CN112623143A - 一种基于动力学的船舶动力轴系扭振疲劳参数拟合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动力学的船舶动力轴系扭振疲劳参数拟合方法，涉及船舶动力检测领域，该方法包括：建立实验模型和动力轴系扭振疲劳函数；创建力矩曲线；在实验模型上施加不平衡质量块，并通过力矩曲线控制输入端的力矩得到动力轴外表面一点的动态应力响应结果曲线和动力轴使用时间极限值；重复进行多次实验；利用多次实验的激励参数及动力轴使用时间极限值拟合得到待定系数，建立船舶动力轴系寿命模型；在检测船舶动力轴系的寿命的工作过程中，采集相关数据并输入到船舶动力轴系寿命模型中得到动力轴使用时间极限值，通过本申请的船舶动力轴系寿命模型能够确定输入力矩和不平衡特性对船舶轴系的影响，能够很好的模拟出使用时间极限值。

Description

一种基于动力学的船舶动力轴系扭振疲劳参数拟合方法

技术领域

本发明涉及船舶动力检测领域，尤其是一种基于动力学的船舶动力轴系扭振疲劳参数拟合方法。

背景技术

船舶动力轴系是一种动力输出部件，通常为旋转机械结构，其结构特点以及使用工况决定了在运行过程中很容易被激发出扭振模态，而船舶动力轴系作为轴系的动力输出系统，发动机输入的力矩是波动的，螺旋桨在运行过程中会因为受力不均匀而产生类似转子不平衡的工况，从而产生一个新的激励，两种激励都会成为船舶动力轴系的扭振激励源，而因激发系统扭振导致的轴系动力学响应会使轴系产生一个负值较大的交变载荷，成为轴系疲劳断裂的重要因素之一。

目前传统的研究方法主要是通过实验，在轴系间安装力矩测试装置，测试出轴系运动过程中的力矩波动曲线，进而计算轴系疲劳寿命，工作量大，同时会破坏轴系固有的刚度，且由于设备的限制，不能很好的系统化研究不同输入波动力矩对轴系扭振疲劳的机理。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于动力学的船舶动力轴系扭振疲劳参数拟合方法，本发明的技术方案如下：

一种基于动力学的船舶动力轴系扭振疲劳参数拟合方法，包括以下步骤：

根据船舶动力轴系建立实验模型并根据所述实验模型建立动力轴系扭振疲劳函数，所述动力轴系扭振疲劳函数反应动力轴使用时间极限值和输入力矩波动率、转子不平衡特性的关系且所述动力轴系扭振疲劳函数中包括待定系数；

创建波动力矩曲线和调速力矩曲线，所述波动力矩曲线包括若干个波动力矩段，力矩在每个所述波动力矩段的时长内按照对应的波动率进行波动，所述调速力矩曲线包括若干个调速力矩段，力矩在每个所述调速力矩段的时长内为对应的恒定值；

在所述实验模型上施加不平衡质量块，并按照两种力矩曲线的曲线形式控制输入端的力矩，得到动力轴外表面一点的动态应力响应结果曲线；

根据所述实验模型的S-N曲线以及所述动力轴外表面一点的动态应力响应结果曲线得到动力轴外表面一点的动力轴使用时间极限值；

重复所述创建波动力矩曲线和调速力矩曲线的步骤，且每次实验的波动力矩曲线、调速力矩曲线和不平衡质量块的放置位置中的至少一个与其他实验中的不同，直到达到预定实验次数；

利用多次实验的激励参数及对应的动力轴使用时间极限值拟合得到所述动力轴系扭振疲劳函数中的待定系数，建立船舶动力轴系寿命模型，所述激励参数包括每次实验使用的波动力矩曲线、调速力矩曲线和不平衡质量块的放置位置；

在检测船舶动力轴系的寿命的工作过程中，采集所述船舶动力轴系的输入力矩波动率和转子不平衡特性并输入到所述船舶动力轴系寿命模型中得到动力轴使用时间极限值。

其进一步的技术方案为，所述动力轴系扭振疲劳函数的表达式为：

其中，f(x,y)＝lg(N_life)，N_life为动力轴使用时间极限值，a_i，a_j，a_(u,v)为待定系数，i、j、u、v为参数，max(i)、max(j)、max(u)、max(v)表示参数i、j、u、v所取得的最大值，x表示输入力矩波动率，y表示转子不平衡特性，计算公式分别为：

M表示电机力矩曲线的上下幅值范围，T表示电机额定力矩，m为转子质量，r为不平衡质量力到动力轴的距离，J为转子的转动惯量。

其进一步的技术方案为，所述波动力矩曲线包括至少两个对应不同波动率的波动力矩段，各个波动力矩段对应的时长相等或不等，各个波动力矩段在时间上连续或不连续，且力矩在各个波动力矩段内的波动幅值不为0、波动均值为0；

