摘 要

螺旋桨是船舶的主要推进装置，船舶螺旋桨和尾轴通常采用过盈连接的方式固定。螺旋桨在工作时转动，导致螺旋桨和尾轴连接处会承受交变载荷。在交变载荷作用下，螺旋桨和和尾轴过盈连接面可能会出现疲劳损伤，甚至疲劳失效的情况。疲劳失效会导致螺旋桨无法正常工作，对船舶危害极大。针对上述问题，本研究对螺旋桨和尾轴过盈连接进行了疲劳分析。

首先，通过类比厚壁圆筒的过盈配合问题，建立螺旋桨和尾轴过盈连接物理模型和材料模型。并一步从Lame和Timoshenko的研究出发，结合用微元法，弹性力学、摩擦力学、广义胡克定律和静力平衡理论，分别从接触面压力计算，静力平衡、物理方程和变形几何关系的角度对螺旋桨和尾轴过盈物理模型进行了力学分析。根据力学分析，推算出了过盈量的范围。

其次，为理清疲劳寿命步骤。本研究从疲劳基本原理出发，分析了总结了现有疲劳计算理论，阐述了S-N曲线，推导了Miner线性累计疲劳损伤理论的计算过程。并建立了基于名义应力法，S-N曲线和损伤累计理论的螺旋桨和尾轴过盈连接疲劳寿命计算步骤。

然后，基于螺旋桨和尾轴过盈连接的物理模型，用有限元分析的方法，利用Comsol软件对两个部件进行了应力分析。结果表明，螺旋桨和尾轴接触面的首部和尾部出现了应力集中现象，且旋转状态下由于离心力的作用，应力值会减小。另一方面，随着过盈量的增加，螺旋桨和尾轴接触面的压力也在不断增加。而当过盈量过大时，接触面的摩擦系数可能会发生改变。因此，接触面应力值和过盈量也并非是线性关系。通过对比试验也可以看出，开卸荷槽可以有效解决卸载槽应力集中效应。

最后，利用Comsol软件，模拟一定载荷谱工况，计算了螺旋桨和尾轴过盈连接的疲劳寿命。结果表明，无卸荷槽时，船舶尾轴与螺旋桨过盈连接的疲劳寿命较短。开卸荷槽则可以有效延长船舶尾轴与螺旋桨过盈连接的疲劳寿命。

Abstract

The propeller is the main propulsion device of the ship. The propeller and the stern shaft are usually fixed by an interference connection. When the propeller rotates during operation, the joint between the propeller and the stern shaft will be deformed alternately. The interference interface with the stern shaft may cause fatigue damage or even fatigue failure. Fatigue failure will cause the propeller to fail to work properly, which is extremely harmful to the ship.

In this study, for the purpose of fatigue analysis of the interference connection between the propeller and the tail shaft, based on the thick-walled axial theory, combined with elastic mechanics, friction mechanics, generalized Hooke's law and static balance theory, the interference connection between the propeller and the tail shaft was first established The physical model and the corresponding mechanical analysis model; then, the fatigue life theory is systematically decomposed, and the method and process of fatigue analysis are determined; finally, the theoretical analysis and Comsol software are carried out to analyze whether there are two types of unloading grooves Under the circumstances, the stress distribution law and fatigue life of the interference connection between the ship's propeller and stern shaft.

The results show that when there is no unloading groove, the stress at the interface between the ship's stern shaft and the propeller's interference connection is concentrated at the head and tail of the component. And due to the stress concentration effect, at this time, the fatigue life of the interference connection between the ship's stern shaft and the propeller deteriorates. After unloading the load slot, the stress concentration effect of the unloading slot can be effectively solved, and thus the fatigue life of the interference connection between the stern shaft of the ship and the propeller can be effectively extended.

目录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 过盈连接性能及设计研究 2

1.2.2 螺旋桨疲劳强度研究 4

1.2.3 有限元法在过盈配合中的应用 5

1.3 研究意义 5

1.4 研究内容、目标、技术路线及方法 6

1.4.1 研究内容 6

1.4.2 研究目标 6

1.4.3 技术路线和方法 6

1.5 本章小结 7

第2章 螺旋桨和尾轴过盈连接模型及分析 8

2.1 螺旋桨和尾轴过盈连接物理模型 8

2.1.1 几何模型 8

2.1.2 材料模型 8

2.2 接触面的力学分析 9

2.2.1 必要假设及参数设定 9

2.2.2 接触面压力计算分析 10

2.2.3 静力平衡方程 11

2.2.4 物理方程和变形几何关系 12

2.3 本章小结 13

第3章 疲劳寿命计算理论 14

3.1 疲劳基本原理及理论 14

3.1.1 疲劳发生机理及相关定义 14

3.1.2 疲劳类型分类 14

3.1.3 名义应力法 14

3.1.4 S-N曲线 15

3.1.5 Miner线性累计疲劳损伤理论 15

3.2 疲劳寿命计算方法 16

3.3 本章小结 17

第4章 螺旋桨和尾轴过盈连接模型应力分析 18

4.1 实际数据和参数设置 18

4.2 构建有限元模型 19

4.2.1 螺旋桨和尾轴过盈连接三维模型 19

4.2.2 网格划分 19

4.2.3 接触关系、位移和边界条件 20

4.3 应力结果分析 20

4.3.1 静止状态有限元应力分析 20

4.3.2 旋转状态有限元应力分析 21

4.3.3 过盈量对接触面应力的影响 21

4.3.4 卸荷槽对应力分布的影响 23

4.4 本章小结 24

第5章 螺旋桨和尾轴过盈连接疲劳分析 25

5.1 疲劳寿命计算 25

5.1.1 S-N曲线 25

5.1.2 载荷谱 25

5.2 螺旋桨和尾轴过盈连接疲劳寿命分析 27

5.2.1 疲劳寿命计算结果 27

5.2.2 卸荷槽对疲劳寿命的影响 27

5.3 本章小结 27

第6章 结论 28

参考文献 29

致谢 33

第1章 绪论

选题背景

船舶是交通运输的重要组成部分，超过80%的全球贸易都是通过船舶运输的^[1]。因此，监测船舶部件工作状态，保障船舶安全稳定航行具有重要意义。船舶包括很多部件，不同部件需要通过对应方式连接组成整体结构或系统，其中过盈连接是主要，尤其是大型部件连接方式之一。由于船舶可能需要在恶劣海况中长期进行航行，海浪引起的载荷不均会对连接部位造成冲击。长此以往，船舶部件连接处易产生疲劳破坏，进而会造成船舶安全隐患甚至发生事故。因此，对船舶过盈连接件进行疲劳分析具有重要意义。

过盈连接是指两个零件间通过接触面间的过盈量进行连接并固定的一种连接方式，要求包容件的内孔直径应略小于被包容件的外径^[2]。在过盈装配应用中，一般会采用压入法、温差法等技术将被包容件插入包容件的内孔，由于直径间存在过盈量会在零件之间形成接触压力，从而达到传递扭矩和承受轴向力的作用。过盈连接具有结构简单，定心精度好，可承受转矩，轴向力或两者复合的载荷，以及承载能力高等优点，因此已广泛应用于船舶工程领域。依据应用对象不同，过盈连接在船舶工程领域可分为：船舶动力装置（船舶螺旋桨与桨轴的连接、轴系连接、主机和辅机输出法兰与曲轴轴颈连接等）、船舶设备（舵杆与舵柄的连接、侧推装置轴系连接）。