摘要

　　船舶推進(jìn)軸系是船舶動(dòng)力裝置的重要組成部分,軸系振動(dòng)對船舶運行是否安全可靠有著(zhù)非常關(guān)鍵的影響。雖然國內外許多單位和專(zhuān)家對船舶軸系振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究,并掌握了相對完整的推進(jìn)軸系振動(dòng)計算方法,但由于艦船動(dòng)力裝置的發(fā)展,產(chǎn)生了許多復雜的推進(jìn)軸系,因此,進(jìn)一步掌握軸系振動(dòng)機理和計算方法變得尤為重要,對相關(guān)計算軟件的開(kāi)發(fā)也提出了更高的要求。

　　本文在研究船舶軸系扭轉振動(dòng)基本理論的基礎上,基于現有的成果,以Visual Studio 2008為開(kāi)發(fā)平臺,釆用VB.NET與MATLAB混合編程的方法開(kāi)發(fā)了船舶推進(jìn)軸系扭振計算軟件。通過(guò)對復雜軸系進(jìn)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?jì)热莅��?

　　1)對船舶軸系扭轉振動(dòng)計算模型和計算方法進(jìn)行了概述,對各種方法進(jìn)行了比較和分析,采用解析法進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。分析了雙機并車(chē)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(jiǎn)諧系數處理方法,綜合比較了各船級社以及中國船舶行業(yè)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(kāi)發(fā)的主要問(wèn)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(shí)現了多級分支軸系扭振當量圖的拖動(dòng)功能,避免了繪圖受到分支數量或級數限制的問(wèn)題。

　　4)分析和比較了Xml語(yǔ)言和SQL在數據存儲和數據管理上的優(yōu)缺點(diǎn),運用SQL Server建立了軸系部件數據庫系統框架。通過(guò)模塊化思想建立軸系扭振當量模型,軸系部件參數可實(shí)時(shí)保存到數據庫中,同時(shí)可對部件信息進(jìn)行查詢(xún)和調用。

　　5)以單機單槳帶齒輪箱和雙機并車(chē)推進(jìn)軸系為例進(jìn)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(zhì)點(diǎn)數),將計算結果進(jìn)行對比,驗證了數據處理方法的正確性。

　　關(guān)鍵詞：船舶軸系,扭振,相位差,自定義簡(jiǎn)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(jìn)軸系振動(dòng)是機械振動(dòng)與船舶動(dòng)力裝置的交叉學(xué)科,是船舶工程的重要研究?jì)热葜�一。船舶推進(jìn)軸系是實(shí)現船舶發(fā)動(dòng)機與推進(jìn)器(一般為螺旋槳)的能量傳遞、同時(shí)又將螺旋獎旋轉產(chǎn)生的軸向推力通過(guò)軸系傳給船體,推動(dòng)船舶前進(jìn)的系統。船舶推進(jìn)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(wèn)題如果得不到保證,將造成嚴重的安全事故。因此,推進(jìn)軸系的扭轉振動(dòng)是影響船舶動(dòng)力裝置安全運行的重要動(dòng)力性能之一,研究推進(jìn)軸系的扭轉振動(dòng)問(wèn)題具有十分重要的意義。由于扭轉振動(dòng)問(wèn)題的重要性,國內外相關(guān)單位及學(xué)者對此進(jìn)行大量的研究。

　　經(jīng)過(guò)多年的探索,目前已掌握了較為完整并相對成熟的推進(jìn)軸系扭轉振動(dòng)計算方法,對于軸系的扭轉振動(dòng)問(wèn)題可以進(jìn)行有效的預測與控制。但隨著(zhù)船舶行業(yè)及柴油機行業(yè)的發(fā)展,扭轉振動(dòng)面臨著(zhù)一些新的問(wèn)題,尤其是動(dòng)力裝置形式多樣化帶來(lái)軸系振動(dòng)計算的復雜化。國家船舶工業(yè)“十二五”規劃中提出把技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng )新作為產(chǎn)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(jìn)裝置、電力推進(jìn)裝置等產(chǎn)品和技術(shù)研究作為重點(diǎn)發(fā)展對象[2]。

　　目前,國內外許多高校或研究機構已開(kāi)發(fā)出了相應的扭振計算軟件,國內開(kāi)發(fā)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(mǎn)足船舶工業(yè)技術(shù)的發(fā)展要求,而軟件的升級與擴展又受到程序量大、開(kāi)發(fā)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(kāi)發(fā)出能解決船舶復雜軸系扭振計算問(wèn)題的通用性軟件,以順應當前船舶工業(yè)的發(fā)展趨勢,因此具有重要的實(shí)際意義。

