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船舶軸系性能提升與運行安全 版權信息
- ISBN：9787030748881
- 條形碼：9787030748881 ; 978-7-03-074888-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
船舶軸系性能提升與運行安全 內容簡介
隨著船舶噸位的不斷擴大，大型船舶安全事故頻發，使人們對大型船舶安全可靠運行密切關注。作為船舶心臟的推進系統，其安全可靠狀態與高效運行水平成為關注重點，特別是在復雜海洋環境中波浪-船體-推進系統三者的復雜動力學耦合問題，需要解決大型船舶的大尺度效應、多參數耦合及不確定航行環境對船舶推進系統影響的理論問題，并探索通過改善推進系統的自適應性和工作可靠性提升船舶航行性能的方法。本書較全面地介紹了大型船舶軸系性能與安全運行的研究背景，船舶軸系動力學基礎理論，船舶軸系多向耦合、流體-船舶耦合、主機-軸系耦合、水-船體-軸系耦合的求解及分析方法，推進系統非線性控制模型，以及相關的船舶軸系仿真計算和性能試驗研究。
船舶軸系性能提升與運行安全 目錄
目錄
“交通安全科學與技術學術著作叢書”序
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 船舶軸系的基本構成及作用 3
1.2.1 船舶推進系統 3
1.2.2 船舶軸系故障形式 5
1.3 船舶軸系性能提升與安全運行研究現狀 6
1.3.1 基于流固耦合理論的流體-船舶動力學研究現狀 6
1.3.2 主機激勵下軸系振動研究現狀 8
1.3.3 船體變形下軸系振動建模及耦合特性研究現狀 9
1.3.4 船舶軸系耦合振動研究現狀 10
參考文獻 12
第2章 研究對象概況及基本假設 18
2.1 8530TEU集裝箱船舶的基本概況 18
2.2 297000 DWT VLCC基本概況 20
2.3 船舶彈性體的基本假設 22
參考文獻 23
第3章 基礎理論和方法 25
3.1 集中質量及傳遞矩陣法 25
3.2 連續質量法 29
3.3 有限元法 37
3.4 變分法 40
3.5 船舶推進系統分析工具 43
參考文獻 45
第4章 基于流固耦合理論的流體-船舶動力學研究 46
4.1 流體-船舶耦合動力學基本理論 46
4.1.1 波動方程問題描述 46
4.1.2 Dirichlet邊界條件 47
4.1.3 Leap-Frog方法 50
4.2 流固耦合基礎理論 51
4.2.1 流體模型 53
4.2.2船體模型 54
4.2.3 流體-船舶耦合作用 55
4.3 數值計算與模型驗證 56
4.3.1 基本參數定義 56
4.3.2 流固耦合數值計算 56
4.3.3 計算結果分析 57
4.4 流體-船舶變形實驗研究 60
4.4.1 流體實驗介紹 60
4.4.2 實驗結果分析 62
參考文獻 63
第5章 主機激勵下軸系振動建模研究 64
5.1 主機作用力 64
5.1.1 氣缸內氣體燃燒產生的作用力 64
5.1.2 主機內部運動部件慣性力及重力產生的作用力 67
5.1.3 主機激振力的合力 70
5.2 主機-推進軸系建模 70
5.2.1 Lagrange方程 71
5.2.2 主機-推進軸系系統運動微分方程 72
5.2.3 連續性與邊界條件 75
5.2.4 主機-推進軸系耦合方程分析 77
5.3 主機作用下船舶軸系動力響應分析 80
參考文獻 82
第6章 船體變形下軸系振動建模及耦合特性研究 83
6.1 船體-軸系系統子結構模型 83
6.1.1 支承軸承模型 83