所述调速力矩曲线包括对应的恒定值为0的调速力矩段、对应的恒定值大于0的调速力矩段、对应的恒定值小于0的调速力矩段。

其进一步的技术方案为，所述调速力矩曲线包括对应的恒定值为0的匀速段以及对应的恒定值不为0的非匀速段，则所述按照两种力矩曲线的曲线形式控制输入端的力矩，包括：

当所述调速力矩曲线的匀速段施加到所述实验模型的输入端时，在所述实验模型的输入端上施加所述波动力矩曲线；当所述调速力矩曲线的非匀速段施加到所述实验模型的输入端时，移除所述实验模型的输入端上的所述波动力矩曲线。

其进一步的技术方案为，所述建立所述实验模型的S-N曲线并通过所述动力轴外表面一点的动态应力响应结果曲线得到动力轴外表面一点的动力轴使用时间极限值，包括：

建立所述实验模型的S-N曲线，所述S-N曲线的表达式为：

lgS＝A+BlgN；

其中，A和B为材料参数，S表示应力，N表示疲劳寿命周期；

基于Gerber准则将所述动力轴外表面一点的动态应力响应结果曲线转变为等效交变应力，所述等效交变应力包括n个交变周期；

通过所述S-N曲线和所述等效交变应力得到每个交变周期的损伤值D_p，得到损伤累计值为D，计算公式为：

根据所述损伤累计值得到动力轴使用时间极限值，所述动力轴使用时间极限值N_life的计算公式为：

其进一步的技术方案为，所述等效交变应力的表达式为：

其中，s_m代表一个循环周期中应力的上下极值的平均值，s_r代表一个循环周期中应力的上下极值的差，即波峰与波谷的高度差，S_u代表材料抗拉强度。

其进一步的技术方案为，所述实验模型包括控制柜、电机和动力轴，所述控制柜连接到所述电机，所述电机作为所述实验模型的输入端，所述电机的电机轴通过联轴器和轴承连接到第一动力轴的一端，所述第一动力轴的另一端通过轴承连接到第二动力轴，所述第一动力轴上间隔安装有两个转子圆盘，所述第二动力轴上安装有一个转子圆盘，在三个所述转子圆盘中的一个上安装有不平衡质量块，数据采集装置采集所述联轴器和所述第一动力轴的运行数据。

本发明的有益技术效果是：通过本申请建立的船舶动力轴系寿命模型能够很好的模拟出轴系的疲劳寿命；通过三阶轴系多自由度扭振激励模型确定输入力矩对模型产生的激励和转子不平衡特性对模型产生的激励之间存在耦合关系。

附图说明

图1是本申请的方法流程图。

图2是本申请的实验模型的示意图。

图3是本申请的调速力矩曲线的示意图。

图4是本申请的波动力矩曲线的示意图。

图5是本申请的轴系动力学仿真结果验证图。

图6是本申请的S-N曲线的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

一种基于动力学的船舶动力轴系扭振疲劳参数拟合方法，步骤如图1所示。

步骤1：根据船舶动力轴系的结构特点和运行工况，建立一个相类似的实验模型，实验模型包括有虚拟实验模型，即动力学仿真模型，通过该虚拟实验模型能够准确的输入各种物理量，达到研究实验模型的目的。

如图2所示为本发明的实验模型，该实验模型包括：控制柜1、电机2和动力轴，控制柜1连接到电机2并控制电机的启动和停止，电机作为该模型的输入端，电机的电机轴通过联轴器3和第一轴承4连接到第一动力轴5的一端，第一动力轴5的另一端通过第二轴承6连接到第二动力轴7，第一动力轴5上间隔安装有两个转子圆盘8，第二动力轴7上安装有一个转子圆盘8，在三个转子圆盘中的一个上安装有不平衡质量块9，数据采集装置10采集联轴器3和第一动力轴的运行数据，其中运行数据包括联轴器3的输出力矩和第一动力轴的转速，三个转子圆盘作为调节该实验模型的动力轴转动惯量的转子。

步骤2：根据该实验模型建立三阶轴系多自由度扭振激励模型，该三阶轴系多自由度扭振激励模型的表达式为：

式中：[J]为惯量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，θ为系统响应扭转角度，

分别为θ的一阶导数和二阶导数，即θ、

分别代表角度、角速度和角加速度，F(f₁(t),f₂(t))为扭振系统激励力，f₁(t)，f₂(t)分别代表输入波动力矩对模型产生的激励和转子不平衡特性对模型产生的激励，且f₁(t)的大小与输入力矩的波动率有关，f₂(t)的大小和转子不平衡度、转子的角速度有关。

