考虑船体变形的轴系校中研究外文翻译资料

 2022-09-20 10:09

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考虑船体变形的轴系校中研究

关键词:轴系校中 船体变形 环境温度 波浪载荷 轴承偏移计算

摘要:船体变形是影响推进轴系校中最重要的因素之一。在本文中,基于船体变形计算,提出了考虑船体变形的轴系校中新方法。对在极端条件下的船舶载荷、波浪载荷、环境温差及弹性约束进行了模拟并应用于76000t成品油轮的有限元模型中,以解决船体变形问题。然后,将双层底的变形转换为轴承的偏移,作为轴系校中计算的边界条件。以静水中空船为基准,分析了船体变形对轴系校中的影响,实现了考虑船体变形的轴系校中优化。

1 简介

船体变形是在船舶建造后,影响轴承偏移和轴系校中最重要的障碍。大型油轮和散货船对船体的变形特别敏感,主要是那些具有短且刚度大的轴系和直接耦合柴油发动机装置的船舶。如果不考虑船体变形,不适当校中可能会对轴承的使用寿命产生严重的后果。因此,轴系校中考虑船体变形的研究具有重要的意义。

有许多因素造成船体变形,例如加载条件、波浪载荷、环境温度等等。这些影响是随机的,很难预测。通常认为船体结构是弹性梁,并在最大弯矩位置发生最大的船体变形。船体变形可用船体变形与船长度方向的坐标值之间的线性关系来计算,但该方法过于简单,难以确保结果。虽然负载条件和波浪载荷都已经考虑到,但其结果也不精确,其原因是船体仍被视为一个梁,轴系轴线被视为变形参考。在文献案列中, 30万t油轮船体尾部的有限元模型构造和计算结果表明,不同范围的不同的边界条件的模型的船体变形不同,因此有必要扩大建模范围。然而,最佳的负载、约束和环境温度载荷的船尾船体模型尚未提出。而更重要的是,在轴承处的双层底的变形通常被认为是轴承偏移。然而,当波浪载荷作用时,船体纵倾,这不应涉及轴承偏移量。也就是说,基于上述轴承偏移假设的轴系校中没变化。

基于模拟和船体变形的分析,提出了综合考虑船体变形的轴系校中方法。对造成船体变形的三个主要因素进行了研究,特别对76000t油轮,在极端载荷条件下的负荷分布和极端海况下的位移分布进行了仿真。在重力、浮力和温度荷载,以及弹性约束下建立了整个船体的有限元模型。其结果是,能够得到双层底的变形。此外,第五次多项式和直线被选择用于船体变形轴承偏移的转换,以静水中空船为基准,轴承的相对偏移量用于研究船体变形对轴系校中的影响,并优化轴系校中结果。

2 模型

76000t成品油轮的设计和制造专用于巴拿马运河航运。主要情况如下:LOA=228.60m,LBP=220.0m,B=32.26m,D=21.2m,Td=12.5m,TS=14.7m,Tb,min= 7.2m。

2.1 轴系模型

76000t成品油轮的轴系校中模型,包括曲轴、跨介导轴和螺旋桨,▲代表轴承位置,darr;代表集中质量,包括螺旋桨、飞轮和曲柄连杆机构,以及表示工作链轮的拉力。

2.2 船体有限元模型

76000t成品油轮的有限元模型的构建主要利用ANSYS软件。由于轴系直接安装在双层底上,因此双层底的变形对轴系校中有着显著的影响。所以,船尾,特别是双层底的船尾部分的有限元模型必须改进,以获得精确的仿真。该船船体结构主要是用SHELL63和BEAM24单元建模,共有34983单元和24472节点。

3 船体变形的数值模拟

巨大的的船舶载运量、船舶和货物的重力、海水的浮力及环境温度是导致船体变形的三个主要因素。

3.1 船载模拟

一般情况下,在保持负荷分布范围和工作位置不变的原则下,负载被分配到20个船舶站点,同时,假定每个站内的装载均匀分布,从而连续负荷分布可以简化为梯型负荷分布。该方法被证明有足够精度。

3.1.1 船舶的重量

船舶站点的重量是在分布范围内的静态等效负载。76000t成品油轮的两极端负载条件,例如,压载抵港及满载离港。此外,在静水的空船状态被认为是一个参考变形条件来预测相对船体变形,因此在这样的条件下进行轴系安装和调整过程。将三种极端负载条件下的船舶重量直接施加到船体有限元模型上。

