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原文传递基于高强合金钢的大型船舶轴系超规范设计和中空轻量化研究

论文题名：	基于高强合金钢的大型船舶轴系超规范设计和中空轻量化研究
关键词：	船舶轴系;高强度合金钢;结构优化;轻量化设计
摘要：	随着船舶向大型化发展，船舶推进轴系的尺寸和重量也在逐渐增大，在保证轴系强度的前提下，实现轴系的轻量化设计对船舶的经济性具有重要的意义。目前，大型民用船舶的轴系通常采用优质碳素钢作为轴系材料，并根据船舶建造规范进行设计，设计得到的轴系往往重量较大。为减轻船舶推进轴系的重量，本文拟探讨高强度合金钢在民用船舶轴系上的应用，同时从结构优化入手，开展船舶轴系轻量化设计相关研究工作。　　论文主要研究工作如下：　　（1）通过多方面比对分析，选择30Cr2Ni2Mo合金钢作为本文研究的轴系材料。以某大型散货船的轴系设计为算例，基于CCS船舶建造规范，以该船轴系原用材料（35#碳钢）和30Cr2Ni2Mo合金钢分别进行了轴系设计。对设计结果采用理论计算和有限元仿真分别进行了强度校核，校核结果表明两种材料下的轴系设计结果满足强度要求。对比分析两种不同材料设计得到的轴系，发现使用30Cr2Ni2Mo合金钢的轴系重量比35#碳钢的降低了20.44%。同时，设计结果表明，使用30Cr2Ni2Mo设计的轴系其螺旋桨轴安全系数超出船舶规范推荐安全系数取值范围，导致轴系结构强度裕度过高，尚有进一步轻量化的空间。　　（2）针对使用高强合金钢导致的轴系强度裕度过高的问题，通过分析船舶建造规范中的轴径计算公式，发现材料的屈服强度对轴径的计算没有影响，高强合金钢的强度优势在轴系的设计过程中得不到体现，同时轴径计算公式对抗拉强度取值的限制进一步了影响了材料强度性能的利用，最终导致轴系强度裕度过高。为此，论文突破了规范轴系计算公式中抗拉强度的取值限制，重新进行了轴系设计，并通过理论计算和有限元仿真进行了强度校核，计算结果表明轴系的强度裕度有所下降，但螺旋桨轴的安全系数仍高于规范推荐的安全系数取值范围。针对该螺旋桨轴，将轴系的安全系数作为轴系设计的基准，进行进一步的超规范设计，逐渐缩小螺旋桨轴的直径，直至轴系的强度裕度合理。在经过超规范设计后，轴系重量进一步下降，累计下降幅度达到了44.27%。　　（3）从结构角度入手，进行了轴系的中空优化研究。通过逐步调整轴系的中空比，探索了中空轴的重量和应力随中空比变化的规律。对于中空比超过40%的轴，按照规范要求进行了轴的修正，并研究了轴的修正对轴系带来的影响。根据修正后轴的重量和强度的计算结果，设计了船舶轴系中空优化方案，并选择了减重效果最佳的中空比，最终完成了轴系的中空设计。轴系在经过中空设计后，轴系的重量有了更进一步的下降，重量累计下降幅度达到了56.96%。　　本文从材料和结构两个角度出发，完成了轴系的轻量化设计，最终得到了使用高强合金钢设计的超规范中空轴系，为今后的轴系轻量化设计提供了参考。
作者：	张硕
专业：	船舶与海洋工程
导师：	向祖权
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021