　　在動(dòng)力裝置發(fā)展初期把軸系作為剛性體處理,各種斷軸事故的發(fā)生,促使許多工程設計人員和學(xué)者對軸系扭振進(jìn)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(fā)生。

　　軸系扭振系統建模方法主要有兩類(lèi):(1)軸系質(zhì)量經(jīng)離散化后集總到多個(gè)集中質(zhì)點(diǎn)的集總參數模型;(2)軸系質(zhì)量沿軸線(xiàn)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(xué)模型之一,由于其物理概念清晰,使用簡(jiǎn)單,計算方便至今仍被廣泛采用;分布參數模型中軸系的質(zhì)量沿軸線(xiàn)連續分布,因而比集總參數模型更接近實(shí)際。但在處理有齒輪箱的傳動(dòng)系統時(shí)模型的轉動(dòng)慣量和剛度不易處理而使得該類(lèi)型問(wèn)題一般只能采用集總參數模型。

　　國內外學(xué)者在船舶軸系扭振研究和計算軟件的開(kāi)發(fā)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(jìn)行解析法計算,并開(kāi)發(fā)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(kāi)發(fā)了船舶推進(jìn)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(wèn)題的Riccati傳遞矩陣法數學(xué)模型,通過(guò)對某實(shí)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(jìn)的動(dòng)態(tài)矩陣法,該方法不僅可以應用于鏈式直軸的船舶推進(jìn)軸系,還可解決含有復雜分支的船舶推進(jìn)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(chē)用柴油機曲軸系統進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真,分析了曲軸在安裝和運行狀態(tài)下的扭轉振動(dòng)。胡義[9]推導出基于剛度矩陣單元的齒輪扭轉振動(dòng)模型,解決了實(shí)體模型分析中難以考慮傳動(dòng)比的問(wèn)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(zhuān)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(lián)軸器公司VULKAN分別開(kāi)發(fā)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(zhù)近年來(lái)對船舶營(yíng)運能效和節能環(huán)保的要求越來(lái)越高,一些新型的船舶推進(jìn)軸系相繼出現,如多柴油機推進(jìn)裝置、聯(lián)合動(dòng)力推進(jìn)裝置、帶功率輸出設備(PTO)的推進(jìn)裝置等。此外,汽輪機或燃氣輪機推進(jìn)軸系、帶復雜齒輪箱推進(jìn)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(lái)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(dòng)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(jiàn)有雙機并車(chē)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(shí)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(shí)際上,對于雙機并車(chē)系統,兩機之間的相位差是隨機的,因此,應通過(guò)實(shí)際計算對該問(wèn)題進(jìn)行客觀(guān)的分析。

　　直接傳動(dòng)的單機(柴油機)單槳推進(jìn)軸系一般需要對正常發(fā)火、一虹熄火或零螺距和滿(mǎn)螺距工況進(jìn)行扭振計算和分析。間接傳動(dòng)的單機單槳推進(jìn)軸系一般需要對合排、脫排、正常發(fā)火、一虹熄火等工況進(jìn)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(jìn)系統,功率分配問(wèn)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(kāi)發(fā)也提出了更高的要求。

　　在柴油機推進(jìn)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(shí)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(jìn)軸系、汽輪機或燃氣輪機推進(jìn)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(huì )有根本性的影響。即使對于柴油機推進(jìn)軸系,把螺旋槳激勵對軸系的影響綜合考慮進(jìn)去,對結果的分析將更加接近實(shí)際,而關(guān)鍵問(wèn)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(kāi)發(fā)：

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

測試結果

某雙機并車(chē)軸系布置簡(jiǎn)圖

某雙機并車(chē)軸系扭振當量圖

減振器振幅

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(wèn)題
　　　　1.3 本課題的主要工作
　　第2章 軸系扭振機理及關(guān)鍵技術(shù)研究
　　　　2.1 軸系扭轉振動(dòng)計算模型
　　　　2.2 軸系扭轉振動(dòng)計算方法
　　　　2.3 氣缸負荷不均勻性及雙機并車(chē)系統兩機相位差問(wèn)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(kāi)發(fā)方案研究
　　　　3.1 軟件工程基本理論
　　　　　　3.1.1 軟件開(kāi)發(fā)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(guān)鍵技術(shù)研究及實(shí)現
　　　　4.1 自定義柴油機氣體切向力簡(jiǎn)諧系數
　　　　　　4.1.1 經(jīng)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(chē)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(fā)電機傳動(dòng)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(shí)例及分析
　　　　5.1 中高速機推進(jìn)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(chē)推進(jìn)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(xué)位期間發(fā)表論文及科研情況

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