6.1.2 主機模型 84
6.1.3 螺旋槳模型 85
6.1.4 船體變形模型 86
6.1.5 推進軸系模型 88
6.1.6 水域模型 89
6.1.7 水-船體的耦合條件 90
6.1.8 水-推進軸系的耦合條件 90
6.2 船體-軸系系統耦合變分方程 90
6.3 子結構模態函數 93
6.3.1 模態分析法及模態正交理論 93
6.3.2 推進軸系子結構及其模態函數 95
6.3.3 船體子結構及其模態函數 96
6.3.4 流體子結構及其模態函數 97
6.4 船體-軸系系統耦合建模 99
6.5 船體-軸系系統的動力學分析 101
6.5.1 船體-軸系系統的自由振動及軸系頻率因子、變形因子 101
6.5.2 動力學響應 103
6.6 案例分析 104
6.6.1 船體梁與推進軸系梁的模態方程 105
6.6.2 水域的模態函數 106
6.6.3 量綱一的量化 108
6.6.4 自由振動分析 109
6.6.5 動力學響應分析 111
6.7 模型實驗 113
6.7.1 實驗基本參數 113
6.7.2 常規波浪浪頻激勵實驗 114
6.7.3 爆炸波激勵實驗 123
參考文獻 126
第7章 船舶軸系耦合振動研究 128
7.1 船舶軸系扭轉-縱向耦合振動研究 128
7.1.1 船舶軸系扭轉-縱向耦合振動建模分析 128
7.1.2 模型驗證與數值計算 132
7.1.3 船體變形對推進軸系扭轉-縱向耦合振動的影響 139
7.1.4 實驗驗證 144
7.2 船舶軸系扭轉-橫向耦合振動研究 155
7.2.1 船舶軸系扭轉-橫向耦合振動建模 155
7.2.2 模型驗證與數值計算 157
7.2.3 船舶軸系扭轉-橫向耦合振動影響分析 163
7.3 船舶軸系橫向-縱向耦合振動研究 168
7.3.1 船舶軸系橫向-縱向耦合振動建模 168
7.3.2 模型驗證與數值計算 172
7.3.3 船舶軸系橫向-縱向耦合振動影響分析 184
參考文獻 187
第8章 船舶推進系統動態特性影響因素的仿真研究 189
8.1 船舶推進系統基本參數及模型建立 189
8.1.1 船舶推進系統的基本參數 189
8.1.2 船舶推進系統多體動力學模型的建立 190
8.1.3 船舶推進系統模態頻率的計算 193
8.2 船體變形對推進系統動態特性影響的仿真研究 195
8.2.1 船體變形的施加方式及基本參數 195
8.2.2 船體變形對推進系統扭轉振動的影響 198
8.3 外部激勵對推進系統動態特性影響的仿真研究 204
8.3.1 外部激勵的施加方式及基本參數 204
8.3.2 外部激勵對推進系統扭轉振動的影響 206
8.4 油膜約束對推進系統動態特性影響的仿真研究 209
8.5 油膜約束對推進系統軸心軌跡的影響 210
參考文獻 211
第9章 船舶軸系性能實驗研究 213
9.1 船舶推進軸系實驗室實驗系統設計與研制 213
9.1.1 船舶軸系性能綜合實驗臺設計與研制 213
9.1.2 船舶軸系動態特性實驗臺設計與研制 219
9.1.3 液壓加載系統 220
9.1.4 軸系測試系統 223
9.1.5 軸系振動測量原理及信號采集 225
9.2 船舶軸系動態特性理論分析模型 231
9.2.1 實驗臺軸系建模 231
9.2.2 理論模型與數值模型的對比 233
9.3 船舶軸系復雜激勵下的多向振動實驗研究 234
9.3.1 實驗測試工況介紹 236
9.3.2 功率譜分析 237
9.3.3 時域結果分析 240
9.4 船舶軸系動態特性實驗研究 242
9.4.1 船體變形激勵幅值對軸系振動特性的影響 243
9.4.2 船體變形激勵頻率對軸系振動特性的影響 244
