CN111237348B - 小水线面双体船型倒挂式推力轴承基座及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及减振技术领域内的一种小水线面双体船型倒挂式推力轴承基座，其特征在于，包括基座平台及基座肘板；所述基座肘板设有凹槽，所述凹槽用于容纳推力轴承；所述基座平台的一个端面与所述基座肘板连接，其相对的另一个端面与小水线面双体船的支柱体连接。本发明还提供了一种小水线面双体船型倒挂式推力轴承基座的设计方法。本发明通过倒挂式推力轴承基座的设置，其阻抗高于传统推力轴承基座，使螺旋桨宽带力激励的螺旋桨‑轴系‑推力轴承‑推力轴承基座对应的模态频率提高，从而对应的宽带力激励在此频率下产生较小的振动传递。

Description

小水线面双体船型倒挂式推力轴承基座及其设计方法

技术领域

本发明涉及减振技术领域，具体地，涉及一种小水线面双体船型倒挂式推力轴承基座及其设计方法。

背景技术

小水线面双体船是指一种水线面积小，且由两个潜水体和一个水上箱体，中间有两个流线型支柱连接起来的船舶。该船型最大的特点是耐波性好，尤其是在高航速、高波浪时，这一特点更明显。小水线面双体船由双船体、支柱体和2个潜体构成。小水线面双体船自20世纪80年代开始迅速发展，应用繁多。按功能划分可用于海上作业、交通客运和油田服务、军用靶场保障和水声监听、旅游娱乐以及试验演示。

随着国际海事组织对船舶噪声污染控制的要求越来越高，船舶低噪声结构和低噪声设计方法引起了船舶设计部门的广泛关注。其中螺旋桨引起的推进系统噪声是船舶机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声中贡献较大的部分。当推力轴在水下运转时，在螺旋桨宽带力的作用下，螺旋桨-轴系-支撑的纵向和横向弯曲振动模态、螺旋桨的振动模态处会产生力的放大。推力轴承基座是螺旋桨纵向脉动力向船体传递的主要通道，充当了机械滤波器的作用，其动力学特性对螺旋桨激励力向船体结构的传递具有重要影响。影响体现在，一是推力轴承的基座面板阻抗对输入给推力轴承基座的力、能量有重要影响，一般说来，基座面板原点阻抗越大，传递到基座面板的传递力会小、能量会低；二是从基座面板到船体表面的传递导纳，传递导纳取决于基座本身的传递特性、基座到船体湿表面的传递特性，一般说来，传递导纳越小，也即传递过程中的传递途径衰减越大越好。

经现有技术检索发现，中国实用新型专利公开号为CN203111443U，公开了一种扩容型小水线面双体船，包括左右对称布置的两个片体，所述片体之间通过连接桥相连，单个片体的结构为：通过舷台、支柱体及下潜体依次连接构成，所述舷台、支柱体、连接桥以及下潜体的外表面焊接有船体壳板，所述舷台与支柱体的船体壳板的外表面通过紧固件包裹有轻质泡沫，并在轻质泡沫的外表面安装玻璃钢。本发明采用在小水线面双体船支柱体及舷台的外表面包覆轻质泡沫材料以及玻璃钢(纤维增强复合材料)的方法，可以有效地增加小水线面双体船的排水量，从而解决船舶超重所带来的问题。但该实用新型在降噪方面的改进明显不足。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种小水线面双体船型倒挂式推力轴承基座及其设计方法。

