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程序化工程15 (2011)5373 - 5377
先进的控制工程和信息科学
基于改进的传递矩阵法的集装箱船轴系校中分析
杨勇，唐文勇*，马杰
上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200030
摘要
虽然国内已有一系列集装箱船采用大连造船厂建造的相同推进系统，但是轴系校中结果存在较大差异。改进了传递矩阵法，分析了轴系校中模型。分析结果表明，船舶制造过程中螺旋桨重心和船体变形的不同对轴系定位结果有明显影响。随着船舶建造规模的不断增大，在建立轴系校中计算模型时，必须考虑船体变形等影响轴系校中质量的因素，以避免类似轴系事故的发生。
copy;2011由爱思唯尔有限公司出版。[CEIS 2011]在CC BY-NC-ND许可下的开放获取责任下的选择和同行评审。
关键词:集装箱船;轴系调整;矩阵法;变形。
1.介绍
大连造船厂建造的一系列国产集装箱船出现了一些问题。在第一集装箱船轴系布置过程中，轴系校中支承位移为零，满足要求。相反，第二艘船出现了严重的问题。在轴系校中过程中，主机基础高度必须降低约20mm，并打磨约20mm。这给船厂工人带来了极大的困难，给船厂和船东带来了巨大的经济损失。
唐文勇等。电子邮件地址:wytang@sjtu.edu.cn。
_________
1877-7058copy;2011由爱思唯尔有限公司出版。CC BY-NC-ND许可下的开放访问。doi: 10.1016 / j.proeng.2011.08.996
杨勇等。/ 能源工程 15 (2011) 5373 - 5377
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通过改进传递矩阵法，考虑了影响轴系校中结果的船体变形。对推进系统进行了详细的计算和分析，对第二船轴系校中事故进行了合理的解释。为今后大型船舶轴系定位提供了有益的经验和参考。
2.传递矩阵法
轴系是由一系列惯性元件和弹性元件组成的结构。根据结构静力学的线性理论，任意两个相邻截面的静力矢量通过线性变换相互连接[1-6]。它的意思是一个过渡矩阵连接两个相邻部分的静态向量。过渡矩阵将一个部分的状态向量转移到另一个部分。轴系被认为是具有简单力学特性的梁。当梁弯曲的平面、静态描述向量的细胞部分收益率y,角theta;,弯矩M和剪力T。任何截面都可以由以下向量定义。
= (1)
式中:Z—截面的静态矢量;
i—单元序号;
m—端面角标，m = L(左)，R(右)。
轴段左右两端的状态矢量之间通过一个矩阵进行传递:
(2)
式中：i单元的传递矩阵
过渡矩阵包括平均负载q,集中质量, 支承力或轴承位移Delta;如下：
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通过分析加载单元，与之间的静态矢量关系如下：
(4)
如果方程T是i单元的积累矩阵，它取决于单元的性能参数和支承变位。积累矩阵反映了单元梁上两截面的状态矢量关系。根据单元梁的边界条件，可以计算出轴系上两个截面的状态矢量。
当轴系两端为自由端，边界条件如下:
左端:ne;0 ne;0 = 0 = 0 (5)
右端:ne;0 ne;0 = 0 = 0 (6)
矩阵如下:
矩阵包含两个未知量和方程:
(8)
当和的两方程求解时, 轴系左端状态矢量就能解出,然后带入递推公式中计
算各单元截面上的状态矢量。
3.轴系校中分析
根据上述理论和大连船厂建造的一系列国产集装箱船舶轴系布置，轴系数学模型如下：
图1轴系校中的数学模型
热态轴承轴系合理校中的结果如下：
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表1第二船轴系合理校中结果
|
轴承 编号 |
偏转 (毫米) |
转角 (rad) |
支承力 (kN) |
20%轴重量 (kN) |
支承应力 (N / mm ^ 2) |
|
1 |
0.0000 |
1.0449 e 03 |
938.492 |
64.165 |
0.613 |
|
2 3 4 5 6 7 8 9 10 |
2.0000 -5.8000 -16.6000 -19.6300 -19.0280 -18.1790 -17.3290 -16.4800 -15.6300 |
-3.3155 e-04 -1.2930 e 03 -1.0372 e 03 4.8291 e-04 4.8420 e-04 4.8542 e-04 4.8671 e-04 4.8033 e-04 5.0453 e-04 |