9.4.3 船體變形激勵方向對軸系振動特性的影響 246
9.4.4 轉速對軸系振動特性的影響 247
9.5 船舶推進軸系實船實驗研究 248
9.5.1 實船實驗設計 248
9.5.2 實船實驗結果分析 251
參考文獻 255
“交通安全科學與技術學術著作叢書”序
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 船舶軸系的基本構成及作用 3
1.2.1 船舶推進系統 3
1.2.2 船舶軸系故障形式 5
1.3 船舶軸系性能提升與安全運行研究現狀 6
1.3.1 基于流固耦合理論的流體-船舶動力學研究現狀 6
1.3.2 主機激勵下軸系振動研究現狀 8
1.3.3 船體變形下軸系振動建模及耦合特性研究現狀 9
1.3.4 船舶軸系耦合振動研究現狀 10
參考文獻 12
第2章 研究對象概況及基本假設 18
2.1 8530TEU集裝箱船舶的基本概況 18
2.2 297000 DWT VLCC基本概況 20
2.3 船舶彈性體的基本假設 22
參考文獻 23
第3章 基礎理論和方法 25
3.1 集中質量及傳遞矩陣法 25
3.2 連續質量法 29
3.3 有限元法 37
3.4 變分法 40
3.5 船舶推進系統分析工具 43
參考文獻 45
第4章 基于流固耦合理論的流體-船舶動力學研究 46
4.1 流體-船舶耦合動力學基本理論 46
4.1.1 波動方程問題描述 46
4.1.2 Dirichlet邊界條件 47
4.1.3 Leap-Frog方法 50
4.2 流固耦合基礎理論 51
4.2.1 流體模型 53
4.2.2船體模型 54
4.2.3 流體-船舶耦合作用 55
4.3 數值計算與模型驗證 56
4.3.1 基本參數定義 56
4.3.2 流固耦合數值計算 56
4.3.3 計算結果分析 57
4.4 流體-船舶變形實驗研究 60
4.4.1 流體實驗介紹 60
4.4.2 實驗結果分析 62
參考文獻 63
第5章 主機激勵下軸系振動建模研究 64
5.1 主機作用力 64
5.1.1 氣缸內氣體燃燒產生的作用力 64
5.1.2 主機內部運動部件慣性力及重力產生的作用力 67
5.1.3 主機激振力的合力 70
5.2 主機-推進軸系建模 70
5.2.1 Lagrange方程 71
5.2.2 主機-推進軸系系統運動微分方程 72
5.2.3 連續性與邊界條件 75
5.2.4 主機-推進軸系耦合方程分析 77
5.3 主機作用下船舶軸系動力響應分析 80
參考文獻 82
第6章 船體變形下軸系振動建模及耦合特性研究 83
6.1 船體-軸系系統子結構模型 83
6.1.1 支承軸承模型 83
6.1.2 主機模型 84
6.1.3 螺旋槳模型 85
6.1.4 船體變形模型 86
6.1.5 推進軸系模型 88
6.1.6 水域模型 89
6.1.7 水-船體的耦合條件 90
6.1.8 水-推進軸系的耦合條件 90
6.2 船體-軸系系統耦合變分方程 90
6.3 子結構模態函數 93
6.3.1 模態分析法及模態正交理論 93
6.3.2 推進軸系子結構及其模態函數 95
6.3.3 船體子結構及其模態函數 96
6.3.4 流體子結構及其模態函數 97
6.4 船體-軸系系統耦合建模 99
6.5 船體-軸系系統的動力學分析 101
6.5.1 船體-軸系系統的自由振動及軸系頻率因子、變形因子 101
6.5.2 動力學響應 103
6.6 案例分析 104
6.6.1 船體梁與推進軸系梁的模態方程 105
6.6.2 水域的模態函數 106
6.6.3 量綱一的量化 108
