一种时变传动推进系统的建模方法

技术领域

本发明属于船舶设计技术领域，更具体地，涉及一种时变传动推进系统的建模方法。

背景技术

船舶中的传动推进系统扮演着至关重要的角色，然而其工作环境相对较为恶劣，且不断承受着来自复杂载荷的挑战，这将不可避免地导致各种问题产生。其中，船舶推进轴系对于船体结构振动和辐射噪音的产生起着至关重要的作用。

我国目前在船舶推进系统的设计方面，仍采取比较传统的建模方式，并且缺乏传动系统构型设计方面的经验。主要通过引进和仿制来解决问题。船舶推进系统主要由螺旋桨、齿轮箱、万向联轴器和主机等组成。为了计算螺旋桨诱导脉动压力，常常使用三种方法：理论计算、经验公式估算和试验法。其中经验公式主要有Holden法、高桥肇法、藤野法等，试验方法主要包括模型试验和实船测试。

但是这些方法在实际应用中都存在一些局限性。传统方法在应用时需要进行繁琐的数值分析。并且在实际工作中，这些部件产生的激励往往是时变的，且激励力并不具有恒定大小，这会导致整个系统的振动响应表现出不确定性特征。这种模式下，如果轴系长期处于不确定性振动状态或在突发强振动状况下运行，将可能导致轴承的负载能力偏差、轴系附件松脱，甚至威胁到船舶的正常安全运行。

发明内容

针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种时变传动推进系统的建模方法，旨在解决现有建模方法中存在的激励源单一，无法适用于突发强振动状况下的准确模拟，使得轴承的负载能力偏差、轴系附件松脱，甚至威胁到船舶的正常安全运行的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种时变传动推进系统的建模方法，包括：

对推进系统的激励源分别进行建模，得到对应的激励目标模型；其中，所述激励源包括：螺旋桨时变不确定性激励、轴承油膜、齿轮箱激励和万向联轴器，所述激励目标模型包括：螺旋桨激励模型、油膜载荷时变模型、齿轮箱激励模型和万向联轴器模型；

