船舶推进性能研究本科论文

船舶与海洋工程结构极限强度分析论文

船舶的总体结构状态时一个非常复杂的过程。下面是我收集整理的船舶与海洋工程结构极限强度分析论文，希望对您有所帮助!

摘要： 当轮船受到外部冲击载荷时，轮船整体结构就会变形，当这个变形达到最大极限状态，这时的极限状态叫做极限弯矩。轮船整体构架承受全部抗击的最强能力是极限强度。本文对船舶结构极限强度。进行了分析和研究，提出了有限元分析方法进行强度和极限分析。

关键字： 极限强度，船舶，结构，船舶与海洋工程

随着科学技术的不断进步，轮船结构以及轮船使用的材料都有很大的进步。船体的整体结构和材料成为当今社会研究的主要对象。随着计算机技术的日益成熟，船体整体结构和承受的。屈服力都可以采用软件仿真来快速精确的计算。

1.引言

船体的整体结构和承受的能力是保证轮船安全的重要保障，它关系到轮船是否安全出航和安全返航。随着先进的设计技术的进步，计算机相关设计软件已经可以。设计整体结构和仿真测试船体的整体结构。分析船体结构和整体强度是一个复杂的非线性过程，必须进行合理的划分，采用好的分析方法才能得出精确的数值。新材料的不断出现使船体材料耗费变的越来越经济合理，同时船体结构屈服强度也变的越来越理想。

在分析船舶整体结构变形和极限强度的时候，我们所研究的绝大多数问题都是属于线性的微弱形变问题。在微弱整体的结构中，位移和应变可以被线性化，等效于正比关系。但是，在实际中，不规则物体所受的应力和应变都不是线性的，常见的有悬臂梁的弯曲，U形梁的变形等等。

2.总体结构状态

船舶的总体结构状态时一个非常复杂的过程。总体结构的崩溃在过去几年是一个非常普遍的现象，它是船体结构所受冲击超过了材料本身的极限，这时候支撑梁不能够支撑船体整体结构。以上情况不足为奇，在飞机和潜艇外体上也经常出现类似情况。目前，中国的船体分析技术的研究还处于起步阶段，与国外发达国家。先进水平仍有很大的差距。为了进一步研究分析，我国投入资金和人力，在实际工程中，建立一个比较完善的船体分析系统，包括原动机转速控制系统，同步船体结构系统，轮船控制系统管理相关技术的研究，实验研究了一系列模拟各种恶劣的条件下，容易控制船体结构的一些关键技术，并做了可行性分析。船舶具有非常重要的作用，特别是对船体分。析屈服强度的分析，轮船安全可谓海军舰艇的生命线。动力和结构形成一个整体轮船系统，为船体结构极限强度分析的发展。指明了方向。

3.极限强度分析法

如何分析船舶结构的极限强度是一个复杂而且非常有意义的过程。分析这种复杂的船体结构没有一种比较准确的分析方法。在分析极限强度的时候，我们通常采用复杂问题简单化，采用线性和非线性结合的方法，有限元和边界元分析相结合的方法。

逐步破坏分析法

上世纪末，美国物理学家的在基于对悬臂梁、加筋板在轴向压缩载荷作用下结构失效问题的研究成果中提出了逐步破坏的分析方法。船体结构破坏不是一个迅速变化的过程，是一个一步一步的程序，同时也不会一下子超过屈服极限，随着应力的增大逐渐的增大的逐渐破坏。在进行破坏分析的时候，首先建立屈服应力和位移的曲线关系。

非线性分析法

分线性分析方法必须。对船体分析采用模块化分析，必须充分考虑如何进行分段，分段之后逐个段进行非线性分析。在这个工程中，一个段的结构有自己的不同，针对不同结构进行线性化分析和非线性化分析。每个分段包含一个骨架间距内的所有主要构件，选择或者利用发生崩溃概率最大的情况进行分析的原则，对所承受的分段骨架进行全面的分析和仿真。这种分析方法需要对每一段进行模型建立，然后一个模型模型的分析。船体总体结构的弯曲和抗屈服能力不同导致分析结果不同。