6.6.4 自由振動分析 109
6.6.5 動力學響應分析 111
6.7 模型實驗 113
6.7.1 實驗基本參數 113
6.7.2 常規波浪浪頻激勵實驗 114
6.7.3 爆炸波激勵實驗 123
參考文獻 126
第7章 船舶軸系耦合振動研究 128
7.1 船舶軸系扭轉-縱向耦合振動研究 128
7.1.1 船舶軸系扭轉-縱向耦合振動建模分析 128
7.1.2 模型驗證與數值計算 132
7.1.3 船體變形對推進軸系扭轉-縱向耦合振動的影響 139
7.1.4 實驗驗證 144
7.2 船舶軸系扭轉-橫向耦合振動研究 155
7.2.1 船舶軸系扭轉-橫向耦合振動建模 155
7.2.2 模型驗證與數值計算 157
7.2.3 船舶軸系扭轉-橫向耦合振動影響分析 163
7.3 船舶軸系橫向-縱向耦合振動研究 168
7.3.1 船舶軸系橫向-縱向耦合振動建模 168
7.3.2 模型驗證與數值計算 172
7.3.3 船舶軸系橫向-縱向耦合振動影響分析 184
參考文獻 187
第8章 船舶推進系統動態特性影響因素的仿真研究 189
8.1 船舶推進系統基本參數及模型建立 189
8.1.1 船舶推進系統的基本參數 189
8.1.2 船舶推進系統多體動力學模型的建立 190
8.1.3 船舶推進系統模態頻率的計算 193
8.2 船體變形對推進系統動態特性影響的仿真研究 195
8.2.1 船體變形的施加方式及基本參數 195
8.2.2 船體變形對推進系統扭轉振動的影響 198
8.3 外部激勵對推進系統動態特性影響的仿真研究 204
8.3.1 外部激勵的施加方式及基本參數 204
8.3.2 外部激勵對推進系統扭轉振動的影響 206
8.4 油膜約束對推進系統動態特性影響的仿真研究 209
8.5 油膜約束對推進系統軸心軌跡的影響 210
參考文獻 211
第9章 船舶軸系性能實驗研究 213
9.1 船舶推進軸系實驗室實驗系統設計與研制 213
9.1.1 船舶軸系性能綜合實驗臺設計與研制 213
9.1.2 船舶軸系動態特性實驗臺設計與研制 219
9.1.3 液壓加載系統 220
9.1.4 軸系測試系統 223
9.1.5 軸系振動測量原理及信號采集 225
9.2 船舶軸系動態特性理論分析模型 231
9.2.1 實驗臺軸系建模 231
9.2.2 理論模型與數值模型的對比 233
9.3 船舶軸系復雜激勵下的多向振動實驗研究 234
9.3.1 實驗測試工況介紹 236
9.3.2 功率譜分析 237
9.3.3 時域結果分析 240
9.4 船舶軸系動態特性實驗研究 242
9.4.1 船體變形激勵幅值對軸系振動特性的影響 243
9.4.2 船體變形激勵頻率對軸系振動特性的影響 244
9.4.3 船體變形激勵方向對軸系振動特性的影響 246
9.4.4 轉速對軸系振動特性的影響 247
9.5 船舶推進軸系實船實驗研究 248
9.5.1 實船實驗設計 248
9.5.2 實船實驗結果分析 251
參考文獻 255
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船舶軸系性能提升與運行安全 節選
