大型散貨船舶軸系沖擊建模和仿真研究

袁皓月

（上海交通大學，上海 200240）

大型散貨船舶軸系沖擊建模和仿真研究

袁皓月

（上海交通大學，上海 200240）

為了更深入研究軸系的抗沖擊特性以及動態特性，本文采用有限元數值分析計算方法，對主推進軸系進行垂向沖擊的有限元建模，并利用該模型使用30g垂向沖擊載荷為沖擊輸入條件，對一甲方單位提供的大型散貨船舶圖紙的船舶軸系的沖擊響應特性進行仿真計算校核研究。

推進軸系 沖擊計算 數值仿真

大型散貨船舶推進軸系是一個典型的多階梯多支撐連續彈性體，其作用是將主機發出的功率傳遞給螺旋槳，使螺旋槳產生推力并推進大型散貨船舶前進或者后退，其推進軸系包括主機輸出端推力軸承與螺旋槳之間的傳動軸以及軸系附屬設備。大型散貨船舶經常航行在海況復雜多變的海域，會遭遇強風、強浪甚至是龍卷風臺風等沖擊，對大型散貨船舶軸系的沖擊特性有很大影響。故推進軸系的抗沖擊能力直接關系到船舶動力系統的生存能力，因此，對大型散貨船舶推進軸系進行抗沖擊仿真計算就顯得非常重要。本文在吸收和借鑒前人經驗的基礎上，對主推進軸系進行垂向沖擊的有限元建模，并利用該模型使用30g垂向沖擊載荷為沖擊輸入條件，對一甲方單位提供的大型散貨船舶圖紙的船舶軸系的沖擊響應特性進行仿真計算校核研究。

1 軸系沖擊的力學模型

本文中所述推進軸系連續系統是一個靜不定結構，若采用連續系統模型求解沖擊響應的解析解是非常困難的。在工程中對于推進軸系的沖擊分析，通常采用有限個自由度模型，也就是把連續系統離散化為有限個集中質量，即有限個自由度的系統。

圖1 梁單元示意圖

圖2-1 軸系建模示意圖

圖2-3 橫向沖擊加速度歷程圖

圖2-2 垂向沖擊加速度歷程圖

圖2-4 縱向沖擊加速度歷程圖

圖2-5 垂向加速度沖擊下節點位移響應

1.1 主推進軸系垂向沖擊的有限元建模

對彎曲振動的梁，如圖1所示，它有兩個結點，而每個結點處又有兩個自由度，即橫向位移ν和φ轉角

故所選取位移假設需四個待定常數

由邊界條件得

經推導，同樣可得

則剛度矩陣為

式中，E為彈性模量，I為梁的截面慣性矩，l為單元的長度。

圖2-6 橫向加速度沖擊下節點位移響應

圖2-7 縱向加速度沖擊下節點位移響應

同理，彎曲動能為

則質量一致矩陣為

為了把單元特性裝配成結構特性，必須寫出結構的動能和勢能，它們為各單元動能和勢能的累加，廣義力可根據外力所作的虛功來求得。然后再利用拉格朗日方程得到整個結構的運動方程型式，即

式中［M］、［K］分別為系統的質量和剛度矩陣；｛x｝是位移列向量；f（t）為沖擊載荷列向量。一般而已，質量矩陣和剛度矩陣都具有帶狀形式。

1.2 軸系沖擊位移響應數值仿真方法

軸系沖擊響應計算主要包括兩項內容：一是位移響應，二是力響應。 位移響應指系統內任意點處（或各單元）在沖擊載荷激勵下產生的位移響應，用以校核各關鍵部件是否超過所允許的位移限止；力響應指系統內各軸承座在沖擊載荷激勵下的沖擊響應力，用來計算系統內實際部件的應力，進行強度校核。 在軸系承受垂向沖擊響應計算中作以下假設：

