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                    船舶軸系扭振計算軟件開發

                    添加時間:2019/07/24 來源:武漢理工大學 作者:張馳
                    在當前推進軸系形式日益復雜,對船舶動力裝置可靠性的要求愈來愈高的環境下,開發一套能解決復雜軸系扭振計算問題的通用化軟件變得非常重要,也是順應當前船舶工業技術發展的需要。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘要

                      船舶推進軸系是船舶動力裝置的重要組成部分,軸系振動對船舶運行是否安全可靠有著非常關鍵的影響。雖然國內外許多單位和專家對船舶軸系振動問題進行了大量的研究,并掌握了相對完整的推進軸系振動計算方法,但由于艦船動力裝置的發展,產生了許多復雜的推進軸系,因此,進一步掌握軸系振動機理和計算方法變得尤為重要,對相關計算軟件的開發也提出了更高的要求。

                      本文在研究船舶軸系扭轉振動基本理論的基礎上,基于現有的成果,以Visual Studio 2008為開發平臺,釆用VB.NET與MATLAB混合編程的方法開發了船舶推進軸系扭振計算軟件。通過對復雜軸系進行扭振計算和分析研究,驗證了軟件計算方法的正確性。主要研究內容包括:

                      1)對船舶軸系扭轉振動計算模型和計算方法進行了概述,對各種方法進行了比較和分析,采用解析法進行軟件開發。分析了雙機并車兩機相位差、氣缸負荷不均勻性以及螺旋槳激勵等對軸系扭振的影響規律。

                      2)采用模塊化思想建立軸系扭振當量模型,使復雜軸系多工況的計算效率大大提高;研究了柴油機自定義氣體壓力簡諧系數處理方法,綜合比較了各船級社以及中國船舶行業標準規定的軸系扭振應力衡準值計算方法,并集成到軟件中。

                      3)研究了扭振計算軟件開發的主要問題,包括界面設計,MATLAB與VB.NET的程序接口,二維圖形和三維圖形的處理方法等。借助第三方控件以及自定義模塊實現了多級分支軸系扭振當量圖的拖動功能,避免了繪圖受到分支數量或級數限制的問題。

                      4)分析和比較了Xml語言和SQL在數據存儲和數據管理上的優缺點,運用SQL Server建立了軸系部件數據庫系統框架。通過模塊化思想建立軸系扭振當量模型,軸系部件參數可實時保存到數據庫中,同時可對部件信息進行查詢和調用。

                      5)以單機單槳帶齒輪箱和雙機并車推進軸系為例進行計算,并與測試結果和原有計算報告對比,驗證了算法的正確性。針對某復雜軸系,對同一種復雜工況建立不同的當量模型(改變主支與分支的順序和質點數),將計算結果進行對比,驗證了數據處理方法的正確性。

                      關鍵詞:船舶軸系,扭振,相位差,自定義簡諧系數,多工況,數據庫,軟件

                    Abstract

                      Ship propulsion shafting is an important part of marine power plant, and shafting vibration is quite influential in the safety and reliability of ship operation. At present, so many units and experts have made generous research on marine shafting vibration,  and mastered relatively complete calculation methods,  but  for the development of ship power plant, many complex propulsion shaflings are coming into being, which makes it more important to further kown well of the mechanism and calculation methods of shafting vibration. Consequently, it put more strict requirements on the calculation software.

                      The paper has researched the basic theory of shafting torsional vibration, and developed a torsional vibration calculation software through mixed programming method within VB.NET and MATLAB on the Visual Studio 2008 platform based on the present achievements. By making torsional vibration calculations and analysis for complex shaftings, the correctness of software algorithm is tested and verified. Main Contents of this paper are as followings:

                      1)Summarized the calculation model and calculation methods of shafting torsional vibration.Compared the available methods and used analytic method to develop the software.Analyzed the influences that phase difference between two diesel engines, unevenness of cylinder load and propeller excitation made on the shafting torsional vibration.

                      2)Set up the equal model of Shafting torsional vibration with modular method, which improved the calculation efficiency of complex shafting with mufti working conditions. Studied the processing method to customize haomonic coefficiency of gas pressure in the cylinder, and made a comprehensive comparison of shafting torsional vibration stress criteria among the classification societies and Chinese shipbuilding industry standard, both have been integrated into software.

                      3)Studied several key issues about software development, such as interface design, MATLAB interface for VB.NET, graphic processing method of 2D and 3D pictures and so on. With the help of a third-party control and a customized module, the equal model of shafting torsional vibration could be dragged freely, which made it possible to draw the picture with any branches or any levels.

                      4)Analyzed and compared the merits and demerits between Xml and SQL. Established the frame of shafting components database system .With the concept of modularity to set up equal model of shafting torsional vibration, the data of each component could be save into database, and the data in database could also be inquired and called by software.

