CN107609272A - 一种船舶搁浅后轴系安全转速图谱确定方法 - Google Patents

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董良雄
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Abstract

本发明公开了一种船舶搁浅后轴系安全转速图谱确定方法，其特征在于，包括步骤：1)根据搁浅位置与搁浅力，构建了搁浅船舶轴系的力学结构模型；2)运用MATLAB软件，模拟计算轴系中心的运动轨迹；3)根据轴系中心的运动特征，确定船舶搁浅的敏感位置范围；4)根据敏感位置下搁浅力对轴系运动的影响程度，确定不同敏感搁浅位置下的临界搁浅力；5)确定基于特定搁浅载荷下计算产生轴系损伤的临界转速；6)根据搁浅载荷下的临界转速进行曲线拟合与图谱制作。

Description

一种船舶搁浅后轴系安全转速图谱确定方法
技术领域
本发明涉及船舶工程技术领域，具体为一种船舶搁浅后轴系安全转速图谱确定方法。
背景技术
船舶传统的搁浅理论大多着重于研究船体的结构损伤程度，或是研究船体破损后的泄漏问题以及研究船舶搁浅的操作问题。但由于船舶搁浅事故发生后，对于双壳结构的船舶，只要内壳完好无损，即使外壳发生了很大的破裂，货物也不会泄露，因此绝大多数研究只集中于搁浅本身所引起的载荷和损伤。而实际上，搁浅船舶的船体总体强度和局部强度已受到很大的影响，在救援、拖航过程中仍然会因为强度不够而发生进一步破坏，所以船舶搁浅后剩余强度问题近年来也受到了一定程度的重视。船体剩余强度降低的影响范围是非常广的，其中一个重要的方面常被忽视。那就是船舶搁浅后其推进轴系实际工作状态与正常工作状态可能出现不一致的情况，而这种情况可能加剧轴系振动和磨损，从而造成船舶轴系损伤，但由于其损伤程度相比船体损伤要轻微，所以常常被忽视。
在目前有关于船舶搁浅的研究中，一方面，因为由船体剩余强度降低而导致的对推进轴系产生的影响常常被忽视，所以随之而来的船舶操纵问题更是鲜有涉及；另一方面，又因为船舶发生搁浅后监测手段过于复杂，所以进一步增加了这一方面的研究难度。在搁浅事故发生时为了尽快脱浅，船舶一般都会选择加大转速；而当船舶发生碰撞之后，大家又很“谨慎”，一般都会采用减速航行的方式。但是这种船员自以为是安全操作其实并不安全，并因此而产生轴系损伤的事例较多。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种船舶搁浅后轴系安全转速图谱确定方法，针对船舶搁浅后轴系安全操作图谱的设计，有效解决了船舶搁浅后的轴系检测过程繁杂的问题，只需要提供该船的相关技术资料，就可以制作出该船在发生搁浅或碰撞时的轴系安全运行图谱，而且通俗易懂，便于随时查阅与比对，有着很强的实用性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种船舶搁浅后轴系安全转速图谱确定方法，其特征在于，包括步骤：
1)根据搁浅位置与搁浅力，构建了搁浅船舶轴系的力学结构模型；
2)运用MATLAB软件，模拟轴系中心的运动轨迹，确定其运动特征；
3)根据轴系中心的运动特征，确定船舶搁浅的敏感位置范围；
4)根据敏感位置下搁浅力对轴系运动的影响程度，确定不同敏感搁浅位置下的临界搁浅力；
5)确定基于特定搁浅载荷下计算产生轴系损伤的临界转速；
6)根据搁浅载荷下的临界转速进行曲线拟合与图谱制作。
优先地，所述步骤1)中搁浅船舶的力学模型的构建方法如下：所述步骤1)中搁浅船舶的力学模型的构建方法如下：将舶轴系做离散化处理，船体简化为长度为L、宽度为B、厚度为H、浸水深为h的柔性梁，船舶搁浅可看作在船体梁坐标(xc，0)处施加支承力F1的工况。
优先地，所述步骤2)中确定搁浅载荷的敏感位置范围方法如下：