根据本发明提供的一种小水线面双体船型倒挂式推力轴承基座，包括基座平台及基座肘板；

所述基座肘板设有凹槽，所述凹槽用于容纳推力轴承；

所述基座平台的一个端面与所述基座肘板连接，其相对的另一个端面与小水线面双体船的支柱体连接。

一些实施方式中，位于所述基座肘板的两侧面连接有基座腹板。

一些实施方式中，背离所述基座平台方向的所述基座肘板与所述基座腹板的端面连接有基座面板。

一些实施方式中，还包括连接基座，所述连接基座的一端与所述基座面板连接，其相对的另一端与小水线面双体船的潜体连接。

一些实施方式中，所述倒挂式推力轴承基座的长度约为所述连接基座的三分之一。

一些实施方式中，所述潜体为单层低或双层底结构，所述连接基座的底部与所述潜体的底部或双层底的上部连接。

一些实施方式中，所述基座肘板和\或所述基座腹板的端部设有加强结构。

一些实施方式中，所述基座腹板、所述基座肘板以及所述基座面板中的其中一个或其中多个上设有减重孔。

本发明还提供了一种小水线面双体船，采用所述的小水线面双体船型倒挂式推力轴承基座。

本发明还提供了一种小水线面双体船型倒挂式推力轴承基座的设计方法，包括如下步骤：

S1，根据支柱体的尺寸结构和潜体的总体许可尺寸，设计倒挂式推力轴承基座的基座平台和基座结构，所述基座结构包括基座腹板、基座肘板以及基座面板；

S2，在软件中对倒挂式推力轴承基座进行有限元建模，基座平台与基座结构均采用板单元进行模拟，赋予相应的厚度；

S3，固定倒挂式推力轴承基座，开展模态分析，获得倒挂式推力轴承基座的模态振型和模态频率；

S4，根据质量约束要求，对基座平台与基座结构进行开减重孔操作；

S5，根据步骤S1-S4得到的模型进行阻抗分析，得到满足要求的基座设计结构。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明通过倒挂式推力轴承基座的设置，其阻抗高于传统推力轴承基座，使螺旋桨宽带力激励的螺旋桨-轴系-推力轴承-推力轴承基座对应的模态频率提高，从而对应的宽带力激励在此频率下产生较小的振动传递。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的一种实施方案：倒挂式推力轴承基座单独使用；

图2为本发明的一种实施方案：倒挂式推力轴承基座联合使用；

图3为本发明的一种实施方案：双层底上倒挂式推力轴承基座联合使用；

图4为本发明的实施方案：倒挂式推力轴承基座；

图5为本发明实验数据测量示意图；

图5a为实船尺度螺旋桨纵向激励下声压级对比图；

图5b为缩比模型实际激励下均方振速对比图。

1-支柱体，2-倒挂式推力轴承基座，21-基座平台，22-基座腹板，23-基座肘板，230-凹槽，24-基座面板，3-潜体，4-连接基座，5-双层底。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明结构上的设计所依据的原理简述如下；

由于推力轴承基座是螺旋桨激励力传递的重要通道，可在推力轴承基座处采取有效措施对螺旋桨-轴系-支撑的纵向振动模态处的振动传递进行控制。基于螺旋桨宽带激励力随着频率的升高而下降这一特性，对推力轴承基座进行加强可以有效地提高基座面板支撑阻抗(包括提高基座的首阶固有频率以及在部分频段内增加阻抗幅值)，从而使螺旋桨-推进轴系-支撑的一阶纵振固有频率有所提高，一阶纵振频率升高后对应频率处的激励力幅值下降；另一方面可以有效地均匀化通过推力轴承基座的传递力及弯矩，增加振动传递的衰减。

实施例1

如图1和图4所示，本实施例提供的一种适用于小水线面双体船型的倒挂式推力轴承基座，倒挂式推力轴承基座单独使用。倒挂式推力轴承基座2由基座平台21、基座腹板22、基座肘板23和基座面板24焊接而成；倒挂式推力轴承基座的基座平台21生根于支柱体1，基座平台21的纵向和横向构件与支柱体1的纵横加强筋对接；同时避免直接将基座结构与潜体3的辐射表面相连，使振动从倒挂式推力轴承基座2经过支柱体1再传递到潜体3，以增加基座面板24到潜体3辐射表面的振动传递途径、减少振动传递。由于倒挂式推力轴承基座的高度通常较高，其在潜体横向方向的刚度需得到保证，可在保持重量不显著增加的情况下，通过优化倒挂式推力轴承基座的高度以及平台结构的高度之比，来提高倒挂式推力轴承基座的横向刚度，从而倒挂式推力轴承基座的阻抗高于传统推力轴承基座，使螺旋桨宽带力激励的螺旋桨-轴系-推力轴承-推力轴承基座对应的模态频率提高，从而对应的宽带力激励在此频率下产生较小的振动传递。

实施例2

如图2和图4所示，本实施例提供的一种适用于小水线面双体船型的倒挂式推力轴承基座，其倒挂式推力轴承基座与连接基座(即传统推力轴承基座)联合使用。倒挂式推力轴承基座2由基座平台21、基座腹板22、基座肘板23和加筋基座面板24焊接而成；倒挂式推力轴承基座的基座平台结构21生根于支柱体1，其纵向和横向构件与支柱体的纵横加强筋对接；同时避免直接将基座结构与潜体3的辐射表面相连，使振动从基座2经过支柱体1再传递到潜体3，以增加基座面板24到潜体3辐射表面的振动传递途径、减少振动传递；倒挂式推力轴承基座的阻抗高于传统推力轴承基座，使螺旋桨宽带力激励的螺旋桨-轴系-推力轴承-推力轴承基座对应的模态频率提高，从而对应的宽带力激励在此频率下产生较小的振动传递。倒挂式推力轴承基座2的基座面板24与连接基座4的基座面板进行连接，倒挂式推力轴承基座2和连接基座4并联，利用传统推力轴承基座即连接基座4承担推力轴承及其分担的静态载荷，倒挂式推力轴承基座可有效增大传统推力轴承基座的各向阻抗，由于倒挂式推力轴承基座的底部基座面板得到约束，基座的横向刚度提高，并且一部分振动能量通过倒挂式推力轴承基座-支柱体的传递通道进行传递和衰减；为了增强倒挂式推力轴承基座和传统推力轴承基座联合使用时的工艺性，倒挂式推力轴承基座沿着船首尾方向的长度约为现有传统推力轴承基座的1/3即可发挥效果，在实施上，可将传统推力轴承基座延伸1/3的长度，在延伸段将倒挂式推力轴承基座2和传统推力轴承基座即连接基座4连接。