第1章緒論 1.1研究背景 船舶工業是現代大工業的縮影，是國防安全和國家經濟發展的戰略性產業，對于機電、鋼鐵、化工、航運、海洋工程、資源勘探、國防科技工業等上下游產業的發展具有強勁的帶頭作用。雖然我國是世界船舶制造**大國，但在造船技術與質量方面與世界先進國家相比，還有差距。船舶設計制造的核心技術和規范均受控于世界先進國家。為了促進我國船舶工業技術的進步，降低船舶設計與制造對國外技術的依賴性，保障我國船舶工業持續健康發展，維護我國的經濟利益，保持我國在世界上的造船大國地位，實現我國由世界造船和航運大國向世界造船和航運強國的發展目標，迫切需要大力發展船舶工業先進設計、制造與管理技術。 近年來，為了提高船舶運輸效率，發揮船舶規模運輸的經濟優勢，大型/超大型船舶數量占世界遠洋船舶總量的比例越來越大，船舶向大型化發展越來越迅速[1]。船舶大型化發展既是國內外海洋運輸經濟發展的迫切需要，也是船舶的前沿基礎理論和先進建造技術支持的產物。 中國船級社（China Classification Society，CCS）2009年年報[1]統計數據顯示，僅2009年一年時間就有30000載重噸（dead weight tonnage，DWT）的超大型油船（very large crude carrier，VLCC）、298000DWT的大型礦砂船、147000m3的液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）船和8530箱（twenty-feet equivalent unit，TEU）的集裝箱船等不同類型大型船舶 40余艘通過船舶檢驗而交付使用。另外，CCS在2011年年報[2]中指出，僅在2011年中國就交付8艘308000DWT的VLCC、3艘 230000DWT的大型礦砂船、2艘205000 DWT大型散貨船、17艘180000DWT散貨船和147000m3LNG船等，總噸位、總功率創造了新的紀錄。船舶大型化的特征不僅體現在總噸位、總功率和船舶尺寸數據不斷出現新紀錄上，而且體現在船舶的內在屬性上。其航行性能不斷提升，運輸經濟性顯著提高。以超大型集裝箱船 （ultra large container ship，ULCS）為例，單船運載集裝箱的容載能力達到1000～21000TEU，船長超過300m，推進功率達到 100000kW，航行速度達25kn（1kn≈0.5144m/s）左右。大型船舶的船體和動力推進系統的多項數據超出以往同類型船舶原有數據的若干倍，但其推進效率在保持航速不下降的條件下可以提高3%～8%，甚至 10%[1]。因此，船舶大型化發展對其設計和性能提出了更高的要求。 據報道，大型/超大型船舶出現的故障及其造成的損失不可忽視。大型 /超大型船舶的船體變形引起的推進軸系對中失效，導致主機曲軸斷裂、軸系振動劇烈和尾軸變形與密封破壞等惡性事故更加嚴重[3，4]。船體變形會加速軸系聯結法蘭螺栓斷裂，導致推進系統失效，船舶操縱失控[5]。大型船體變形使軸系失中，有的船舶在試航幾小時就出現前尾軸承與前密封失效，或后尾軸承燒熔；有的船舶僅運行6個月就出現后尾軸承損壞情況[6]。根據瑞典船舶保險公司對1998～2011年船舶理賠事故的統計結果（表1-1），船舶航行中由機械故障造成的事故占總理賠事故的45%；隨著船舶逐漸向著大型化的快速發展，推進軸系的故障次數也在逐漸增加。數據顯示，1998～2013年，由于整體或局部機械故障引起的船舶安全事故有明顯增加的趨勢[7]。其中，超過50%的故障率發生在推進系統的主機和軸系部分，且軸系所占機械故障的比例由1998～2004年的11.3%增加到 2005～2013年的17.7%，故障次數由63次增加到174次。機械故障引起的船舶安全事故統計如表1-2所示。因此，研究船舶推進系統的設計、制造和運維技術顯得極其重要。 由此可見，發展大型船舶的重大技術挑戰之一就是如何提升船舶的航行性能。其中大型船舶船型的合理設計，以及保證推進動力系統可靠運行是提升其航行性能的重要內容。由于船舶的大型化，推進系統與船體兩者的相互耦合、相互影響問題日益突出。一方面，大型/超大型船舶由于船體主參數明顯增大，推進軸系傳遞的扭矩、推力巨大，因此軸系振動加劇，振動激勵通過軸系-軸承-船體傳遞，進而引起船體的強烈振動[9]。