有限元分析法

有限元分析方法是结构分析的简单方法，它能把复杂问题简单化，分析整体结构的节点和网格。在进行有限元分析的时候，通常对船体结构进行网格划分，然后进行网格施加约束，在均匀网格上施加可变的。激励，观察整体结构的响应。采用这种方法能模拟船体的边界条件和整体约束。有限元分析方法综合考虑。船体的形状和材料的'不同，通过不同载荷的约束，我们可以分析出结构极限(包括最大应力，最大屈服极限)。最近几年，有限元分析方法被应用在船舶整体分析和部分结构分析的案例非常多。这种分析方法有两个个缺点。一是。不能很好的模拟真实环境，不能考虑周围环境对整体结构形变的影响。第二对于结构复杂的构件，有限元分析方法对于复杂的结构不太实用，设置相关算法时间太长，不能在有效的时间完成任务。这种分析方法的优点有以下几个方面：

(1)对船体建模方式直观明了。在分析结构的时候可以采用线性划分和非线性划分网格。采用相关软件完全可以分析所有动态结构的模型和仿真。利用有限元分析模块的可视化建模窗口，动态结构的框图和模型可迅速地建立和仿真研究。用户需要选择元件库(对应的子模块程序模块)中选出比较合适的模块，然后并改变需要的形式，拖放到新建的建模窗口，鼠标点击或者画线连接都可以搭建非常可观的结构模型。他的标准库拥有的模块远远大于一百五十多种，可用于搭建和仿真各种不同的、种类变化的动态结构。模块包。括输入信号源子模块、动力学元件子模块、代数函数和非线性函数子模块、数据显示子模块模块等。模块可以被设定为触发端口和使能的端口，能用于模拟大模型结构中存在条件作用的子模型的行为。

(2)可以构建动态结构模型。可动结构的模型可以修改并进行仿真。有限元分析还可以作为一种图形化的、数字的仿真工具，用于对动态结构模型建立和操作改变规律的研究制定。

(3) 模块元件与用户代码的增添和定制。已有模块的图标都可以被用户修改，对话框的重新设定。用户完全可以把自己编写的C代码、FORTRAN代码、Ada代码直接植入模型中，此外模块库和库函数都。是可定制的，扩展以包容用户自定义的结构环节模块。。

(4)设计船舶结构模型的快速、准确。他拥有优秀的积分和微分算法，这样给非线性结构仿真带来了极大的方便，同时也带来了相对较高的计算精度。可以选择比较先进的常微分方程求解器和偏微分方程求解器，还可用于求解力学刚性的和非刚性的结构，还可以求解具有事件触发的逻辑结构，求解或不连续状态变量的结构和具有代数环和参数环的结构。软件的求解器可以确保连续结构或离散结构的仿真高速、准确的进行。

(5)复杂结构可以分层次地表达。根据个人需要，若干子结构可以由各种模块组织。按照自顶向下(从元器件到结构)或自底向上(从实现的每一个细节到整体结构)的方式搭建整个结构模型。这种分级建模能力能够使得代码丰富的、体积庞大的、结构非常复杂的模型可以简便易于行动的构建。结构子模型的层次数量和子子模块的分层次数量完全取决于所搭建的结构，软件本身不会限制到搭建的模型。有限元还提供了模型和子。模块结构浏览的功能。这样更加方便了大型复杂结构结构的操作。

(6) 仿真分析的交互式。该软件显示的示波器可以图形显示和动画的形式显示出来，数据也可以动作的形式显示，What-if分析运行中可调整参数模型进行，监视仿真结果能够在仿真运算进行时。可帮助用户不同的算法可以快速评估，进行参数优化这种交互式的特征。

由于有限元模块是全部融合于有限元，一次在有限元模块下所有的计算的结果都完全可保存到有限元软的工作空间中，因而就能使用有限元所具有的众多分析、可视化及工具箱工具操作数据。

4.船舶在军事上的发展状况

在军事上的应用：在上世纪90年代，以美国为首的国家海军大力发展海军轮船性能优化，整体结构和性能得到优化。于93年提出了水面舰艇先进机械项目计划(提前海洋表面计划ASMP)。