247.255 256.972 288.314 167.292 451.241 491.544 461.739 577.760 166.355 |
105.101 117.012 128.902 104.250 32.174 0.000 0.000 0.000 0.000 |
0.361 0.972 1.091 0.420 1.133 1.796 1.687 2.111 0.608 |
根据表1的结果，各支座上的支承力是合理的。轴系没有脱离轴承，轴承上的应力是可以接受的。轴系热态屈服曲线如下:
图2轴系成品率曲线示意图
第二船轴系校中结果及图表如下。根据分析结果，主机基础必须打磨20mm左右。这对船厂的工人来说是非常困难的。相反，第一容器轴系的定位是线性的。虽然两艘集装箱船的主发动机和轴系布置几乎相同，但校中结果却有很大的差异。
在此基础上，利用改进的过渡矩阵计算了第一船轴系校中。轴系在热态下合理校中的结果如下:
表2第一船轴系合理校中结果
|
轴承 编号 |
偏转 (毫米) |
转角 (rad) |
支承力 (k·N) |
20%轴重量 (k·N) |
支承应力 (N / mm ^ 2) |
|
|
1 |
0.0000 |
3.4765 e-04 |
953.247 |
68.664 |
0.623 |
|
|
2 3 4 5 6 7 8 9 10 |
0.0000 0.0000 0.3700 0.3700 0.3700 0.3700 0.3700 0.3700 0.3700 |
-1.5359 e-04 6.2394 e-05 2.6423 e-05 6.4372 e-06 -3.5281 e-06 6.1315 e-07 1.0755 e-06 -4.9150 e-06 1.8584 e-05 |
153.001 291.648 280.455 520.424 73.594 509.800 452.798 582.407 165.045 |
110.431 115.411 128.300 100.706 29.233 0.000 0.000 0.000 0.000 |
0.224 1.103 1.061 1.307 0.185 1.862 1.654 2.128 0.603 |
|
根据表2的结果，各支座上的支承力也是合理的。轴系没有脱离轴承，轴承上的应力是可以接受的。轴系热态屈服曲线如下:
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图3轴系成品率曲线示意图
虽然两艘船的轴系校直结果都是合理的，但是第二艘船的主机基础需要打磨约20mm，这对船厂来说比较困难，增加了生产成本。
通过对两船轴系校中结果的分析，发现造成两船轴系校中结果差异较大的首要原因是螺旋桨重心位置的不同。虽然两艘船的主机布置和轴系布置基本相同，但螺旋桨的重力位置不同，螺旋桨重力作用在传动轴上的受力位置也不同。轴系上任何微小的变化都会对轴系的定位造成很大的差异。
第二个原因是前者对船体变形的控制比后者好。此外，船舶定线结果还会受到其它不可控制因素的影响，如两艘船舶在航行过程中的造船精度。
4.结论
随着船舶吨位的不断增大，船体板材的材质和质量都有了很大的提高，船体变形对轴系校中影响明显。摘要在轴系校中过程中，必须考虑船体变形、油膜刚度、船内装载品种和海况等因素对轴系校中的影响，以避免集装箱船出现类似的事故。
只有不断改进轴系校中计算方法，才能综合考虑影响轴系校中计算的诸多因素。然后轴系校中结果接近实际轴系情况。降低了轴系校中引起的振动和噪声，保证了轴系长期安全运行。
5.致谢
该研究得到了以下项目的支持:随机振动影响下船舶减振仿真研究(No.J10LG60)、基于柴油机效率优化的船舶电站速度-力矩-励磁混合控制研究(20110490716)。
参考文献
[1]张洪田，王传波，船舶轴系合理校中的黎卡提传递矩阵法，船舶工程，1992。2.28
[2]魏海军，王洪志，船舶轴系多轴承定位研究，船舶力学学报，2001.2.5(1)。49-51。
[3]魏海军，满一心，童辰涛，船舶轴系校直中的过渡矩阵法及其软件实现，大连海事大学学报。1997.8。23 (3)。45-48。
[4]杨勇，一艘大型集装箱船的轴系布置，上海。2008.8。
[5]游家伟，船舶轴系校中动力因素研究，武汉船舶工业，1998。2,28-31。
[6]程海明，周瑞平，杨家国。轴系直线校中的传递矩阵法及其在VB环境中的实现，武汉理工大学学报。2003.8.27 (4),509 - 511。
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