结合实验以及实验模型参数，以三阶轴系扭振激励模型为例进行动力学微分方程初步求解以及实验测试对比，从而确定输入力矩对模型产生的激励和转子不平衡特性对模型产生的激励之间存在耦合关系，两种激励之间会产生相互影响。

步骤3：建立一个关于输入力矩波动率、转子不平衡特性的动力轴系扭振疲劳函数：

其中，f(x,y)＝lg(N_life)，N_life为动力轴使用时间极限值，x表示输入力矩波动率，参考船舶轴系发动机输出力矩波动率范围，取值范围为[0，200％]，y表示转子不平衡特性，参考船舶动力转子运行工况，取值范围为[0，50％]，a_i，a_j，a_(u,v)为待定系数，i、j、u、v为参数，i、j、u、v从1开始取值，max(i)、max(j)、max(u)、max(v)表示参数i、j、u、v所取得的最大值，max(i)、max(j)、max(u)、max(v)需要在满足拟合精度的情况下取值最小，以便于减少所需的仿真计算的数据库中数据的个数，其中拟合精度以均方差/均值<3％作为判别标准。

x和y的计算公式分别为：

M表示电机力矩曲线的上下幅值范围，T表示电机额定力矩，m为转子质量，r为不平衡力到动力轴的距离，J为转子的转动惯量，需要说明的是，不平衡力是实际中船舶动力轴系的螺旋桨受到的不平衡力，对应到本申请中的不平衡质量块所产生的力。

步骤4：对本申请的实验模型进行动力学仿真，从而解决实际实验过程因设备条件等因素无法解决的问题。

步骤4.1：在Hyperworks软件中建立该实验模型，输出轴系动力学仿真所需要的模态中性文件MNF，在有限元模型的网格划分上需要考虑结构特点、仿真工况以及仿真时长，一般网格分布需要关于中心轴对称，网格大小适中，所有轴承约束都简化为旋转副约束，需要分别在各个轴承约束区域建立一个刚性区域，每个刚性区域的中心节点必须保证都在同一动力轴中心线上。

步骤4.2：将模态中性文件MNF导入到ADAMS软件中，添加相应的约束，在模型的输入端添加扭矩曲线，设置求解类型以及数据输出类型，进行动力学仿真。模态中性文件MNF包含结构质量分布、结构刚度分布、结构频率和结构振型，在轴承约束区域所建的刚性区域添加旋转副约束，旋转副约束的中心点在刚性区域的节点上，中心轴与动力轴系动力轴一致，添加一个恒定驱动力矩进行试算。

步骤4.3：将随机创建的力矩曲线导入到ADAMS软件中，并以力矩的形式添加到模型输入端，设定求解时间和采样频率，进行动力学仿真。

步骤5：创建调速力矩曲线和波动力矩曲线。

如图3所示是本申请的调速力矩曲线的一个实施例，调速力矩曲线包括若干个调速力矩段，力矩在每个调速力矩段的时长内为对应的恒定值，由此，形成有恒定值为0、恒定值大于0和恒定值小于0的调速力矩段，其中，恒定值为0形成为匀速段，恒定值不为0形成为非匀速段，本申请举出一种实施例，如图3所示，实验模型的动力轴在调速力矩曲线的作用下先加速，然后驱动力矩为零，动力轴稳定运转，随后再经历减速、匀速、加速和匀速的阶段，由此通过调速力矩曲线实现对角速度的研究。

如图4所示是本申请的波动力矩曲线的一个实施例，波动力矩曲线包括若干个波动力矩段，力矩在每个波动力矩段的时长内按照对应的波动率进行波动，由此波动力矩曲线包括至少两个不同波动率的波动力矩段，各个波动力矩段对应的时长相等或不等，各个波动力矩段在时间上连续或不连续，且力矩在各个波动力矩段内的波动幅值不为0、波动均值为0，波动幅值为电机额定力矩的0～200％，间隔取2％～20％；如图4所示的曲线共包括三段波动力矩段，每段波动力矩段的时长不相等、波动率也不相同，但每段波动力矩段的波动幅值0、波动均值为0，由此通过波动力矩曲线实现对波动率的研究。

步骤6：通过步骤2中的三阶轴系多自由度扭振激励模型可以清晰的了解到，输入力矩的波动率和转子不平衡度对实验模型的影响。

按照两种力矩曲线的曲线形式控制输入端的力矩，即通过两种力矩曲线控制电机的运行，当调速力矩曲线的匀速段施加到实验模型的输入端时，在实验模型的输入端上施加波动力矩曲线；当调速力矩曲线的非匀速段施加到实验模型的输入端时，移除实验模型的输入端上的波动力矩曲线。