美国的目的是建立一个国家的最先进的舰艇推进系统，能够实现远程作战和抗高撞击的能力。美国海军采用先进的智能设备，同时采用电气控制和机械控制系统。在同一时间满足指定的性能，在分析极限强度上加大了投资，军用船舶的其他方面投资也有显着的减少。随着ASMP计划进一步研究，权力一体化“和”模块化“的方法来研究船舶电力发电、运输、转化、分配。利用共享设置海军的推进装置用电、日常的用电。各种武器装备输电发电和配电系统构成的综合电力系统，美国海军相当重视电力在船舰上的应用。

我国海军在研究这方面也不逊色，国内有先进设计理论和分析方法。对船舶承载能力和撞击能力做过实验分析。

5.总结

本文介绍了船舶结构极限分析的三种不同的方法，并进行了对比分析，最后得出结论：有限元分析方法耗时比较长，但是能够很高的分析和仿真船舶结构极限。

参考文献

[1]祁恩荣，彭兴宁.破损船体非对称弯曲极限强度分析首届船舶与海洋工程结构力学学术讨论会论文集，江西九江：

[2]徐向东，崔维成等.箱型粱极限承载能力试验与理论研究.船舶力学，2000，4(5)：36-43

[3]朱胜昌，陈庆强.大型集装箱船总纵强度计算方法研究.船舶力学，2001，5(2)：34--42

[4]郭昌捷，唐翰岫，周炳焕.受损船体极限强度分析与可靠性评估.中国造船，1998(4)：49—56

船舶快速性 - 正文船舶快速性是船舶航海性能中的一项重要内容,也是船舶的一个重要性能指标,是指船舶在主机输出功率一定的条件下，尽量提高船速的能力.通常是指船舶航行速度的快慢, 船舶航速高, 船舶快速性好; 航速慢, 快速性不好. 船舶快速性包含节能和速度两层意义，船舶快速性取决于两个因素：船舶前进时受到的阻力和船舶推进装置的效率。所以提高船舶快速性也应从这两方面入手，即尽量提高推进器的推力和减小船舶航行的阻力。为了提高船舶快速性就要千方百计地减小船舶航行的阻力,这就需要研究船舶航行时的阻力 .船舶航行时，船体的水线下部分浸入水中，其余部分则处在空气中。因此，船舶运动时受的总阻力包括水阻力和空气阻力。由于水的密度远大于空气的密度，因此水阻力是主要阻力。水阻力按产生的原因，可分为粘性阻力和兴波阻力。粘性阻力 由于水的粘性作用引起的阻力，包括摩擦阻力和旋涡阻力。摩擦阻力产生于水对于船体表面的粘附作用,在船舶总阻力中所占比重最大。摩擦阻力对低速船可占总阻力的80％；对高速船也要占50％左右。减小摩擦阻力的途径是缩短船长、减小浸水表面积和提高船体的表面光洁度。旋涡阻力又称形状阻力或粘性压差阻力，它是水流经船体表面时因粘性引起首尾的压力差而形成的，其值同船体尤其是船体尾部的形状有关。如尾部线型过于丰满，就容易产生旋涡，增加旋涡阻力。减小旋涡阻力的途径是加大船舶长宽比和采用流线形船体。兴波阻力 是船舶航行时兴起的重力波引起的阻力，对高速船特别重要，其大小取决于船的航速及长度。它们的关系可用弗劳德数Fr表示：式中v为航速(米/秒)；g为重力加速度(米/秒)；L为船长（米）。如果Fr大于，兴波阻力即超过摩擦阻力而居主要地位，但一般运输船舶的弗劳德数都在以下。减小兴波阻力的主要途径是改进船型及改变航行方式。通过系列船模试验研究，现在可以得到兴波阻力较小的船型及合理的船舶主尺度比和船型系数。船舶航行时兴起的波浪一般有首波和尾波二个波系。如果船型选择适当，可以使二个波系产生有利干扰，而使兴波阻力减少，如在船首设一球鼻也可产生附加波系；使波的干扰有利兴波阻力减小。船舶若能脱离水面腾空航行或潜水航行，则可避免波浪的产生及不产生兴波阻力。船舶的推进效率 为了使船舶能以一定的速度向前行进，必须有一个与阻力大小相等、方向相反的推力。这个推力通常是依靠推进器推水向后而产生的。最常见的推进器是装在船尾部水下的螺旋桨。由于螺旋桨工作时会使一部分水流产生向后和旋转的运动，因而要耗去一部分功率，使螺旋桨的效率在理论上不可能接近1,同时由于螺旋桨是在船尾复杂的流场中工作，受到不均匀水流的影响，使效率更低。螺旋桨高速运转时，桨叶上水流压力下降，当下降到水的汽化压力时，水就变成汽，形成气泡,效率进一步下降，使推进效率很低。因此,对船舶推进的研究很为迫切。既要对螺旋桨本身的工作情况进行理论探讨和科学实验，又要分析螺旋桨在船尾水流中的具体工作条件，研究船体对螺旋桨的影响，这样才能设计出接近于理想的螺旋桨，使船舶获得尽可能高的推进效率。快速性良好的船舶，除应具有优秀的船型使航行时产生的阻力最小以外，还必须具有良好的推进性能，使主机的功率得到充分利用。研究船舶快速性的方法有理论分析、船模试验和实船测试等三种。其中船模试验仍是目前获得船舶快速性资料的主要手段。