表2-1 沖擊加速度數值表

表2-2 船舶軸系不同沖擊方向下的位移（mm）

表2-3 船舶軸系不同沖擊方向下最大應力（MPa）

表2-4 船舶軸系支撐處最大位移值（mm）

表2-5 船舶軸系軸承支撐處應力值（MPa）

①軸系受到基礎垂向沖擊載荷為沖擊速度（或沖擊加速度）；

②每階模態受到的沖擊速度（或沖擊加速度）相等；

③軸系每個單元的沖擊響應為各階模態沖擊響應的疊加；本計算取前十二階模態；

我們用數值仿真方法計算軸系的沖擊位移響應。數值仿真方法闡述如下：

對任何具有n自由度、受到基礎加速度激勵線性定常隔振系統，有n個耦合的運動微分方程，用矩陣形式可表示為

其中｛x｝是廣義位移列向量，n x 1維；［M］、［C］、［K］分別為系統的質量、阻尼和剛度矩陣，nxn維；｛p｝為nx1維激勵力向量系數；u˙˙為激勵力幅值。

式中，［A］稱為系統矩陣，2n x 2n維；［B］稱為輸入矩陣或控制矩陣，2nx2n維。

系統的輸出量｛Y｝與狀態向量｛X｝之間有如下關系

式中，｛Y｝為m x 1維向量，［C］稱為系統的輸出矩陣或觀測矩陣，m x 2n維，而［D］則為m x 2維的矩陣。式（1-5）稱為觀察方程，表征了系統輸出與狀態之間的關系。令［C］= ［I］，［D］= ［0］，則｛Y｝=｛X｝。

等式右邊第一項表示初始條件引起的暫態過程，第二項表示控制作用（t）引起的系統狀態變化過程。這個解也稱為狀態轉移方程，我們主要應解決上式的算法問題。

把（1-6）式寫成

于是上式進一步化為

如果把t = k h點的X（k） 作為初值來求X（k+1），則不難得到

當h及A一定時，F和G是常數，可以先算出來，則求微分方程解的問題化成了矩陣的四則運算：

只要知道A、B、F和G就可以求得任意輸入u˙˙（k ）下相應的X（k）。

2 沖擊響應計算

2.1 沖擊載荷輸入

根據甲方單位大型散貨船舶圖紙提供的垂向沖擊載荷為30g，橫向沖擊載荷按照垂向沖擊載荷的0.5倍計算，即為15g；縱向沖擊為垂向沖擊的0.25倍，即7.5g。沖擊脈寬為0.006s。

圖2-1為艉管及隔艙密封處示意圖，其中艉管密封有一處，隔艙密封有兩處。

2.2 動力學計算

將沖擊加速度波形按分步加載方式輸入計算機，對軸系進行瞬態沖擊響應計算，得到各截面動態剪力和彎矩，由此計算出相應的動態剪應力和動態彎應力。將其與靜態下的應力進行綜合后，得到危險截面的當量應力值。

圖2-2，圖2-3，圖2-4分別為垂向、橫向和縱向沖擊時的加速度沖擊波形及時間歷程數據。

下面分別給出了30g加速度沖擊下的計算結果，包括不同方向沖擊下，軸系節點位移響應曲線、最大應力值、軸系重要位置處最大位移和應力值等。具體計算結果和分析過程如下。

2.3 30g加速度沖擊計算結果

根據甲方單位所給沖擊載荷，垂向沖擊載荷為30g，橫向沖擊載荷為15g，縱向沖擊載荷為7.5g，沖擊脈寬為1s。（表2-1）

圖2-5，圖2-6，圖2-7分別為垂向、橫向和縱向加速度沖擊時的1#節點的位移響應曲線。表2-2到表2-6分別給出了為垂向、橫向和縱向加速度沖擊時的節點最大位移和應力值。

由不同沖擊方向最大位移表可以看出，垂向和橫向沖擊時，最大位移響應出現在節點86，即艉軸管軸承附近位置；縱向沖擊時，最大位移響應出現在節點12，即后艉架軸承處。垂向沖擊位移大于橫向和縱向沖擊。最大位移具體數值見表2-2。垂向沖擊和橫向沖擊最大應力出現在節點69，即艉軸管軸承附近位置；縱向沖擊時，最大應力出現在節點129，即2#中間軸承支撐處。最大應力具體數值見表2-3。船舶軸系支撐處最大位移及最大應力值分別如表2-4，表2-5所示。

2.4 許用沖擊應力的確定

根據708所提供的軸系材料屬性數據，其極限強度和屈服強度分別為：

根據規定，當結構不允許出現微小永久變形時，其許用應力取值如下：

2.5 結論

以上計算結果表明，軸系在不同沖擊載荷作用下均滿足強度要求。

3 結語

由于現實中推薦軸系尺寸大，附屬設備多，無法準確完成實船沖擊實驗，本文采用有限元數值分析計算方法，對主推進軸系進行垂向沖擊的有限元建模，并利用該模型對一甲方單位提供的大型散貨船舶圖紙的船舶軸系的沖擊響應特性進行了仿真計算校核研究，為推進軸系抗沖擊計算提供一種計算思路。