通过步骤2)用MATLAB软件，作出不同搁浅载荷下的尾轴轴心运动分岔图，得出轴系进入混沌运动的临界转速，进而绘出搁浅载荷与轴系进入混沌运动的临界转速的关系图，将临界转速变化幅度对应的搁浅载荷范围作为搁浅载荷的敏感位置范围。
优先地，所述步骤5)中临界转速确定方法如下：利用ANASYS软件进行仿真模拟，根据确定的敏感搁浅位置以及临界搁浅力，选取典型算例；对每个算例中发生轴系损伤的程度进行比较，得到该工况下速度所在范围的上限和下限；如果上下限得出的临界转速小于额定转速2％时，取下限转速为该搁浅载荷的临界转速；反之，取上下限转速所在范围的中点值，替换临界速度上限或下限进行迭代计算，如果发生轴系损伤则用该值替换临界速度上限进行迭代计算，如果未发生轴系损伤则替换临界速度下限进行迭代计算；最终得出该搁浅载荷下产生轴系损伤的临界转速。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明针对船舶搁浅后轴系安全操作图谱的设计，有效解决了船舶搁浅后的轴系检测过程繁杂的问题，只需要提供该船的相关技术资料，就可以制作出该船在发生搁浅或碰撞时的轴系安全运行图谱，而且通俗易懂，便于随时查阅与比对，有着很强的实用性。
附图说明
图1为尾轴-油膜-艉部结构系统力学模型图；
图2为模拟计算轴系中心的运动轨迹流程图；
图3为确定船舶搁浅的敏感位置范围流程图；
图4为确定搁浅载荷下产生轴系损伤的临界转速的流程图；
图5为图谱制作步骤图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图所示，一种船舶搁浅后轴系安全转速图谱确定方法，包括步骤：
1)根据搁浅位置与搁浅力，构建了搁浅船舶轴系的力学结构模型；
本步骤具体实现方法如下，将船舶轴系做离散化处理，构建轴系-船体的力学结构模型(请重点参阅图1：尾轴-油膜-艉部结构系统力学模型图)：
其中：船体简化为长度为L、宽度为B、厚度为H、浸水深为h的柔性梁，m1，m2，m5为左右轴颈与螺旋桨质量，m3，m4为尾轴承参振质量，c1，c2为阻尼系数；f1x，y，F1；f2x，y，P1X，Y分别为左、右轴承处油膜力和碰摩力，(F1，F2)为搁浅船体受到的支承力和波浪力，因此，船舶搁浅可看作在船体梁坐标(xc，0)处施加支承力F1的工况，采用搁浅载荷描述该工况，其中坐标采用xc与船长的比值，大小采用F与船重的比值来代替。
2)运用MATLAB软件，模拟轴系中心的运动轨迹，确定其运动特征；
请重点参阅图2，根据系统动力学方程其中u为位移列阵，为F激振力列阵，M为质量矩阵，G为陀螺矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，利用MATLAB软件，采用欧拉方法同时求解弹性流体动力润滑方程和运动方程，得出轴系轴心轨迹(X，Y)，关键求解步骤如下：
(1)根据初始位置，利用弹性流体动力润滑方程，计算轴承润滑油膜的非线性油膜力f1x，y，f2x，y并代入式方程，取设计τ＝0计算出轴心坐标的加速度
(2)取Δτ，根据各时刻点轴心位置关系，由上一位置参数得出下一个位置参数(X1，Y1)和即：
(3)利用(X1，Y1)和重复步骤1)～步骤2)，直到轨迹收敛。
3)根据轴系中心的运动特征，确定船舶搁浅的敏感位置范围；
请重点参阅图3，本步骤具体实现方法如下，船舶搁浅的状态发生变化时，轴系由周期运动进入混沌运动的临界转速也会发生变化，而当船舶搁浅位置超出一定范围后，轴系由周期运动进入混沌运动的临界转速趋于稳定。因此用MATLAB软件，作出不同搁浅位置下的轴系轴心运动分岔图得出轴系进入混沌运动的临界转速，进而绘出搁浅位置与轴系进入混沌运动的临界转速的关系图，将不稳定且变化较快临界转速所对应的搁浅载荷范围作为搁浅载荷的敏感位置范围。
4)根据敏感位置下搁浅力对轴系运动的影响程度，确定不同敏感搁浅位置下的临界搁浅力；