进一步的，在实验模型上施加不平衡质量块，通过不平衡质量块研究转子不平衡度，不平衡质量块放置在三个转子圆盘中的至少一个上。

通过ADAMS软件施加不同的不平衡质量块，同时通过导入MATLAB软件中构造的不同波动率的波动力矩曲线以及不同力矩大小的调速力矩曲线，通过动力学仿真输出动力轴外表面一点的动态应力响应曲线，以便于在MATLAB软件中统一处理数据。

具体的两个力矩曲线的导入的方法为：在MATLAB软件中创建的力矩曲线，首先保存为TXT格式，然后通过ADAMS软件中的数据导入接口以样条曲线的形式导入，采用ADAMS软件中的Akima Fitting Method函数对样条曲线进行插值，同时导入一组离散的时间序列数据，构造一个关于力矩-时间的输入曲线。

如图5所示，本发明一个实施例的轴系动力学仿真结果验证图，S51的曲线与S52的曲线为角速度的仿真信号，初始阶段为动力轴角速度加速阶段，当动力轴角速度加速到额定转速时，由于电机输出力矩的上下波动，导致动力轴角速度在额定转速上下波动。

S53的曲线与S54的曲线为动力轴外表面上一点的动态响应应力曲线以及频谱，由分析结果可以看出，在初始时刻施加驱动力矩以后，轴系产生了一个暂态冲击响应；在动力轴加速到额定转速以后，撤除驱动力矩，此时轴系由于转动惯量导致产生了另一个暂态冲击响应；然后动力轴在波动力矩的激励下被激发出扭转模态，并产生振动响应，由频谱图可以看出，频谱上出现峰值，频率大小分别对应轴系的一阶扭转模态大小以及二阶扭转模态大小，仿真的模态结果与实验一致，验证了仿真模型的正确性。

步骤7：通过Hyperworks软件中的fatigue_process模块中得到该实验模型的S-N曲线，进一步的，该实验模型的S-N曲线为动力轴的S-N曲线，如图6所示，S-N曲线是关于应力和疲劳寿命周期的曲线，其表达式为：

lgS＝A+BlgN；

其中，A和B为材料参数，S表示应力，N表示疲劳寿命周期；

根据动力轴外表面一点的动态应力响应结果曲线得到等效交变应力，动力轴外表面一点的动态应力响应曲线转化为均值为0的等效交变应力，等效交变应力包括n个交变周期，等效交变应力使用Gerber准则，其表达式为：

其中，s_m代表一个循环周期中应力的上下极值的平均值，s_r代表一个循环周期中应力的上下极值的差，即波峰与波谷的高度差，S_u代表材料抗拉强度；

通过S-N曲线和等效交变应力在MATLAB软件中计算出每个交变周期的损伤值D_p，得到累计损伤值D，累计损伤值D的计算公式为：

根据累计损伤值得到动力轴使用时间极限值，动力轴使用时间极限值N_life的计算公式为：

步骤8：重新创建波动力矩曲线和调速力矩曲线，同时改变不平衡质量块的放置位置，且每次实验的波动力矩曲线的波动率、调速力矩曲线的加速度和不平衡质量块的放置位置中的至少一个与其他实验中的不同，从而模拟多种不同的受力情况，需要指出的是，实验次数越多实验的结果也就越准确，预定实验次数通常不少于二十次，利用多次实验中的激励参数以及对应的动力轴使用时间极限值拟合得到动力轴系扭振疲劳函数中的待定系数，建立船舶动力轴系寿命模型。

激励参数包括每次实验使用的波动力矩曲线、调速力矩曲线和不平衡质量块的放置位置，通过波动力矩曲线确定动力轴系扭振疲劳函数中的输入力矩波动率x，通过调速力矩曲线确定转子不平衡特性y中的转动惯量，通过不平衡质量块的放置位置确定转子不平衡特性y中的不平衡力到动力轴的距离。

步骤9：在检测船舶动力轴系的寿命的工作过程中，采集所述船舶动力轴系的输入端的波动率、转子不平衡特性并输入到船舶动力轴系寿命模型中得到动力轴使用时间极限值。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于动力学的船舶动力轴系扭振疲劳参数拟合方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据船舶动力轴系建立实验模型并根据所述实验模型建立动力轴系扭振疲劳函数，所述动力轴系扭振疲劳函数反应动力轴使用时间极限值和输入力矩波动率、转子不平衡特性的关系且所述动力轴系扭振疲劳函数中包括待定系数；

