船舶轴系性能提升与运行安全

随着船舶吨位的不断扩大，大型船舶安全事故频发，使人们对大型船舶安全可靠运行密切关注。作为船舶心脏的推进系统，其安全可靠状态与高效运行水平成为关注重点，特别是在复杂海洋环境中波浪-船体-推进系统三者的复杂动力学耦合问题，需要解决大型船舶的大尺度效应、多参数耦合及不确定航行环境对船舶推进系统影响的理论问题，并探索通过改善推进系统的自适应性和工作可靠性提升船舶航行性能的方法。本书较全面地介绍了大型船舶轴系性能与安全运行的研究背景，船舶轴系动力学基础理论，船舶轴系多向耦合、流体-船舶耦合、主机-轴系耦合、水-船体-轴系耦合的求解及分析方法，推进系统非线性控制模型，以及相关的船舶轴系仿真计算和性能试验研究。

“交通安全科学与技术学术著作丛书”序
序
前言
第1章绪论1
1.1研究背景1
1.2船舶轴系的基本构成及作用3
1.2.1船舶推进系统3
1.2.2船舶轴系故障形式5
1.3船舶轴系性能提升与安全运行研究现状6
1.3.1基于流固耦合理论的流体-船舶动力学研究现状6
1.3.2主机激励下轴系振动研究现状8
1.3.3船体变形下轴系振动建模及耦合特性研究现状9
1.3.4船舶轴系耦合振动研究现状10
参考文献12
第2章研究对象概况及基本假设18
2.18530TEU集装箱船舶的基本概况18
2.2297000DWTVLCC基本概况20
2.3船舶弹性体的基本假设22
参考文献23
第3章基础理论和方法25
3.1集中质量及传递矩阵法25
3.2连续质量法29
3.3有限元法37
3.4变分法40
3.5船舶推进系统分析工具43
参考文献45
第4章基于流固耦合理论的流体-船舶动力学研究46
4.1流体-船舶耦合动力学基本理论46
4.1.1波动方程问题描述46
4.1.2Dirichlet边界条件47
4.1.3Leap-Frog方法50
4.2流固耦合基础理论51
4.2.1流体模型53
4.2.2船体模型54
4.2.3流体-船舶耦合作用55
4.3数值计算与模型验证56
4.3.1基本参数定义56
4.3.2流固耦合数值计算56
4.3.3计算结果分析57
4.4流体-船舶变形实验研究60
4.4.1流体实验介绍60
4.4.2实验结果分析62
参考文献63
第5章主机激励下轴系振动建模研究64
5.1主机作用力64
5.1.1气缸内气体燃烧产生的作用力64
5.1.2主机内部运动部件惯性力及重力产生的作用力67
5.1.3主机激振力的合力70
5.2主机-推进轴系建模70
5.2.1Lagrange方程71
5.2.2主机-推进轴系系统运动微分方程72
5.2.3连续性与边界条件75
5.2.4主机-推进轴系耦合方程分析77
5.3主机作用下船舶轴系动力响应分析80
参考文献82
第6章船体变形下轴系振动建模及耦合特性研究83
6.1船体-轴系系统子结构模型83
6.1.1支承轴承模型83
6.1.2主机模型84
6.1.3螺旋桨模型85
6.1.4船体变形模型86
6.1.5推进轴系模型88
6.1.6水域模型89
6.1.7水-船体的耦合条件90
6.1.8水-推进轴系的耦合条件90
6.2船体-轴系系统耦合变分方程90
6.3子结构模态函数93
6.3.1模态分析法及模态正交理论93
6.3.2推进轴系子结构及其模态函数95
6.3.3船体子结构及其模态函数96
6.3.4流体子结构及其模态函数97
6.4船体-轴系系统耦合建模99
6.5船体-轴系系统的动力学分析101
6.5.1船体-轴系系统的自由振动及轴系频率因子、变形因子101
6.5.2动力学响应103
6.6案例分析104
6.6.1船体梁与推进轴系梁的模态方程105
6.6.2水域的模态函数106
6.6.3量纲一的量化108
6.6.4自由振动分析109
6.6.5动力学响应分析111
6.7模型实验113
6.7.1实验基本参数113
6.7.2常规波浪浪频激励实验114
6.7.3爆炸波激励实验123
参考文献126
第7章船舶轴系耦合振动研究128
7.1船舶轴系扭转-纵向耦合振动研究128
7.1.1船舶轴系扭转-纵向耦合振动建模分析128
7.1.2模型验证与数值计算132
7.1.3船体变形对推进轴系扭转-纵向耦合振动的影响139
7.1.4实验验证144
7.2船舶轴系扭转-横向耦合振动研究155
7.2.1船舶轴系扭转-横向耦合振动建模155
7.2.2模型验证与数值计算157
7.2.3船舶轴系扭转-横向耦合振动影响分析163
7.3船舶轴系横向-纵向耦合振动研究168
7.3.1船舶轴系横向-纵向耦合振动建模168
7.3.2模型验证与数值计算172
……