                      5)Torsional vibration calculations were made for shafting with single diesel engine, single propeller and gearbox, and shafting with double engine and single propeller. The calculation results were compared with the test results and approved analysis reports, which could show the algorithm is correct. Besides, Took a complex shafting as example, another equal model(changed the order and mass number of main branch as well as subfields)was made for the same working condition, and the calculation result was compared with the original model, which could illustrate that the data processing method is correct.

                      Key words: Ship Shafting, Torsional Vibration, Phase Difference, Customize Harmonic Coefficient, Mufti Working Conditions, Database, SoftwareDevelopment

                     

                      船舶推進軸系振動是機械振動與船舶動力裝置的交叉學科,是船舶工程的重要研究內容之一。船舶推進軸系是實現船舶發動機與推進器(一般為螺旋槳)的能量傳遞、同時又將螺旋獎旋轉產生的軸向推力通過軸系傳給船體,推動船舶前進的系統。船舶推進軸系在工作中承受沖擊與交變載荷作用,工作條件惡劣。軸系的安全問題如果得不到保證,將造成嚴重的安全事故。因此,推進軸系的扭轉振動是影響船舶動力裝置安全運行的重要動力性能之一,研究推進軸系的扭轉振動問題具有十分重要的意義。由于扭轉振動問題的重要性,國內外相關單位及學者對此進行大量的研究。

                      經過多年的探索,目前已掌握了較為完整并相對成熟的推進軸系扭轉振動計算方法,對于軸系的扭轉振動問題可以進行有效的預測與控制。但隨著船舶行業及柴油機行業的發展,扭轉振動面臨著一些新的問題,尤其是動力裝置形式多樣化帶來軸系振動計算的復雜化。國家船舶工業“十二五”規劃中提出把技術進步和創新作為產品轉型升級的重要支撐,把新型船用齒輪箱、大型及新型推進裝置、電力推進裝置等產品和技術研究作為重點發展對象[2]。

                      目前,國內外許多高;蜓芯繖C構已開發出了相應的扭振計算軟件,國內開發的扭振計算軟件,從界面設計、軟件功能以及通用性上已逐漸不能滿足船舶工業技術的發展要求,而軟件的升級與擴展又受到程序量大、開發人員變更等因素的限制。

                      本課題以某軍工研究所項目為依托,主要目旳在于開發出能解決船舶復雜軸系扭振計算問題的通用性軟件,以順應當前船舶工業的發展趨勢,因此具有重要的實際意義。

                      在動力裝置發展初期把軸系作為剛性體處理,各種斷軸事故的發生,促使許多工程設計人員和學者對軸系扭振進行了深入的研究。到19世紀末,否定了這種假設,并把軸系作為彈性系統處理,有效避免了斷軸事故的發生。

                      軸系扭振系統建模方法主要有兩類:(1)軸系質量經離散化后集總到多個集中質點的集總參數模型;(2)軸系質量沿軸線連續分布的分布參數模型。集總參數模型是軸系扭振計算中應用最早的力學模型之一,由于其物理概念清晰,使用簡單,計算方便至今仍被廣泛采用;分布參數模型中軸系的質量沿軸線連續分布,因而比集總參數模型更接近實際。但在處理有齒輪箱的傳動系統時模型的轉動慣量和剛度不易處理而使得該類型問題一般只能采用集總參數模型。

                      國內外學者在船舶軸系扭振研究和計算軟件的開發上做了大量工作,取得了一定的研究成果。周瑞平、楊建國[4]用Matlab子集MatrixvB直接進行解析法計算,并開發了相應的計算軟件。丁炎輝[5]利用C++基于當量模型采用Holzer法開發了船舶推進軸系扭振計算應用軟件。張洪田[6]建立了分析船舶軸系扭振問題的Riccati傳遞矩陣法數學模型,通過對某實船軸系扭振計算與分析,表明該方法的計算精度高于M-P法。唐斌[7]提出了改進的動態矩陣法,該方法不僅可以應用于鏈式直軸的船舶推進軸系,還可解決含有復雜分支的船舶推進軸系。

                      郝志勇[8]將有限元法和多體系統仿真方法相結合,對車用柴油機曲軸系統進行多體動力學仿真,分析了曲軸在安裝和運行狀態下的扭轉振動。胡義[9]推導出基于剛度矩陣單元的齒輪扭轉振動模型,解決了實體模型分析中難以考慮傳動比的問題。此外,一些研究機構和公司也推出了相應的扭振計算軟件,如挪威船級社(DNV)的Nauticus Maehinery專用于輪機計算,其中包含了扭振計算模塊;德國柴油機公司MAN B&W和聯軸器公司VULKAN分別開發了相應的扭振計算軟件等;中國船級社(CCS)的COMPASS系統集成了利用傳遞矩陣法編制的扭振計算模塊。

                      隨著近年來對船舶營運能效和節能環保的要求越來越高,一些新型的船舶推進軸系相繼出現,如多柴油機推進裝置、聯合動力推進裝置、帶功率輸出設備(PTO)的推進裝置等。此外,汽輪機或燃氣輪機推進軸系、帶復雜齒輪箱推進軸系在船舶上的應用円趨成熟,對復雜軸系的建模和扭振計算帶來了一定的挑戰。軸系的復雜化,不僅使軸系扭振計算量增大,更使振動機理、影響因素與計算方法復雜化。