创建波动力矩曲线和调速力矩曲线，所述波动力矩曲线包括若干个波动力矩段，力矩在每个所述波动力矩段的时长内按照对应的波动率进行波动，所述调速力矩曲线包括若干个调速力矩段，力矩在每个所述调速力矩段的时长内为对应的恒定值；

在所述实验模型上施加不平衡质量块，并按照两种力矩曲线的曲线形式控制输入端的力矩，得到动力轴外表面一点的动态应力响应结果曲线；

根据所述实验模型的S-N曲线以及所述动力轴外表面一点的动态应力响应结果曲线得到动力轴外表面一点的动力轴使用时间极限值；

重复所述创建波动力矩曲线和调速力矩曲线的步骤，且每次实验的波动力矩曲线、调速力矩曲线和不平衡质量块的放置位置中的至少一个与其他实验中的不同，直到达到预定实验次数；

利用多次实验的激励参数及对应的动力轴使用时间极限值拟合得到所述动力轴系扭振疲劳函数中的待定系数，建立船舶动力轴系寿命模型，所述激励参数包括每次实验使用的波动力矩曲线、调速力矩曲线和不平衡质量块的放置位置；

在检测船舶动力轴系的寿命的工作过程中，采集所述船舶动力轴系的输入力矩波动率和转子不平衡特性并输入到所述船舶动力轴系寿命模型中得到动力轴使用时间极限值。

2.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于，所述动力轴系扭振疲劳函数的表达式为：

其中，f(x,y)＝lg(N_life)，N_life为动力轴使用时间极限值，a_i，a_j，a_(u,v)为待定系数，i、j、u、v为参数，max(i)、max(j)、max(u)、max(v)表示参数i、j、u、v所取得的最大值，x表示输入力矩波动率，y表示转子不平衡特性，计算公式分别为：

M表示电机力矩曲线的上下幅值范围，T表示电机额定力矩，m为转子质量，r为不平衡质量力到动力轴的距离，J为转子的转动惯量。

3.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于，

所述波动力矩曲线包括至少两个对应不同波动率的波动力矩段，各个波动力矩段对应的时长相等或不等，各个波动力矩段在时间上连续或不连续，且力矩在各个波动力矩段内的波动幅值不为0、波动均值为0；

所述调速力矩曲线包括对应的恒定值为0的调速力矩段、对应的恒定值大于0的调速力矩段、对应的恒定值小于0的调速力矩段。

4.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于，所述调速力矩曲线包括对应的恒定值为0的匀速段以及对应的恒定值不为0的非匀速段，则所述按照两种力矩曲线的曲线形式控制输入端的力矩，包括：

当所述调速力矩曲线的匀速段施加到所述实验模型的输入端时，在所述实验模型的输入端上施加所述波动力矩曲线；当所述调速力矩曲线的非匀速段施加到所述实验模型的输入端时，移除所述实验模型的输入端上的所述波动力矩曲线。

5.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于，所述建立所述实验模型的S-N曲线并通过所述动力轴外表面一点的动态应力响应结果曲线得到动力轴外表面一点的动力轴使用时间极限值，包括：

建立所述实验模型的S-N曲线，所述S-N曲线的表达式为：

lgS＝A+BlgN；

其中，A和B为材料参数，S表示应力，N表示疲劳寿命周期；

基于Gerber准则将所述动力轴外表面一点的动态应力响应结果曲线转变为等效交变应力，所述等效交变应力包括n个交变周期；

通过所述S-N曲线和所述等效交变应力得到每个交变周期的损伤值D_p，得到损伤累计值为D，计算公式为：

根据所述损伤累计值得到动力轴使用时间极限值，所述动力轴使用时间极限值N_life的计算公式为：

6.根据权利要求5所述的一种方法，其特征在于，所述等效交变应力的表达式为：

其中，s_m代表一个循环周期中应力的上下极值的平均值，s_r代表一个循环周期中应力的上下极值的差，即波峰与波谷的高度差，S_u代表材料抗拉强度。

7.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于，所述实验模型包括控制柜、电机和动力轴，所述控制柜连接到所述电机，所述电机作为所述实验模型的输入端，所述电机的电机轴通过联轴器和轴承连接到第一动力轴的一端，所述第一动力轴的另一端通过轴承连接到第二动力轴，所述第一动力轴上间隔安装有两个转子圆盘，所述第二动力轴上安装有一个转子圆盘，在三个所述转子圆盘中的一个上安装有不平衡质量块，数据采集装置采集所述联轴器和所述第一动力轴的运行数据。

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