3.1.2 船舶浮力

对于静水的模拟,首先执行平衡计算。基于邦金曲线,然后获得船的浮力分布。最后,可以算出在三种负荷条件下的阶梯型分布的浮力。

摆线波理论被用来表示波,因为它可以提供可能遇到的最大波的相同波形。陡峭的波峰和浅波谷是摆线波的形状特征。因此,波轴上方的面积比下方要小一些。如果波峰或波谷处于船舶中间的波长比船长稍大,波浪弯矩可达到最大值。因为船长与波长几乎没有什么差别,船舶长度常被认为等于波长。波长和波高之间的关系是不确定的。除了分数形式表现,一些研究人员建议根据实际航行海域的长期波浪统计模拟波浪载荷。在全球各大海域频繁发生的海况范围从3级到5级(HS=0.5~4.0m),6级(HS=4.0~6.0m)出现较少。从而2.5m和6m的高度波被选择为模拟波,即可用于76000t油轮。综上所述,220m波长和2.5m、6m波高度的摆线波选为遭遇波,波峰或波谷在船的中部。加上极端的负荷条件,共有8种波浪条件。

以极端波浪条件下的纵倾水线作为波轴,船舶站点吃水可将摆线波添加到波轴上来获得。船体水下形状决定船的浮力。基于船体型线图和船体型值表,船舶站点的水下截面积,以及相应位移用梯形法进行计算。船头和船尾的截面积较大需要改进。

波发生时的浮力分布变化船舶重量分布通常保持不变。当波谷处于船中部时,船将下沉,相反,波峰在中间时船舶将上拱。因此,8种海浪统计拟合上面的结果可以帮助理解船舶位移和吃水之间的关系。其结果,实际得到吃水可以用来修改位移分布。

在11种海况下船舶浮力分布,然后作为力加载在有限元模型的水下节点上。

3.2 船舶环境温度的探讨

船体结构大且复杂,且瞬时变化,因此船的温度场复杂且多变。由于海水具有很强的温度差耐受能力,被视为恒温储热,因而船体水下部分被认为大致为等温海水。夏季和冬季,可能存在最大温差,被选择作为两个极端的环境温度条件。海水温度在冬季为0℃,在夏季为20℃,水面以上的船体其他部分处于一个线性变化的温度场。

(1)船高方向的温度变化。最高温度出现在船的上甲板,从上层甲板到水面的船体其他部分的温度增加或逐渐下降。对一些条件进行了研究,见表1。

(2)船宽方向的温度变化。除了垂直温差的影响,水平温度差异可能由于停泊位置、阳光的方向等的变化而出现。由于船体结构沿纵向对称地布置,推进轴系铺设在舯线上。以较低的左舷温度和较高的右舷温度作为实例,见表2。

3.3 船舶约束模拟

众所周知,该船舶受到海水弹性支承的现象被称为水力弹性。因此,弹性单位应用ANSYS的COMBIN14单元定义在船体板水下节点上,以模拟船舶边界约束。弹簧的刚度可以表示为k =rho;gBL,其中,k表示约束刚度,rho;是海水的密度,g是重力加速度,BL分别表示船水线宽度和船的长度。船体的不同部分的刚度是不同的,从而使船舶站点被作为计算单元来实现高仿真精度。式中L表示船舶站点的长度,相应地,B代表船舶站点,其通过加载条件和遇到波时测定的水线幅宽。

更重要的是,轴向和横向约束是紧贴于主机的自由端,以防止刚体位移。

3.4 船体变形的结果与分析

3.4.1 由强迫载荷引起的船体变形结果

由于船体变形对轴系校中的显著影响,在不同的负载条件和波浪载荷下,双层底局部变形都是焦点。以主发动机第一轴承自由端为基准,双层底局部变形可以将重力和浮力施加在76000t成品油轮的有限元模型上进行仿真。有时,装载变化时船舶重心转移,这将导致浮力分布差异。这就是说,通过船舶调整以保持平衡,其结果,浮力中心与船体的几何中心偏离,这违背波的假设。建立力矩平衡方程解决纵倾角并且相应地修改船体的变形。以一定条件下的船体变形三维有限元模型为例,见图3。计算案例太多,无法一一证明。不同负荷条件和波浪载荷下所有的双层底的计算变形绘制在图4。如,LS、BA和BD的缩写,分别为空船、压载抵港和满载离港。