实施例3

如图3和图4所示，本实施例提供的一种适用于小水线面双体船型的倒挂式推力轴承基座，为双层底上倒挂式推力轴承基座联合使用。倒挂式推力轴承基座由基座平台21、基座腹板22、基座肘板23和加筋基座面板24焊接而成；倒挂式推力轴承基座的基座平台结构21生根于支柱体1，其纵向和横向构件与支柱体的纵横加强筋对接；同时避免直接将基座结构与潜体3的辐射表面相连，使振动从基座2经过支柱体1再传递到潜体3，以增加基座面板24到潜体3辐射表面的振动传递途径、减少振动传递。连接基座4安装在双层底5上，可有效减少传统推力轴承基座高度。倒挂式推力轴承基座2的基座面板结构与连接基座4的基座面板进行连接，倒挂式推力轴承基座2和连接基座4并联，利用传统推力轴承基座即连接基座4承担推力轴承及其分担的静态载荷，同时传统推力轴承基座高度的减少可进一步增强基座的横向刚度和三向原点阻抗，增强减振效果；倒挂式推力轴承基座可有效增大传统推力轴承基座的各向阻抗，由于倒挂式推力轴承基座的底部基座面板得到约束，基座的横向刚度提高，并且一部分振动能量通过倒挂式推力轴承基座-支柱体的传递通道进行传递和衰减。

实施例4

如图1-4所示，本实施例提供了一种小水线面双体船型，采用上述实施例1-3任一或任多组合的倒挂式推力轴承基座结构，其他为现有技术。

实施例5

如图1-5所示，本实施例提供了一种小水线面双体船型倒挂式推力轴承基座的设计方法，包括如下步骤：

S1，根据所述支柱体1的尺寸结构和所述潜体3的总体许可尺寸，设计倒挂式推力轴承基座的基座平台21和基座结构，基座结构包括基座腹板22、基座肘板23以及基座面板24，基座平台21的纵向和横向构件按照支柱体1的纵横加强筋进行设计，所述基座结构的尺寸满足推进轴系的位置、所述潜体3尺寸的约束；

S2，在软件中对倒挂式推力轴承基座2进行有限元建模，所述基座平台21与所述基座结构均采用板单元进行模拟，赋予相应的厚度；

S3，将倒挂式推力轴承基座平台结构的底部进行固定，开展模态分析，获得倒挂式推力轴承基座的模态振型和模态频率。观察得到的模态频率和模态振型，为提高相应的模态频率，选择对基座面板24、基座腹板22和基座肘板23变形最大的位置进行加强，其变形最大的部位一般位于基座腹板22和基座肘板23的末端，即靠近基座面板24处，加强方法可以采用增加相应板的厚度、减少相应板的高度；

S4，根据质量约束要求，对基座平台与所述基座结构进行开减重孔；所述基座平台21的纵向和横向构件板，以及所述基座面板24、所述基座腹板22和所述基座肘板23进行开孔操作，开孔的位置一般在基座腹板22、基座肘板23等中心位置，开孔后应以不显著影响板的刚度，可以通过开展静变形分析获得变形特性，从而进行判断；

S5，根据步骤S1-S4得到的模型进行阻抗分析，比较优化开孔前后的阻抗大小，得到满足要求的基座设计结构；选择三向阻抗满足要求的平台结构纵向和横向构件板，以及基座面板24、基座腹板22和基座肘板23的厚度和开孔方案，即得到满足要求的基座设计结构。

以下为使用方式的选择：

1)方案一倒挂式推力轴承基座单独使用：将得到的满足要求的基座设计结构，将其安装于给定的支柱体和艇体结构中，安装时，倒挂式推力轴承基座的基座平台纵向和横向构件与支柱体的纵横加强筋对接，在软件中对倒挂式推力轴承基座、支柱体和艇体结构进行有限元建模，基座平台、基座结构、支柱体结构和艇体结构(包含艇体结构的加强筋)均采用板单元进行模拟，赋予相应的厚度；在倒挂式推力轴承基座面板结构与推力轴承的连接点上施加单位力，开展强迫振动响应分析，获得艇体和支柱体表面的均方振速；