为了提高船舶的操纵性,满足船舶狭水道低速航行及靠离码头等各种机动工况的需要,船舶侧向推进器(side thruster)装置在各种类型的船舶上得到了广泛的应用,如现代大型海洋运输船舶、港内作业船舶、海洋工程船舶等等，我整理的这一篇文章就是关于船舶推进器装置的使用与管理的论文，有这一方面兴趣的同学们不妨看一看哦!

摘要： 为了提高船舶的操纵性，满足船舶狭水道低速航行及靠离码头等各种机动工况的需要，船舶侧向推进器 (sidethruster)装置在各种类型的船舶上得到了广泛的应用，如现代大型海洋运输船舶、港内作业船舶、海洋工程船舶、海洋石油服务船(三用船)的靠离平台作业，采用单手柄操纵方式(ioystiek)，即用一个手柄就能综合操纵电动舵、桨和侧推器，能方便地操作;动力定位系统(dynamiC p0Sitioningsystem，Dp)，使船舶定位在预先设定的位置。相对而言，由于平时船舶侧推装置使用时间较短，管理上易产生疏忽大意，导致各种故障的发生。因此根据本人长期从事对船舶侧推装置使用与管理的实践经验，提出如下探讨。

关键词： 船舶;侧推器;使用与管理

1 、船舶推进器

船舶推进器是船舶上提供推力的工具，它的作用是将船舶动力装置提供的动力转换成推力，推进船舶。推动船舶前进的机构。它是把自然力、人力或机械能转换成船舶推力的能量转换器。推进器按作用方式可分为主动式和反应式两类。靠人力或风力驱船前进的纤、帆(见帆船)等为主动式，桨、橹、明轮、喷水推进器、螺旋桨等为反应式。现代运输船舶大多采用反应式推进器，应用最广的是螺旋桨。

在19世纪30年代，瑞典的前任军官约翰•爱立信和英国工程师弗兰西斯•佩蒂特•史密斯两人都设计过用螺旋桨推进的船。他们从古希腊人那儿得到启发。古希腊人使用阿基米德螺旋，即一种"瓶塞钻"状装置来提水。佩蒂特•史密斯的试验是成功的，他建造了一艘有木制螺旋桨的船，螺旋桨的一部分突然折断了。奇怪的是，这个木制螺旋桨变短了，船反而走得更快了。这说明变短的木制螺旋桨推进效率高度。

布鲁内尔工程师受到启发，在他设计、建造的"大不列颠号"上使用了螺旋桨推进器。这艘螺旋桨推进的轮船在1845年第一次横渡了大西洋。螺旋桨推进器在船舶上广泛采用。

船舶螺旋桨是一种水螺旋桨，其原理是螺旋桨旋转时，桨叶不断把大量水向后推去，在桨叶上产生一向前的力，即推进力。螺旋桨桨叶像一小段机翼，桨叶上的水动力在前进方向的分力构成拉力，即船舶推进力。