对推进轴系进行建模，得到推进轴系模型；

将所述螺旋桨激励模型、所述油膜载荷时变模型、所述齿轮箱激励模型和所述万向联轴器模型耦合加载至所述推进轴系模型，得到具有多源激励的时变传动推进系统模型。

可选的，对推进系统的螺旋桨时变不确定性激励进行建模，得到螺旋桨激励模型，包括：

生成凸模型过程的样本函数，并基于所述样本函数计算螺旋桨激励力的响应边界；

对所述凸模型过程进行采样，获得时间历程上的载荷样本曲线；

根据所述载荷样本曲线和Monte Carlo仿真方法得到所述螺旋桨激励模型。

可选的，对推进系统的轴承油膜进行建模，得到油膜载荷时变模型，包括：

基于流体动压润滑理论，对滑动轴承油膜建立二维雷诺方程，并确定其边界条件；

通过有限差分法求解所述二维雷诺方程，并采用逐点松弛迭代法求解油膜节点压力分布；

通过校中计算得到的轴承处的负荷以及倾角参数；

根据所述负荷和所述倾角参数求得对应校中姿态的轴颈平衡位置，并计算出油膜刚度；

根据所述油膜节点压力分布和所述油膜刚度得到所述油膜载荷时变模型。

可选的，对推进系统的齿轮箱激励进行建模，得到齿轮箱激励模型，包括：

通过在MSC.ADAMS仿真平台上建立齿轮箱的虚拟样机模型；

根据弹性理论以此对所述虚拟样机模型中的每一个齿轮接触对进行碰撞定义，得到齿轮啮合冲击激励；

对所述齿轮啮合冲击激励进行仿真计算，得到齿轮箱激励模型。

可选的，对推进系统的万向联轴器进行建模，得到万向联轴器模型，包括：

采取坐标变换法对所述万向联轴器中的主动轴叉、十字轴和从动轴叉之间的运动关系进行分析，通过欧拉变换，得到固定坐标系和旋转动坐标系的关系；

在所述固定坐标系和所述旋转动坐标系上建立不同转速、扭矩、角度差对应的万向联轴器模型。

可选的，所述对推进轴系进行建模，得到推进轴系模型，包括：

根据谱几何级数法描述所述推进轴系的子结构的位移；

采用弹簧系统模拟所述推进轴系的弹性边界和结构耦合条件；

对所述子结构的位移、所述弹性边界和所述结构耦合条件进行能量泛函变分，建立具有振动特性的所述推进轴系模型。

可选的，在所述将所述螺旋桨激励模型、所述油膜载荷时变模型、所述齿轮箱激励模型和所述万向联轴器模型耦合加载至所述推进轴系模型之后，还包括：

采用集中质量、杆、弹簧-阻尼-质量系统模拟对所述推进轴系模型中的螺旋桨、轴系和推力轴承进行简化；

采用Timoshenko梁模拟对所述推进轴系模型中的推力轴承基座进行简化；

根据简化后的所述推进轴系模型得到所述具有多源激励的时变传动推进系统模型。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供了一种时变传动推进系统的建模方法，适用于不同船舶运行工况下的主要激励源模型和参数时变激励耦合轴系模型，可用于指导船舶传动推进系统的动力学结构设计，并具有重要的实用价值和指导意义，同时也为未来的耦合结构振动研究和减振降噪分析提供了技术基础。

2、本发明提供了一种时变传动推进系统的建模方法，实现了多源激励时变传动推进系统模型的建立，可以适用于不同船舶运行工况下的主要激励源模型和参数时变激励耦合轴系模型，使得建立的模型更符合工程实际，并且在实际应用中的振动响应更符合预期仿真结果，从而保证船体状态良好，保证了船舶的正常运行。

3、本发明提供了一种时变传动推进系统的建模方法，能够分析轴系系统在横向和纵向不确定激励下的振动响应，建立了适用于轴系不确定振动分析的模型。对各工况下的响应边界进行对比分析，以更深入地了解振动响应的情况。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种时变传动推进系统的建模方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。

如图1所示，一种时变传动推进系统的建模方法，包括：

S1、对推进系统的激励源分别进行建模，得到对应的激励目标模型；其中，激励源包括：螺旋桨时变不确定性激励、轴承油膜、齿轮箱激励和万向联轴器，激励目标模型包括：螺旋桨激励模型、油膜载荷时变模型、齿轮箱激励模型和万向联轴器模型；

S2、对推进轴系进行建模，得到推进轴系模型；

S3、将螺旋桨激励模型、油膜载荷时变模型、齿轮箱激励模型和万向联轴器模型耦合加载至推进轴系模型，得到具有多源激励的时变传动推进系统模型。

时变传动推进系统的模型是一个复杂的系统模型，需要考虑多个因素以预测其性能和行为。系统中的关键部件包括激励器、传动系统和推进系统。激励器可以是螺旋桨、齿轮箱或其他形式的能量源，传动系统可以通过齿轮或液压系统将激励能量传递给推进系统。

本实施例提供的方法依据典型船舶在不同运行状态下所受到的激励载荷，对包括螺旋桨、齿轮箱、液力耦合器和万向联轴器等典型船舶主要激励源进行了分解。考虑到激励力具有时变特性，分别建立了螺旋桨、主机和齿轮箱、以及万向联轴器的激励载荷谱建模方法。

在建模时需要考虑的因素包括：激励器的输出能力和稳定性，包括功率、扭矩和转速等参数；传动系统的传递效率和动力损失，包括摩擦、惯性和其他因素；推进系统的推力产生能力和稳定性，包括叶片角度、气体流量和其他参数；运行环境的影响，包括温度、湿度、海拔高度和其他因素。通过考虑以上因素，并使用实验数据和理论分析，可以建立一个精确的时变传动推进系统模型，以用于性能预测、故障诊断和优化设计等应用。