2)方案二倒挂式推力轴承基座联合使用：将得到的满足要求的基座设计结构，将其安装于给定的支柱体、艇体结构和传统推力轴承基座中，安装时，倒挂式推力轴承基座平台结构纵向和横向构件与支柱体的纵横加强筋对接，倒挂式推力轴承的面板与传统推力轴承基座的面板进行连接。在软件中对倒挂式推力轴承基座、支柱体和艇体结构、传统推力轴承基座结构进行有限元建模，平台结构、基座结构、支柱体结构和艇体结构(包含艇体结构的加强筋)、传统推力轴承基座结构均采用板单元进行模拟，赋予相应的厚度；倒挂式推力轴承基座的面板与传统推力轴承基座的面板的节点进行耦合，在倒挂式推力轴承基座面板结构与推力轴承的连接点上施加单位力，开展强迫振动响应分析，获得艇体和支柱体表面的均方振速；

3)方案三双层底上倒挂式推力轴承基座联合使用：将得到的满足要求的基座设计结构，将其安装于给定的支柱体、艇体结构、传统推力轴承基座和双层底中，安装时，倒挂式推力轴承基座平台结构纵向和横向构件与支柱体的纵横加强筋对接，倒挂式推力轴承的面板与传统推力轴承基座的面板进行连接。在软件中对倒挂式推力轴承基座、支柱体和艇体结构、传统推力轴承基座结构和双层底结构进行有限元建模，平台结构、基座结构、支柱体结构和艇体结构(包含艇体结构的加强筋)、传统推力轴承基座结构和双层底结构均采用板单元进行模拟，赋予相应的厚度；倒挂式推力轴承基座的面板与传统推力轴承基座的面板的节点进行耦合，在倒挂式推力轴承基座面板结构与推力轴承的连接点上施加单位力，开展强迫振动响应分析，获得艇体和支柱体表面的均方振速；

4)结合1)、2)和3)中的结果进行综合分析，查看均方振速的大小，考虑质量代价等约束，选择一种较优的使用方式。

如图5所示，图5a给出的是实船尺度螺旋桨纵向实际激励下采用不同基座模型的辐射声压级结果，在目标控制频率(轴系一阶纵振19Hz)幅值下降了4dB。图5b给出了缩比模型在实际纵向激励下的均方振速结果。可以看出，采用倒挂式推力轴承基座的均方振速在关注频段内基本都要小于常规基座。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种小水线面双体船型倒挂式推力轴承基座，其特征在于，包括基座平台(21)及基座肘板(23)；

所述基座肘板(23)设有凹槽(230)，所述凹槽(230)用于容纳推力轴承；

所述基座平台(21)的一个端面与所述基座肘板(23)连接，其相对的另一个端面与小水线面双体船的支柱体(1)连接；位于所述基座肘板(23)的两侧面连接有基座腹板(22)；背离所述基座平台(21)方向的所述基座肘板(23)与所述基座腹板(22)的端面连接有基座面板(24)；还包括连接基座(4)，所述连接基座(4)的一端与所述基座面板(24)连接，其相对的另一端与小水线面双体船的潜体(3)连接。

2.根据权利要求1所述的小水线面双体船型倒挂式推力轴承基座，其特征在于，所述倒挂式推力轴承基座(2)的长度为所述连接基座(4)长度的三分之一。

3.根据权利要求1所述的小水线面双体船型倒挂式推力轴承基座，其特征在于，所述潜体(3)为单层底或双层底结构，所述连接基座(4)的底部与所述潜体(3)的底部或双层底的上部连接。

4.根据权利要求1所述的小水线面双体船型倒挂式推力轴承基座，其特征在于，所述基座肘板(23)和\或所述基座腹板(22)的端部设有加强结构。

5.根据权利要求1所述的小水线面双体船型倒挂式推力轴承基座，其特征在于，所述基座腹板(22)、所述基座肘板(23)以及所述基座面板(24)中的其中一个或其中多个上设有减重孔。

6.一种小水线面双体船，其特征在于，采用如权利要求1-5任一所述的小水线面双体船型倒挂式推力轴承基座。

7.一种小水线面双体船型倒挂式推力轴承基座的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，根据支柱体(1)的尺寸结构和潜体(3)的总体许可尺寸，设计倒挂式推力轴承基座(2)的基座平台(21)和基座结构，所述基座结构包括基座腹板(22)、基座肘板(23)以及基座面板(24)；

S2，在软件中对倒挂式推力轴承基座(2)进行有限元建模，基座平台(21)与基座结构均采用板单元进行模拟，赋予相应的厚度；

S3，固定倒挂式推力轴承基座(2)，开展模态分析，获得倒挂式推力轴承基座的模态振型和模态频率；

S4，根据质量约束要求，对基座平台(21)与基座结构进行开减重孔操作；

S5，根据步骤S1-S4得到的模型进行阻抗分析，得到满足要求的基座设计结构。

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