利用COMSOL,Multiphysics进行船舶轴系回旋振动仿真
时间：2020-12-16 16:02:08 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：本文利用大型商业有限元软件COMSOL Multiphysics进行船舶轴系回旋振动计算。首先根据轴系布置情况建立仿真模型，确定轴系回旋振动计算的边界条件，以实船轴系为例进行仿真计算并将计算结果与其它软件计算结果比较。通过比较，发现COMSOL Multiphysics有限元仿真方法能较好的解决船舶轴系回旋振动问题。
关键词：COMSOL Multiphysics； 回旋振动
中图分类号：U664.2 文献标识码：A
Abstract： This paper discusses the calculation of whirl vibration of ship shafting with the software COMSOL Multiphysics， builds the calculation model according to the arrangement of the shafting， defines the constraint conditions for the calculation and compares the result with that from other software， which shows that using COMSOL Multiphysics to calculate is available and reliable.
Key words： COMSOL Multiphysics； Whirl vibration
1 前言
由于轴系旋转部件的质量不平衡产生的离心力，以及螺旋桨在船尾不均匀的伴流场运转产生按叶频周期变化的流体力，至使轴在旋转过程中产生周期性的弯曲变形，这种现象称为回旋振动。回旋振动会造成尾管密封漏水或漏油、轴承座松动甚至破裂。为此，各国船级社均对轴系回旋振动一次和叶片次共振临界转速进行监控，要求设计部门提交上述参数以供审查。
COMSOL Multiphysics是一套数值模拟软件包，通过有限元方法模拟可用偏微分方程表述工程中的各种问题，能方便定义和求解任意多物理场耦合问题。集合前处理、求解和后处理于一体的有限元CAE软件，提供了友好的图形用户界面和建模工具。该计算方法在声学、化学、地球科学、热力学、结构力学和流体力学方面均有广泛应用。
本文以某50 m巡逻艇为例，应用COMSOL Multiphysics软件对其轴系回旋振动进行仿真计算，并将计算结果与其它成熟商业软件进行比较，以验证计算结果的准确性。
2 有限元计算模型
50 m巡逻艇轴系由螺旋桨、螺旋桨轴、调节短轴及轴系附件等组成：螺旋桨轴长9.21 m、基本轴径0.135 m，设有3个轴承支撑；调节短轴长1.82 m、基本轴径0.13 m，无轴承支撑；螺旋桨为B型5叶固定螺距螺旋桨，附加水质量423.78 kg、螺旋桨极转动惯量（附水）34.15 kg.m2、径向转动惯量（附水） 22.00 kg.m2；中间轴与齿轮箱为刚性联接。
根据轴系实际布置情况，建模过程进行如下简化：轴系采用3D连续梁，每个节点具有六个自由度（UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ），轴承对轴系的支撑作用简化为作用在其几何中心点的弹性基座，对轴系Y和Z向进行弹性支撑；为模拟齿轮箱对轴系法兰的支承，分别在X、Y、Z方向设置弹簧，弹簧的刚度由经验数据给出；螺旋桨简化为集中质量，直接加载在桨几何中心位置。
经过以上简化，可以利用COMSOL Multiphysics 结构力学分析模块，建立3D梁模型。轴系共有22个节点，采用了11种不同截面，弹性支撑4个（与节点共点）、点质量1个。简化模型见图1。
轴系材料设定为：密度ρ=7.8x103 kg/m3；弹性模量E=2.1x1011 N/m2；泊松比μ=0.3。按轴系布置情况分别设定各轴段的截面参数、弹性支撑刚度、节点载荷和约束条件。
通过修改螺旋桨（集中质量）的径向转动惯量的设定值，可实现轴系横向振动、1次正回旋、1次逆回旋、叶片次正回旋、叶片次逆回旋的计算。
3 计算结果比较
经仿真计算，得到回旋振动的振型、转角及节点弯矩、剪力，分别如图1、图2所示。
为了便于比较，表1和表2分别列出了利用COMSOL Multiphysics有限元软件和其它商业软件计算所得到的回旋振动频率及横向振动的校对振幅、转角、弯矩及剪力值。通过比较，发现COMSOL Multiphysics有限元计算结果与其它商业软件计算结果基本一致。
4 结论
根据某50 m巡逻艇的轴系布置情况建立COMSOL Multiphysics模型，对轴系回旋振动进行仿真计算，并将计算结果与其它常用商业计算软件计算结果进行比较。通过比较发现，仿真计算结果与其它商业软件计算结果基本一致，误差范围在工程允许范围之内，证明利用COMSOL Multiphysics进行船舶轴系回旋振动计算在工程上是完全适合的。
參考文献
[1] CB*/Z336-1994 船舶推进轴系回旋振动计算方法 [M].全国船舶标
准化技术委员会.
[2] GD020-2000 船上振动控制指南 [M]. 中国船级社，2006.