                      目前,在 CCS、DNV (Nauticus)、MAN、Vulkan、Geislinger 等多家機構的扭振計算資料中,未見有雙機并車軸系兩機之間相位差對計算結果影響的描述,而一般只計算了兩機之間相位差為零時的情況,認為對這種情況下對軸系的影響最大,但目前尚未有充足的依據。實際上,對于雙機并車系統,兩機之間的相位差是隨機的,因此,應通過實際計算對該問題進行客觀的分析。

                      直接傳動的單機(柴油機)單槳推進軸系一般需要對正常發火、一虹熄火或零螺距和滿螺距工況進行扭振計算和分析。間接傳動的單機單槳推進軸系一般需要對合排、脫排、正常發火、一虹熄火等工況進行扭振計算和分析。對于多機多槳復雜系統,還應計算單機單槳、單機雙槳、雙機單獎等各種工況。對于多工況推進系統,功率分配問題不可避免,快速準確地建模和計算也尤為重要,這對軟件開發也提出了更高的要求。

                      在柴油機推進系統中,柴油機為主要激勵源,螺旋槳的激勵由于影響相對比較微小,常被忽略不計。實際上螺旋槳的激勵對于軸系扭振也有一定的影響,尤其是在電力推進軸系、汽輪機或燃氣輪機推進軸系中,主機轉速高,運轉相對平穩,螺旋槳則成了主要激勵源,其計算方法的選取對計算結果將會有根本性的影響。即使對于柴油機推進軸系,把螺旋槳激勵對軸系的影響綜合考慮進去,對結果的分析將更加接近實際,而關鍵問題在于如何把螺旋獎激勵對軸系的影響與柴油機相疊加。

                    船舶軸系扭振計算軟件開發:

                    某10000DWT江海直達貨船軸系扭振當量模型
                    某10000DWT江海直達貨船軸系扭振當量模型

                    曲軸應力-中間軸應力
                    曲軸應力-中間軸應力

                    測試結果
                    測試結果

                    某雙機并車軸系布置簡圖
                    某雙機并車軸系布置簡圖

                    某雙機并車軸系扭振當量圖
                    某雙機并車軸系扭振當量圖

                    減振器振幅
                    減振器振幅

                    曲軸應力
                    曲軸應力

                    目錄

                      第1章 緒論
                        1.1 課題研究的目的和意義
                        1.2 國內外研究現狀及存在的問題
                        1.3 本課題的主要工作
                      第2章 軸系扭振機理及關鍵技術研究
                        2.1 軸系扭轉振動計算模型
                        2.2 軸系扭轉振動計算方法
                        2.3 氣缸負荷不均勻性及雙機并車系統兩機相位差問題研究
                          2.3.1 不考慮氣缸負荷不均勻性
                          2.3.2 考慮氣缸負荷不均勻性
                        2.4 螺旋槳激勵對軸系扭振的影響
                          2.4.1 螺旋槳激勵對柴油機軸系扭振的影響
                          2.4.2 螺旋槳激勵對非柴油機軸系扭振的影響
                        2.5 本章小結
                      第3章 扭振計算軟件開發方案研究
                        3.1 軟件工程基本理論
                          3.1.1 軟件開發與軟件工程
                          3.1.2 軟件的生命周期模型
                        3.2 扭振計算軟件需求分析及總體方案設計
                        3.3 扭振計算軟件詳細設計方案研究
                          3.3.1 界面設計研究
                          3.3.2 計算模塊研究
                          3.3.3 圖形及數據處理方法研究
                          3.3.4 軸系部件數據庫研究
                        3.4 軟件測試
                        3.5 軟件維護
                        3.6 本章小結
                      第4章 軟件關鍵技術研究及實現
                        4.1 自定義柴油機氣體切向力簡諧系數
                          4.1.1 經驗系數法
                          4.1.2 示功圖法
                          4.1.3 模擬示功圖法
                        4.2 多分支軸系扭振當量圖的繪制
                        4.3 復雜軸系多工況處理及算法的正確性驗證
                        4.4 車由系扭振應力衡準值的集成
                          4.4.1 曲軸
                          4.4.2 推力軸和中間軸
                          4.4.3 螺旋槳軸和舵管軸......
                          4.4.4 發電機傳動軸
                          4.4.5 扭振應力衡準在軟件中的集成
                        4.5 軸系部件數據表的設計
                        4.6 本章小結
                      第5章 計算實例及分析
                        5.1 中高速機推進軸系扭振計算與分析
                          5.1.1 系統描述
                          5.1.2 計算結果
                        5.2 雙機并車推進軸系扭振計算與分析
                          5.2.1 系統描述
                          5.2.2 計算結果
                      第6章 結論與展望
                        6.1 論文總結
                        6.2 工作展望
                      參考文獻
                      致謝
                      攻讀碩士學位期間發表論文及科研情況

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