可选的，对推进系统的螺旋桨时变不确定性激励进行建模，得到螺旋桨激励模型，包括：

生成凸模型过程的样本函数，并基于所述样本函数计算螺旋桨激励力的响应边界；

对所述凸模型过程进行采样，获得时间历程上的载荷样本曲线；

根据所述载荷样本曲线和Monte Carlo仿真方法得到所述螺旋桨激励模型。

时变不确定性激励是指系统受到来自环境或内部的不确定性激励，这些激励的特征和强度会随着时间的推移而变化。这种不确定性通常是由于环境的多样性和系统的复杂性而导致的，例如气象变化、交通流量的波动、机器的磨损等。时变不确定性激励对系统的影响非常严重，因为它可能导致系统性能的急剧变化，例如系统变得不稳定、发生振动或噪声问题等。因此，对时变不确定性激励进行准确的建模和分析是保证系统正常运行的重要一环。

Monte Carlo仿真方法是一种广泛应用于风险分析、金融建模、物理仿真等领域的随机模拟方法。其基本思想是通过随机抽样的方法，多次地重复随机试验，从中提取样本数据来估计系统或过程的概率分布或统计特性。具体来说，Monte Carlo仿真方法通过对输入参数的随机性进行模拟，使用数值模型或算法来模拟系统或过程的行为，解决了许多传统方法无法解决的问题。

可选的，对推进系统的轴承油膜进行建模，得到油膜载荷时变模型，包括：

基于流体动压润滑理论，对滑动轴承油膜建立二维雷诺方程，并确定其边界条件；

通过有限差分法求解所述二维雷诺方程，并采用逐点松弛迭代法求解油膜节点压力分布；

通过校中计算得到的轴承处的负荷以及倾角参数；

根据所述负荷和所述倾角参数求得对应校中姿态的轴颈平衡位置，并计算出油膜刚度；

根据所述油膜节点压力分布和所述油膜刚度得到所述油膜载荷时变模型。

雷诺方程是描述流体力学中一种基本的守恒方程，其在流体运动的各个方面都发挥着重要的作用。在工程领域中，雷诺方程被广泛应用于飞行器设计、船舶水动力学、燃烧流场、地震学、气动力学以及各种用于输油气、气流控制等系统的设计和分析。

可选的，对推进系统的齿轮箱激励进行建模，得到齿轮箱激励模型，包括：

通过在MSC.ADAMS仿真平台上建立齿轮箱的虚拟样机模型；

根据弹性理论以此对所述虚拟样机模型中的每一个齿轮接触对进行碰撞定义，得到齿轮啮合冲击激励；

对所述齿轮啮合冲击激励进行仿真计算，得到齿轮箱激励模型。

本实施例采用的推进系统的齿轮箱具有多输入轴和额外的PTO/PTI电机。为了解决其传动结构更加复杂、输入轴更多的问题，采用MSC.ADAMS仿真平台和弹性碰撞理论进行研究。通过建立虚拟样机模型，并对每对齿轮接触对进行碰撞定义，可以仿真计算出在额定工况下传动系统中产生的齿轮啮合冲击激励。最后选取一对进行验算，以验证仿真计算的准确性。

针对齿轮箱中各零部件(如齿轮、轴承、传动轴)的动力学模型，采用动力学理论，以能量法和微元法为基础，考虑多种非线性因素对动力系统的影响，并建立相应的动力学模型。通过对动力学方程中位移、速度和加速度等变量进行无量纲化处理，总结出各个参数之间的关系，进一步分析各参数对已建立动力学模型的特性所产生的影响。

