域，并对该区域内的网格采用较小的尺寸控制；生成三维流体网格单元并检查网格模型。

在不同的工况参数下进行仿真试验得到对应的实验结果，不同的工况参数包括不同的船舶运行速度和不同的转轴转速，具体的步骤为：在Star_CCM+软件中设定流体动力学物理模型类型，选择分离式求解器，分析类型为稳态、定常。在流体速度入口边界施加不同的速度，模拟螺旋桨轴向(船舶前进方向)运行的各种速度工况；将螺旋桨外表面壁面区域设定为旋转运动类型，分别施加不同的转速，模拟螺旋桨各种转速下的工况。计算并分别输出不同船舶运行速度与不同的转轴转速工况下对应的转轴所受负载推力与转轴所受负载扭矩。

根据CFD(流体动力学)计算结果，采用最小二乘法作为二元二次多项式的拟合方法，从而拟合得到负载推力函数和负载扭矩函数的子待定系数；

在hyperworks软件中通过CAE仿真分别计算出转轴所受轴向的负载推力所产生的应力以及转轴绕轴向的负载扭矩所产生的应力，如图2和3所示，每次改变入口流体速度以及螺旋桨转速，分别输出稳态下的转轴轴向负载推力以及轴向负载力矩，将输出结果作为样本参数，通过负载类型与大小和仿真计算所得的s_x(t)、s_y(t)、s_z(t)、τ_xy(t)、τ_yz(t)、τ_xz(t)，从而拟合得到范式等效应力函数中的主待定系数。

步骤5：采集装配有船舶螺旋桨转轴的船舶在实际运行中的船舶运行速度变化曲线和转轴转速变化曲线并通过范式等效应力函数得到范式等效应力曲线。

步骤6：根据船舶螺旋桨转轴的S-N曲线以及范式等效应力曲线得到转轴使用时间极限值。

基于Gerber准则将范式等效应力曲线转变为以0为均值的等效交变应力，等效交变应力包括k个交变周期，等效交变应力的表达式为：

其中，s_m代表一个循环周期中应力的上下极值的平均值，s_r代表一个循环周期中应力的上下极值的差，即波峰与波谷的高度差，S_u代表材料抗拉强度，S_e表示转化后的交变应力幅值。

根据等效交变应力通过船舶螺旋桨转轴的S-N曲线确定每个交变周期的疲劳寿命周期，S-N曲线的表达式为：

lgS_i＝A+BlgN_i；

其中，A和B为材料参数，S_i表示第i个交变周期的等效交变应力，N_i表示第i个交变周期的疲劳寿命周期，且i≤k；

在Hyperworks软件中的fatigue_process模块选择疲劳分析类型、输入材料类型、结构表面处理状况、材料抗拉强度，计算出结构及材料的S-N曲线，即获取参数A和B的值，如图4所示，横轴表示疲劳寿命周期，纵轴表示均值为0的等效交变应力的大小，图中S-N曲线显示了均值为0的等效交变应力与对应的结构疲劳寿命周期之间的关系。

通过每个交变周期的疲劳寿命周期得到损伤累计值为D，计算公式为：

根据损伤累计值D得到转轴使用时间极限值，转轴使用时间极限值N_life的计算公式为：

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种船舶螺旋桨转轴疲劳寿命的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于流体动力学建立船舶螺旋桨转轴的负载推力函数和负载扭矩函数，所述负载推力函数反应所述船舶螺旋桨转轴受到的负载推力与不同时刻下的船舶运行速度以及转轴转速的关系，所述负载扭矩函数反应所述船舶螺旋桨转轴受到的负载扭矩和不同时刻下的船舶运行速度以及转轴转速的关系；

基于范式屈服准则建立转轴上一点的关于负载推力函数和负载扭矩函数的范式等效应力函数；

针对所述船舶螺旋桨转轴建立仿真环境并在不同的工况参数下进行仿真试验得到对应的实验结果，所述不同的工况参数包括不同的船舶运行速度和不同转轴转速，所述实验结果包括在对应的工况下所述船舶螺旋桨转轴受到的负载推力与负载扭矩；利用各个工况参数及对应的实验结果拟合得到所述负载推力函数、负载扭矩函数以及范式等效应力函数中的待定系数；