另一方面，通過增大軸系與螺旋槳的直徑來保證扭矩傳遞[10]，導致軸系剛度增加，但船體是一薄壁腔體，其剛度不會與軸系剛度同步增長，而軸系剛性相對增大，使其對船體變形極為敏感。船體首尾基準線的相對變形分布均呈現“凸”或“凹”形曲線，使軸線也發生變形。首尾軸承軸線的*小變形為 2.2mm，滿載下*大變形為6.2mm，而軸承間隙數量級為0.1mm級，軸線的變形量遠大于軸承間隙，導致軸系軸承的相對位置、負荷發生劇烈變化，甚至超出保持軸系正常運轉允許的范圍[11，12]。研究表明，可以通過軸承負荷影響數[13]來定量描述軸系變形對軸承負荷所帶來的影響。軸承負荷影響數對比表如表1-3所示。對于新型的VLCC船舶，中間軸承位置發生0.1mm位移，其尾管前軸承載荷增加21650N。對于老型號船卻僅增加8070N，前者幾乎是后者的3倍。如進一步計入船體變形，只要中間軸承被抬高0.28mm，尾管前軸承就會脫空[3]。這是船舶大型化必然面對的困境。 因此，水環境中大型船舶的船體變形及其船舶推進系統間的相互影響引起船舶界和各國船級社的高度重視，成為船舶與海洋工程行業及相關領域的研究熱點。波浪載荷作用下，大型船舶推進系統與船體的系統動力學耦合理論、航行環境下的流體-船體耦合動力學條件下的推進軸系扭轉、縱向和橫向耦合振動，以及復雜海洋環境下的船舶航行性能提升優化技術等都是亟待重點研究的科學問題。這對于提高大型船舶運營中的穩定性及可靠性、保障船舶軸系的生命力、降低推進系統振動對船舶的危害具有重要意義。 1.2船舶軸系的基本構成及作用 1.2.1船舶推進系統 船舶推進系統作為船舶的重要組成部分，連接著主機和螺旋槳，傳輸主機產生的扭矩給螺旋槳，同時將螺旋槳產生的軸向推力傳遞給船體以推動船舶的運行，保障船舶的航行動力。船舶推進系統對船舶營運的經濟性、機動性、可靠性等起著至關重要的作用 [14-16]。船舶推進系統主要包括主機 （船用二沖程或四沖程柴油機）、支承系統 （推進軸系、軸承和相關傳動設備 ）、推進器 （各種結構形式的螺旋槳 ）和其他輔助機械設備系統。船舶推進系統布置圖如圖 1-1所示。推進軸系作為主機與推進器之間的連接部件，主要將主機產生扭矩及功率傳遞給推進器。與此同時，將推進器與水之間作用產生的軸向推力作用于推力軸承處，進而傳給船體，使船舶前進或者后退，其工作穩定性和可靠性是船舶生命力的有力保證。 1.主機 船舶主機，即船舶動力裝置，是為各類船舶提供動力的機械。船舶主機根據采用燃料的性質、燃燒的場所、使用的工質及其工作方式等，可分為蒸汽機、內燃機、核動力機和電動機。目前，絕大多數的船舶都在使用內燃機中的往復式柴油機作為主機，部分軍艦使用核動力主機和電動主機。船舶主機主要包括主動力裝置、輔助動力裝置、其他輔機和設備。主動力裝置為船舶提供推進動力的主機及其附屬設備，是全船的心臟。主動力裝置以主機類型命名。目前，主機主要有蒸汽機、汽輪機、柴油機、燃氣輪機和核動力裝置等五類。現代運輸船舶的主機以柴油機為主，在數量上占絕對優勢。輔助動力裝置是為全船提供電力、照明和其他動力的裝置，如發電機組、副鍋爐等，其中發電機組是船上*重要的輔助動力裝置。柴油機船一般有2～3臺發電機組，由單獨設置的中速或高速柴油機驅動。其他輔機和設備包括為主機運行提供支持的設備，如空壓機、油水分離機、重油加熱裝置，以及各種管路系統等。 2.推進軸系 船舶推進軸系位于主機（或齒輪箱）的輸出法蘭和螺旋槳之間，并起著連接它們的作用。軸系一般由傳遞主機功率用的傳動軸、支撐傳動軸用的軸承及其他附件組成。船舶推進軸系的基本任務是將主機的功率傳遞給螺旋槳，同時將螺旋槳旋轉產生的軸向推力傳給船體以推動船舶運動。