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申请/专利权人：中国人民解放军海军工程大学

摘要：本申请属于舰船动力装置设计方法技术领域，尤其涉及一种结合流固耦合的舰船轴系动力学多目标优化设计方法。包括如下步骤：构建桨轴船一体化模型；流域模型构建；流固耦合；轴系动力学分析建模；构建多目标优化函数；寻优计算；方案确定本申请结合流固耦合思想，将伴流场条件下的螺旋桨水动力计入轴系动力学分析过程，提高了轴系校中及振动计算精度，提高了多目标优化函数的建立效率以及有效性，能够有效提高针对复杂结构的设计效率；基于有限元分析以及模块化设计的思想引入自适应多目标遗传算法进行多目标寻优计算，提供了一种更加高效和稳定的舰船轴系设计方案。

主权项：1.一种结合流固耦合的舰船轴系动力学多目标优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、构建桨轴船一体化模型具体是指，根据待优化舰船轴系对象建立桨轴船一体化模型，其中船体部分所需数据包括船体总长、型宽、垂线间长、肋骨型线、吃水；螺旋桨部分所需数据主要包括桨直径、叶片型值表、叶片数、毂径比、螺距比、倾斜角、盘面比及螺旋桨旋向；轴系部分所需数据主要包括轴系总体布置、各轴段内外径、轴系各部件材料属性、各轴承型号及位置、各联接件型号及尺寸；步骤二、流域模型构建具体是指，依据步骤一建立的桨轴船一体化模型，建立流体数值仿真计算模型，该模型包括两部分：一个是用来模拟试验水池的长方体大流域模型，入口处距离船艏一倍船长，出口处距离船艉二倍船长；另一个是螺旋桨附近的圆柱形旋转小流域模型，高与桨直径相同，半径为桨直径的1.2倍；步骤三、流固耦合具体是指，网格划分完成后，设置模拟船体航行的边界条件，包括大流域出入口来流方向、静壁面、旋转流域旋转中心及旋转速度；在小流域与大流域交界处设置网格交界面，计算伴流场条件下的螺旋桨水动力，在轴系螺旋桨表面定义流固耦合面，将计算结果通过流固耦合法附加在螺旋桨表面；步骤四、轴系动力学分析建模具体是指，建立轴系校中及振动的分析模型，包括：建立轴系重量尺寸模型：式中，ρi为第i段轴的密度、Di为第i段轴的外径、di为第i段轴的内径、Li为第i段的长度，g为重力加速度，GsD为轴系附属设备重量；建立校中分析模型：将所建立的桨轴船模型只保留轴系模型建立轴系校中计算模型；采用有限元法进行校中计算，系统方程为：R2n×1＝K2n×2na2n×1；式中，R2n×1为系统载荷向量，K2n×2n为系统总体刚度矩阵，a2n×1为节点位移向量；建立振动分析模型：基于有限元法建立轴系回旋振动计算模型，考虑螺旋桨的附水质量、附水极惯量和径惯量以及大齿轮处垂向和横向啮合力；基于有限元法建立轴系纵向振动计算模型，计入螺旋桨附水效应，在齿轮轴推力盘处设置轴向接地弹簧，以模拟止推作用；计入螺旋桨水动力的得到考虑流固耦合压力作用的系统振动控制方程： 式中，Ms为结构质量矩阵、Cs为结构阻尼矩阵、Ks为结构刚度矩阵；Mf为流体等效质量矩阵、Cf为流体阻尼矩阵、Kf为流体刚度矩阵；ρfR为流固耦合质量矩阵；Ks为预应力刚度矩阵；x为节点位移、为节点速度、为节点加速度向量、p为节点流体压力；F为节点所受外部激励向量；步骤五、构建多目标优化函数基于所建立的动力学分析模型，计入流固耦合压力，计算优化前的轴系校中及振动分析结果，包括轴系挠度分布、轴承载荷、最大弯曲应力、一阶正逆回旋阵型及临界转速、一阶纵振阵型；选取轴段内径及轴承垂向变位为优化设计变量，构建多目标优化函数；重量尺寸模型的优化目标为轴系总重；校中分析模型的优化目标包括前后艉轴承轴承载荷差最小、轴承间载荷差值均匀、轴系最大弯曲应力最小、后艉轴承截面转角最小；振动分析模型优化目标，则根据模态分析结果选取振动较大的位置作为监测点，提取回振监测点横向及垂向最大振幅、纵振监测点最大共振峰值等参数，以供优化使用；多目标优化函数的一致性约束条件包括：a、轴承载荷不超过许用值且不小于相邻两跨距间所有重量总和的20％；b、各轴段最大弯曲应力不超过许用值；c、艉管后轴承支承点处截面转角不超过许用值；d、大齿轮前后轴承支反力差不超过跨间轴段及大齿轮重量总和的20％；步骤六、寻优计算包括建立多目标优化函数后，引入多目标优化算法进行寻优计算，具体是指：基于自适应多目标遗传算法进行轴系多目标寻优计算寻找全局最优解；针对不同轴系的强度校核结果，选取轴段内径及轴承垂向变位的取值范围；依据所建立的优化目标函数，按照一致性约束条件设置其取值范围，设置各项目标参数最小为优化目标；基于AMOGA寻优算法，确定迭代参数，在设计变量的取值范围内随机生成初始种群，随后进行迭代计算，得出多目标优化的备选方案；步骤七、方案确定将备选方案依次导入动力学计算模型，更新轴段内径及所选轴承垂向变位，再次进行计入螺旋桨水动力的校中与振动计算，对比优化前后的计算结果选出备选方案中最优的设计方案。

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百度查询： 中国人民解放军海军工程大学 一种结合流固耦合的舰船轴系动力学多目标优化设计方法