采集装配有所述船舶螺旋桨转轴的船舶在实际运行中的船舶运行速度变化曲线和转轴转速变化曲线，并通过拟合得到的所述范式等效应力函数得到对应的范式等效应力曲线，根据所述船舶螺旋桨转轴的S-N曲线以及所述范式等效应力曲线得到转轴使用时间极限值；

所述负载推力函数的表达式为：

其中，F(t)表示在t时刻下转轴受到的负载推力，a_(i,j)表示第一子待定系数，v(t)、r(t)分别表示在t时刻下船舶运行速度和在t时刻下转轴转速，i、j为参数；

所述负载扭矩函数的表达式为：

其中，M(t)表示在t时刻下转轴受到的负载扭矩，a_(u,v)分别表示第二子待定系数，v(t)、r(t)分别表示在t时刻下船舶运行速度和在t时刻下转轴转速，u、v为参数；

所述范式等效应力函数的表达式为：

其中，s(t)表示在t时刻下转轴上一点的范式等效应力，F(t)表示在t时刻下转轴受到的负载推力，M(t)表示在t时刻下转轴受到的负载扭矩，C₁、C₂、C₃分别表示第一主待定系数、第二主待定系数和第三主待定系数。

2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述基于范式屈服准则建立转轴上一点的关于负载推力函数和负载扭矩函数的范式等效应力函数，包括：

以转轴的轴向方向为z轴，通过空间直角坐标系的右手定则建立所述船舶螺旋桨转轴的xyz轴，构建xyz轴的正应力与负载推力函数之间的关系，并构建xy、yz、xz平面上的切应力与负载扭矩函数之间的关系；

将xyz轴的正应力和xy、yz、xz平面上的切应力代入范式屈服准则中得到所述范式等效应力函数，所述范式屈服准则的表达式为：

其中，s(t)表示在t时刻下转轴上一点的范式等效应力，s_x(t)、s_y(t)、s_z(t)分别表示在t时刻下转轴在x、y、z轴的正应力，τ_xy(t)、τ_yz(t)、τ_xz(t)分别表示在t时刻下转轴在xy、yz、xz平面上的切应力。

3.根据权利要求2所述的分析方法，其特征在于，所述xyz轴的正应力的计算公式为：

s_x(t)＝0

s_y(t)＝0

s_z(t)＝C₁F(t)；

所述xy、yz、xz平面上的切应力的计算公式为：

τ_xy(t)＝0

τ_yz(t)＝C₂M(t)

τ_xz(t)＝C₃M(t)。

4.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述根据所述船舶螺旋桨转轴的S-N曲线以及所述范式等效应力曲线得到转轴使用时间极限值，包括：

基于Gerber准则将所述范式等效应力曲线转变为均值为0的等效交变应力，所述等效交变应力包括k个交变周期；

根据所述等效交变应力通过船舶螺旋桨转轴的S-N曲线确定每个交变周期的疲劳寿命周期，所述S-N曲线的表达式为：

lg S_i＝A+B lgN_i；

其中，A和B为材料参数，S_i表示第i个交变周期的等效交变应力，N_i表示第i个交变周期的疲劳寿命周期，且i≤k；

通过每个交变周期的疲劳寿命周期得到损伤累计值为D，计算公式为：

根据所述损伤累计值得到转轴使用时间极限值，所述转轴使用时间极限值N_life的计算公式为：

5.根据权利要求4所述的分析方法，其特征在于，所述等效交变应力的表达式为：

其中，s_m代表一个循环周期中应力的上下极值的平均值，s_r代表一个循环周期中应力的上下极值的差，即波峰与波谷的高度差，S_u代表材料抗拉强度，S_e表示转化后的交变应力幅值。