它揭示了双层底的变形明显小于压载抵港的变形,并且双层底的变形与波浪级别成正比。而更重要的是,急剧的船体变形出现在船体和海浪冲击的相对位置。当船舶压载抵港遇到更大的波澜时,尤其是在船舶中间波峰时双层底的变形可能较大。

3.4.2 环境温度载荷作用引起船体变形

以主发动机自由端的第一轴承作为参考,船体变形可通过施加温度载荷在76000t成品油轮的有限元模型上进行模拟。为了便于研究环境温度的影响,以静水船体变形为基本变形。在不同环境温度下,不同的双层底的相对变形见图5。图中D,P,S是上层甲板,左舷和右舷的缩写。

环境温度对双层底的相对变形有一定的影响。不管是什么装船条件,温差越大,船体变形也越大。夏季与冬季,双层底的变形趋势相反,冬季双层底的后侧面变形增加,而夏季减小。双层底的垂直变形主要取决于垂直变化的环境温度。此外,满载离港时的双层底的相对变形明显比在压载抵港时都要小。

4 轴系校中计算和分析

4.1 合理的轴系校中

基于有限元方法,应用Vc 语言开发了轴系校中计算程序。根据流体动压润滑理论,长艉轴承的油膜特性采用有限差分法计算。它揭示了油膜压力和油膜刚度随轴承长度呈连续、非线性改变。因此,船尾管轴承被视为具有连续油膜刚度特性的支承。动压润滑计算子程序已经开发并添加到轴系校中主程序中。此外,船尾管架的刚度已经计算并且加到油膜刚性中,以模拟螺旋桨轴的船尾部分的复合支撑刚度。对76000t成品油轮进行轴系校中,并将轴承的反力作为例子来研究轴系校中状态的合理性。

当所有轴承水平和共线布置时,这表明轴承工作不正常。因此,应采取措施上升前艉轴承,并降低船尾艉管轴承、中间轴承及主发动机轴承。同时,中间轴承对前艉管轴承及发动机1#主轴承的载荷影响系数大,因此主引擎轴承位置应低于中间轴承。此外,主发动机轴承倾斜处置都能够减少对于中间轴承的影响。

4.2 轴系校中考虑船体变形

4.2.1 船体变形对轴系校中的影响

前述的双层底变形表示为离散节点的数据需要转换为轴承偏移量进行轴系校中计算。船体整体变形不仅双层底本身变形,还与船体一起变形;轴系也一样,所以变形的数据分别用曲线和直线拟合。与其他表达式相比,如S型、高斯和指数函数,多项式的双层底变形拟合精度更高。此外,第五阶多项式比其他阶多项式更好。双层底的倾斜与倾斜直线相适应,被视为标准线来估计轴承偏移。轴承上的第五阶多项式曲线和倾斜直线之差为轴承偏移,如图6和图7。与在静水条件下的空船轴承偏移相比,可以得到轴承的相对偏移。

轴系校中计算考虑了由船体变形所产生的轴承偏移。只有几个恶劣条件见表3和4所示。它证实船体变形对校中状态有着显著的影响。虽然艉管轴承油膜刚度特性对于轴系状态起到很好的作用,但在力或温度作用下,轴承反力分布不相称,前艉轴承和中间轴承的反力发生很大变化,甚至在某些情况下前艉管轴承不工作。

船舶装载条件对轴系校中有重要的影响。在压载抵港条件下,是否遇到海浪,双层底变形比满载离港条件下要小些。其结果是,在压载到港条件下,轴承偏移较小。因此,不管海上波浪如何变化,轴承的反力分布相应合理。此外,船体与海浪的相对位置对轴系校中有很大作用。当波峰在中间位置时,轴承的反力稍有改变。然而,当波谷在中部时,轴承反力显著变化,尤其在满载离港条件下,前艉管轴承不能工作。虽然波浪级别显著影响双层底的变形,但波浪级别对轴系校中的状态影响有限。随着波高的增加,前艉管轴承反力减少和后艉管轴承反力增加,这会导致不合理的轴承反力分布。

艉管轴承油膜可以在一定程度上改善对中质量,但环境温度对轴系校中,尤其是对满载离港条件有相当大的影响。与夏季相反,在冬季,由于不同季节环境温度所引起的双层底变形趋势不同等原因,轴系校中状态合理。 在压载抵港条件下,轴承偏移量相对于空船和静水条件下较小。在夏季和冬季,环境温度对轴系校中的影响较小。虽然夏季的轴承相对偏移比冬季满载离港时小,但夏季的后艉轴承相对偏移高于水平轴线,这会导致前艉管轴承的工作异

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