傳動軸主要由螺旋槳軸、艉軸、推力軸和中間軸組成。這些軸段的數目和配置主要取決于船型、動力裝置類型和機艙位置。一般船舶的艉軸指螺旋槳軸。艉軸（或螺旋槳軸）末端裝有螺旋槳。前端穿過艉軸管與船體內的中間軸相連。中間軸安置在推力軸與艉軸之間，在傳動軸中起著連接各主要軸段的作用。推力軸是為承受推力設置的，設有推力環。軸系受力情況十分復雜，包括扭應力、壓縮應力、彎曲應力、安裝誤差引起的附加應力和其他動態附加應力等。 3.軸承 軸承可以分為推力軸承、中間軸承和艉軸承。其中，推力軸承主要傳遞縱向力，中間軸承和艉軸承連接軸與船體，傳遞徑向力。軸承的結構形式可以分為滑動式和滾動式兩種。滑動軸承的優點是工作可靠、維護簡便、制造成本低且不需要專門設備，安裝和維修較方便，大量使用在轉速較低的軸系中。 4.推進器 推進器主要指各種結構形式的螺旋槳。螺旋槳是靠槳葉在水中旋轉，將發動機轉動功率轉化為推進力的裝置，可有兩個或較多的葉與轂相連。葉的向后一面為螺旋面或近似于螺旋面。螺旋槳分為定 （槳）距和變距螺旋槳兩大類。定距槳的槳距（或槳葉安裝角）是固定的，構造簡單，重量輕，只在選定的速度范圍內效率較高，在其他狀態下效率較低。變距螺旋槳的槳距 （或槳葉安裝角）是可變的，構造復雜，造價高，通過調節槳距或槳葉角度可使螺旋槳在一定工況和環境下處于*佳工作狀態。 1.2.2船舶軸系故障形式 大型船舶在航行過程中，會不可避免地遇到一些突發狀況，如大風、大浪等。這會對大型船舶軸系產生影響，嚴重時可能導致軸系發生故障，使大型船舶無法正常工作。同時，大型船舶軸系在正常航行過程中，可能由于不平衡力、潤滑不良、軸系校中、微小異物入侵等發生一系列的嚴重故障。從振動基本形式上看，船舶推進軸系振動可分為扭轉振動、縱向振動、回旋振動。由于主機激振力的不均勻性、主機離心慣性力，以及軸系安裝的不對中性、材料分布的不均勻性等原因，極易使推進軸系產生以橫向和扭轉為主的振動。螺旋槳在水的激勵作用下，上述三種船舶推進軸系的振動形式都可能出現，并產生兩向或三向的耦合振動。此外，極端海洋環境下的波浪載荷會使船體產生變形，改變原有軸系支承軸承的相對剛度和位置。尤其是，針對如大型散貨船等尾機型、軸系短粗的船舶，推進軸系剛度較大，當軸承基座的垂向位置發生小幅度變化時，軸系會產生比較劇烈的橫向振動[17]。劇烈的橫向振動會使螺旋槳軸的錐形大端產生龜裂，導致嚴重的疲勞損壞事故，進而尾管后軸承產生嚴重的磨損及過熱等現象，導致軸襯套腐蝕、密封裝置損壞等故障發生。長時間、劇烈的扭轉振動極易造成主機曲軸、中間軸、尾軸、螺旋槳軸的扭斷。耦合作用下船舶軸系及部件的破壞如圖1-2所示。縱向振動極易引起主機內曲柄銷彎曲應力和拉壓應力超過其允許的受力極限，使曲軸發生彎曲疲勞破壞，或者造成傳動齒輪的輪齒附加負荷增大，加速齒面過度磨損，甚至損壞等。 1.3船舶軸系性能提升與安全運行研究現狀 1.3.1基于流固耦合理論的流體-船舶動力學研究現狀 在船舶航行過程中，波浪的壓力作用會引起船體結構的剛體運動，包括在各個方向上的搖蕩，同時船體結構在螺旋槳等動力裝置的激勵下會產生不同形式的變形。船舶在航行過程中所受外部荷載的應力分布如圖 1-3所示。由于船體結構的彈性變形也會作用到流體上，影響波浪載荷的分布狀態，因此需要對流體 -結構耦合作用進行系統的探究[18]。 在流體-船體耦合動力學理論分析方面，需通過流固耦合的建模基礎，結合流體的水彈性理論，同時考慮船體結構的初始慣性力和流體動力的耦合作用，將流場域和固體域作為整體系統進行分析，以此來描述流體 -船體結構的相互作用，并得到不同邊界條件下的船體變形量。在早期的流體研究中， Deni
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