本步骤具体实现方法如下，针对不同搁浅位置，根据船舶具备自行脱浅能力的搁浅程度，选择一定范围的搁浅力，用MATLAB软件做出轴系振动幅值谱(计算方法同步骤2)，得出轴系最大振幅随搁浅力变化而变化的规律，从而读出搁浅力的临界值。当搁浅力低于临界值时，轴系振动幅值随转速升高而降低；高于临界值时，轴系振动幅值随转速升高而升高。
5)确定基于特定搁浅载荷下计算产生轴系损伤的临界转速；
本步骤具体实现方法如下，
(1)根据步骤3确定的敏感搁浅位置以及步骤4确定的临界搁浅力，选择要精确分析的搁浅算例。以搁浅力为变量设置共8个系列模拟(对称于临界搁浅力选取)，且在每个系列以尾轴转速为变量计算8个算例，总计64个算例。
(2)利用ANASYS软件，采用等效塑性失效准则进行仿真模拟。根据确定的敏感搁浅位置以及临界搁浅力，选取典型算例；对每个算例中发生轴系损伤的程度进行比较，得到该工况下速度所在范围的上限和下限。
(3)以转速上限和转速下限的差值大小为判据，进行精确计算发生轴系损伤工况下的临界转速。如果上下限得出的临界转速小于额定转速2％时，取下限转速为该搁浅载荷的临界转速；反之，取上下限转速所在范围的中点值，替换临界速度上限或下限进行迭代计算，如果发生轴系损伤则用该值替换临界速度上限进行迭代计算，如果未发生轴系损伤则替换临界速度下限进行迭代计算。最终得出该搁浅载荷下产生轴系损伤的临界转速。(具体流程如图4所示)
6)根据搁浅载荷下的临界转速进行曲线拟合与图谱制作。
本步骤具体实现方法如下，根据搁浅载荷下产生轴系损伤的临界转速，选择正切函数对转速数据进行拟合，将拟合曲线作变换得到三维坐标图，X轴坐标为搁浅位置，Y轴坐标为搁浅载荷，Z轴坐标为轴系故障的临界转速，从该图上可以根据船舶搁浅载荷读出轴系的安全运行区域。
图谱应用：船舶搁浅时，首先根据船舶状况判断搁浅载荷(即搁浅位置与搁浅力)，读取该工况下会导致船舶轴系损伤的临界转速及安全运转区间。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种船舶搁浅后轴系安全转速图谱确定方法，其特征在于，包括步骤：
1)根据搁浅位置与搁浅力，构建了搁浅船舶轴系的力学结构模型；
2)运用MATLAB软件，模拟轴系中心的运动轨迹，确定其运动特征；
3)根据轴系中心的运动特征，确定船舶搁浅的敏感位置范围；
4)根据敏感位置下搁浅力对轴系运动的影响程度，确定不同敏感搁浅位置下的临界搁浅力；
5)确定基于特定搁浅载荷下计算产生轴系损伤的临界转速；
6)根据搁浅载荷下的临界转速进行曲线拟合与图谱制作。
2.如权利1所述的船舶搁浅后轴系安全转速图谱确定方法，其特征在于：所述步骤1)中搁浅船舶的力学模型的构建方法如下：将舶轴系做离散化处理，船体简化为长度为L、宽度为B、厚度为H、浸水深为h的柔性梁，船舶搁浅可看作在船体梁坐标(xc，0)处施加支承力F1的工况。
3.如权利1所述的船舶搁浅后轴系安全转速图谱确定方法，其特征在于：所述步骤2)中确定搁浅载荷的敏感位置范围方法如下：
通过步骤2)用MATLAB软件，作出不同搁浅载荷下的尾轴轴心运动分岔图，得出轴系进入混沌运动的临界转速，进而绘出搁浅载荷与轴系进入混沌运动的临界转速的关系图，将临界转速变化幅度对应的搁浅载荷范围作为搁浅载荷的敏感位置范围。
4.如权利1所述的船舶搁浅后轴系安全转速图谱确定方法，其特征在于：所述步骤5)中临界转速确定方法如下：利用ANASYS软件进行仿真模拟，根据确定的敏感搁浅位置以及临界搁浅力，选取典型算例；对每个算例中发生轴系损伤的程度进行比较，得到该工况下速度所在范围的上限和下限；如果上下限得出的临界转速小于额定转速2％时，取下限转速为该搁浅载荷的临界转速；反之，取上下限转速所在范围的中点值，替换临界速度上限或下限进行迭代计算，如果发生轴系损伤则用该值替换临界速度上限进行迭代计算，如果未发生轴系损伤则替换临界速度下限进行迭代计算；最终得出该搁浅载荷下产生轴系损伤的临界转速。
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