齿轮啮合冲击激励是指在齿轮啮合过程中产生的冲击力，由于齿轮啮合时齿廓形状的离散性、齿轮轴线偏差、齿轮质量分布不均等原因，使齿轮运动时产生不规则的冲击力。这些冲击力会在齿轮进行传动过程中产生振动和噪声，同时对齿轮本身也会产生损坏。解决齿轮啮合冲击激励问题的方法包括改进齿轮的材料和制造工艺等技术，以增加齿轮的强度、硬度和耐磨性等。同时，在设计齿轮系统时需要仔细考虑齿轮的啮合角度、齿数、模数以及齿面形状等参数，以减少齿轮啮合冲击激励的产生。

可选的，对推进系统的万向联轴器进行建模，得到万向联轴器模型，包括：

采取坐标变换法对所述万向联轴器中的主动轴叉、十字轴和从动轴叉之间的运动关系进行分析，通过欧拉变换，得到固定坐标系和旋转动坐标系的关系；

在所述固定坐标系和所述旋转动坐标系上建立不同转速、扭矩、角度差对应的万向联轴器模型。

万向联轴器是一种用于传递轴间扭矩和旋转角度变化的机械元件。它通常由两个万向节和一个连接它们的中心管组成。它可以在角度和轴线方向上自由旋转，从而使两个轴相互连接，并在它们之间传递扭矩和旋转。

本实施例中采用的推进系统的万向联轴器，基于多刚体动力学理论，分析不同转速、扭矩和角度差情况下的二次激励力特性，并建立相应的运动学模型。

可选的，所述对推进轴系进行建模，得到推进轴系模型，包括：

根据谱几何级数法描述所述推进轴系的子结构的位移；

采用弹簧系统模拟所述推进轴系的弹性边界和结构耦合条件；

对所述子结构的位移、所述弹性边界和所述结构耦合条件进行能量泛函变分，建立具有振动特性的所述推进轴系模型。

谱几何级数法(spectral geometry method)是一种用于研究基于几何结构的问题的数学方法。它基于谱理论，将研究对象(如流形、算子等)表示为谱形式，即通过对其进行傅里叶变换或离散傅里叶变换，获得其特定频率下的傅里叶系数。通过对这些傅里叶系数进行适当的处理和组合，可以得到关于研究对象几何结构的信息。

本实施例的方法中还包括了一种用于传动推进系统的时变不确定性振动分析方法。该方法基于输入激励时变不确定性的特征参数，求解系统或结构的上下响应边界，以多自由度耦合系统为例进行时变不确定性振动计算。考虑激励时变不确定性的不同工况下的传动推进系统的振动响应，分析了不同转速以及轴承刚度变化的轴系不确定性振动问题。

可选的，在所述将所述螺旋桨激励模型、所述油膜载荷时变模型、所述齿轮箱激励模型和所述万向联轴器模型耦合加载至所述推进轴系模型之后，还包括：

采用集中质量、杆、弹簧-阻尼-质量系统模拟对所述推进轴系模型中的螺旋桨、轴系和推力轴承进行简化；

采用Timoshenko梁模拟对所述推进轴系模型中的推力轴承基座进行简化；

根据简化后的所述推进轴系模型得到所述具有多源激励的时变传动推进系统模型。

本发明实施例的技术方案通过对包括螺旋桨、轴承油膜、齿轮箱和万向联轴器等典型船舶主要激励源进行了分解，分别构建激励模型，得到多源激励模型，并将多源激励模型耦合加载至推进轴系模型，从而得到具有多源激励的时变传动推进系统模型，解决了现有建模方法中存在的激励源单一，无法适用于突发强振动状况下的准确模拟，使得轴承的负载能力偏差、轴系附件松脱，甚至威胁到船舶的正常安全运行的技术问题，实现了多源激励时变传动推进系统模型的建立，可以适用于不同船舶运行工况下的主要激励源模型和参数时变激励耦合轴系模型，使得建立的模型更符合工程实际，并且在实际应用中的振动响应更符合预期仿真结果，从而保证船体状态良好，保证了船舶的正常运行。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。