在普通螺旋桨的基础上，为了改善性能，更好地适应各种航行条件和充分利用主机功率，发展了以下几种特种螺旋桨。①可调螺距螺旋桨：简称调距桨，可按需要调节螺距，充分发挥主机功率;提高推进效率,船倒退时可不改变主机旋转方向。螺距是通过机械或液力操纵桨毂中的机构转动各桨叶来调节的。调距桨对于桨叶负荷变化的适应性较好，在拖船和渔船上应用较多。对于一般运输船舶，可使船-机-桨处于良好的'匹配状态。但调距桨的毂径比普通螺旋桨的大得多，叶根的截面厚而窄，在正常操作条件下，其效率要比普通螺旋桨低，而且价格昂贵，维修保养复杂。②导管螺旋桨：在普通螺旋桨外缘加装一机翼形截面的圆形导管而成。此导管又称柯氏导管。导管与船体固接的称固定导管，导管被连接在转动的舵杆上兼起舵叶作用的称可转导管。导管可提高螺旋桨的推进效率，这是因为导管内部流速高、压力低,导管内外的压力差在管壁上形成了附加推力;导管和螺旋桨叶间的间隙很小,限制了桨叶尖的绕流损失;导管可以减少螺旋桨后的尾流收缩，使能量损失减少。但导管螺旋桨的倒车性能较差。固定导管螺旋桨使船舶回转直径增大，可转导管能改善船的回转性能。导管螺旋桨多用于推船。③串列螺旋桨：将两个或三个普通螺旋桨装于同一轴上，以相同速度同向转动。当螺旋桨直径受限制时，它可加大桨叶面积，吸收较大功率，对减振或避免空泡有利。串列螺旋桨重量较大，桨轴伸出较长，增加了布置及安装上的困难，应用较少。④对转螺旋桨：将两个普通螺旋桨一前一后分别装于同心的内外两轴上，以等速反方向旋转。因可减小尾流旋转损失，效率比单桨略高，但其轴系构造复杂，大船上还未应用。⑤直叶推进器：由4～8片垂直的桨叶组成。直叶推进器上部呈圆盘形，桨叶沿圆盘周缘均匀安装，圆盘底与船壳板齐平相接，圆盘转动时，叶片除绕主轴转动外，还绕本身的垂直轴系摆动，从而产生不同方向的推力，所以可使船在原地回转，不必用舵转向，船倒退时也不必改变主机转向。但因机构复杂，价格昂贵，桨叶易损坏，仅用于少数港务船或对操纵性能有特殊要求的船上。

2 、船舶侧推器装置的分类

按侧推器安装在船舶上的位置分:侧推器安装在船脂，称为舶侧推(bowthruster)。侧推器安装在船娓，称为舰侧推(sternthruster)。按侧推器数目分:一个侧推器，大多数在船舷;两个侧推器，一脆一娓或船循两个;三个侧推器，船舷两个，船娓一个;四个侧推器，两脆两娓。按侧推器驱动方式分:电驱动式侧推器 (eleetriemotor)。柴油机驱动式侧推器(dieslengine) 按螺旋桨螺距是否可变分:螺距固定的，称为定距桨侧推器螺距可变的，称为变距桨侧推器现代船舶的侧推器多数是可调螺旋桨，操作灵活，左右方向的改变及横移力大小的调整只需改变桨叶的螺距角即可。本文以螺距桨是否可变和驱动方式这两个分类特点来讨论侧推器。主要讨论电驱动定距侧推器和电驱动变距侧推器。而柴油机驱动式侧推器在此不作讨论分析。

3 、工作特点及故障分析

电驱动定距桨侧推器

该侧推器是由电动机通过齿轮箱传递螺旋桨动作。其特点是定螺距，正倒车有级变速。结构上较为简单，管理上方便。主要故障:

(1)运行中轴承异常声响

原因:轴承损坏:齿轮箱无油或系统中有空气。

(2)运行中突然停车

原因:电源无电或保险丝烧坏，热保护环节作用(高温保护、热保护继电器动作)。

(3)不能正倒车，不能变速

原因:刹车装置没有松开，直流调速失效(接触器，时间继电器等元件有故障)。

电驱动变距桨侧推器

该侧推器是驾驶台遥控/原地启动控制，电动机动力输出，液压变螺距。其装置由调距桨、传动轴、调距机构、液压系统，操纵系统等五个基本组成部分。

调距桨包括可转动的桨叶，桨毅和桨毅内部装设的转动桨叶的转叶机构等。调距桨的转叶机构是将来自动力油缸的往复运动转变为转动桨叶的回转运动的机构。

传动轴是由电动机(大马达)通过联轴器与立轴相连，立轴与螺旋桨轴经齿轮啮合传动。

调距机构包括产生转动桨叶动力的伺服油缸、伺服活塞、分配压力油给伺服油缸的配油器、给桨叶定位和桨叶位置反馈的装置及其附属设备等。其主要任务是调距、稳距以及对螺距进行反馈和指示。

伺服油缸、伺服活塞、分配压力油给伺服油缸的配油器、给桨叶定位和桨叶位置反馈的装置及其附属设备等。其主要任务是调距、稳距以及对螺距进行反馈和指示。

操纵系统主要由操纵台、控制和指示系统组成。作用是按预先确定的控制程序来调节调距桨的螺距，以获得所要求的工况。工作特点:操作灵活，反应快，但结构复杂，管理要求相对较高。主要故障:

(1)运行中侧推螺距不能变化或不能动作。

原因:电磁阀卡阻或泄漏，安全阀起跳或泄漏，冷车时正常工作而热态时不能工作，主要由于配油阀泄漏引起的.

(2)侧推单方向动作

原因:电磁阀卡阻，反馈电位器线路破损或绝缘不良。

(3)运行中侧推突然停车

原因:负载超整定值，过载保护停车;电机高温保护停车;螺距限位凸轮动作停车;滤器脏堵，低压停车。

(4)侧推启动失败

原因:电机缺相;电源电压过低;非零螺距启动;低油压保护;启动过程中星形-----三角形转换时间继电器故障;桨叶有异物(水下有异物卡住);侧推带载启动(长期不使用，有海洋生物在桨叶上生长。

(5)侧推启动成功，但冷车时螺距不动作，热车时能动作。

原因:环境温度过低，没有保温，选配油种不适合周围环境温度，即粘温特性差。

(6)电动机绝缘低

原因:侧推舱室通风口有海风海水吸入，舱室排风机转向错误而变成吸风机，电机的烘潮装置失效。

4 、管理上的建议

由于船舶侧推装置体积大，又是水下装置，如何正确地使用和管理，准确地判断故障点，排除故障以减少船舶停航、坞修时间，节约船舶维修成本，减少对海洋环境的污染，为保障船舶航行安全，提高运营率，定会起到重要的作用。

对于电驱动定距桨侧推器:

(1)定期进行控制箱保养;

(2)加强舱室通风:

(3)保持齿轮箱的正常液位;

(4)修理后，齿轮箱加油过程中进行放空气;

(5)保持齿轮箱呼气通畅

对于电驱动变距浆侧推器

(1)定期进行控制箱保养

(2)保持舱室通风良好;

(3)按操作程序起动侧推;

(4)定期清洗液压油滤器，清洗完毕后放空气;

(5)定期化验油样，或结合坞修更换系统油;

(6)根据区域作业环境温度，选择合适的油种;

(7)尤其在冬季，如渤海湾区域作业，应加强舱室的防冻保温工作;

(8)对于有多个侧推器的船舶，由于各工况不同，对某个长期不使用的侧推，应择时运转，防止海生物生长过多;

(9)对执行小油缸，电位器定期检查螺丝紧固;

(10)对于尸LC控制侧推器，要注意对备用电源(蓄电池)的管理工作

5 、结论

本文对船舶推进器的一些基本知识进行了理论分析，对船舶侧推器的一些故障原因进行了重点分析，并提出了一些排除故障的方法和手段，对船舶推进器的管理提出了一些自己的看法，由于本人水平有限，这些看法可能存在一些疏漏，本人会在以后的工作和学习中加以改正。

参考文献

[1]申永山.双旋水下机器人推进器无刷直流电动机及控制系统研究[D];沈阳工业大学;2006年

[2]李代金.水下热动力推进系统闭环控制研究[D];西北工业大学;2006年

[3]钱程.某五体船推进系统方案设计与操纵性分析[D];上海交通大学;2007年