船舶轴系扭振计算软件开发

摘要

　　船舶推进轴系是船舶动力装置的重要组成部分,轴系振动对船舶运行是否安全可靠有着非常关键的影响。虽然国内外许多单位和专家对船舶轴系振动问题进行了大量的研究,并掌握了相对完整的推进轴系振动计算方法,但由于舰船动力装置的发展,产生了许多复杂的推进轴系,因此,进一步掌握轴系振动机理和计算方法变得尤为重要,对相关计算软件的开发也提出了更高的要求。

　　本文在研究船舶轴系扭转振动基本理论的基础上,基于现有的成果,以Visual Studio 2008为开发平台,釆用VB.NET与MATLAB混合编程的方法开发了船舶推进轴系扭振计算软件。通过对复杂轴系进行扭振计算和分析研究,验证了软件计算方法的正确性。主要研究内容包括:

　　1)对船舶轴系扭转振动计算模型和计算方法进行了概述,对各种方法进行了比较和分析,采用解析法进行软件开发。分析了双机并车两机相位差、气缸负荷不均匀性以及螺旋桨激励等对轴系扭振的影响规律。

　　2)采用模块化思想建立轴系扭振当量模型,使复杂轴系多工况的计算效率大大提高;研究了柴油机自定义气体压力简谐系数处理方法,综合比较了各船级社以及中国船舶行业标准规定的轴系扭振应力衡准值计算方法,并集成到软件中。

　　3)研究了扭振计算软件开发的主要问题,包括界面设计,MATLAB与VB.NET的程序接口,二维图形和三维图形的处理方法等。借助第三方控件以及自定义模块实现了多级分支轴系扭振当量图的拖动功能,避免了绘图受到分支数量或级数限制的问题。

　　4)分析和比较了Xml语言和SQL在数据存储和数据管理上的优缺点,运用SQL Server建立了轴系部件数据库系统框架。通过模块化思想建立轴系扭振当量模型,轴系部件参数可实时保存到数据库中,同时可对部件信息进行查询和调用。

　　5)以单机单桨带齿轮箱和双机并车推进轴系为例进行计算,并与测试结果和原有计算报告对比,验证了算法的正确性。针对某复杂轴系,对同一种复杂工况建立不同的当量模型(改变主支与分支的顺序和质点数),将计算结果进行对比,验证了数据处理方法的正确性。

　　关键词：船舶轴系,扭振,相位差,自定义简谐系数,多工况,数据库,软件

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

　　船舶推进轴系振动是机械振动与船舶动力装置的交叉学科,是船舶工程的重要研究内容之一。船舶推进轴系是实现船舶发动机与推进器(一般为螺旋桨)的能量传递、同时又将螺旋奖旋转产生的轴向推力通过轴系传给船体,推动船舶前进的系统。船舶推进轴系在工作中承受冲击与交变载荷作用,工作条件恶劣。轴系的安全问题如果得不到保证,将造成严重的安全事故。因此,推进轴系的扭转振动是影响船舶动力装置安全运行的重要动力性能之一,研究推进轴系的扭转振动问题具有十分重要的意义。由于扭转振动问题的重要性,国内外相关单位及学者对此进行大量的研究。

　　经过多年的探索,目前已掌握了较为完整并相对成熟的推进轴系扭转振动计算方法,对于轴系的扭转振动问题可以进行有效的预测与控制。但随着船舶行业及柴油机行业的发展,扭转振动面临着一些新的问题,尤其是动力装置形式多样化带来轴系振动计算的复杂化。国家船舶工业“十二五”规划中提出把技术进步和创新作为产品转型升级的重要支撑,把新型船用齿轮箱、大型及新型推进装置、电力推进装置等产品和技术研究作为重点发展对象[2]。

　　目前,国内外许多高校或研究机构已开发出了相应的扭振计算软件,国内开发的扭振计算软件,从界面设计、软件功能以及通用性上已逐渐不能满足船舶工业技术的发展要求,而软件的升级与扩展又受到程序量大、开发人员变更等因素的限制。

　　本课题以某军工研究所项目为依托,主要目旳在于开发出能解决船舶复杂轴系扭振计算问题的通用性软件,以顺应当前船舶工业的发展趋势,因此具有重要的实际意义。

　　在动力装置发展初期把轴系作为刚性体处理,各种断轴事故的发生,促使许多工程设计人员和学者对轴系扭振进行了深入的研究。到19世纪末,否定了这种假设,并把轴系作为弹性系统处理,有效避免了断轴事故的发生。

　　轴系扭振系统建模方法主要有两类:(1)轴系质量经离散化后集总到多个集中质点的集总参数模型;(2)轴系质量沿轴线连续分布的分布参数模型。集总参数模型是轴系扭振计算中应用最早的力学模型之一,由于其物理概念清晰,使用简单,计算方便至今仍被广泛采用;分布参数模型中轴系的质量沿轴线连续分布,因而比集总参数模型更接近实际。但在处理有齿轮箱的传动系统时模型的转动惯量和刚度不易处理而使得该类型问题一般只能采用集总参数模型。

　　国内外学者在船舶轴系扭振研究和计算软件的开发上做了大量工作,取得了一定的研究成果。周瑞平、杨建国[4]用Matlab子集MatrixvB直接进行解析法计算,并开发了相应的计算软件。丁炎辉[5]利用C++基于当量模型采用Holzer法开发了船舶推进轴系扭振计算应用软件。张洪田[6]建立了分析船舶轴系扭振问题的Riccati传递矩阵法数学模型,通过对某实船轴系扭振计算与分析,表明该方法的计算精度高于M-P法。唐斌[7]提出了改进的动态矩阵法,该方法不仅可以应用于链式直轴的船舶推进轴系,还可解决含有复杂分支的船舶推进轴系。

　　郝志勇[8]将有限元法和多体系统仿真方法相结合,对车用柴油机曲轴系统进行多体动力学仿真,分析了曲轴在安装和运行状态下的扭转振动。胡义[9]推导出基于刚度矩阵单元的齿轮扭转振动模型,解决了实体模型分析中难以考虑传动比的问题。此外,一些研究机构和公司也推出了相应的扭振计算软件,如挪威船级社(DNV)的Nauticus Maehinery专用于轮机计算,其中包含了扭振计算模块;德国柴油机公司MAN B&W和联轴器公司VULKAN分别开发了相应的扭振计算软件等;中国船级社(CCS)的COMPASS系统集成了利用传递矩阵法编制的扭振计算模块。

　　随着近年来对船舶营运能效和节能环保的要求越来越高,一些新型的船舶推进轴系相继出现,如多柴油机推进装置、联合动力推进装置、带功率输出设备(PTO)的推进装置等。此外,汽轮机或燃气轮机推进轴系、带复杂齿轮箱推进轴系在船舶上的应用円趋成熟,对复杂轴系的建模和扭振计算带来了一定的挑战。轴系的复杂化,不仅使轴系扭振计算量增大,更使振动机理、影响因素与计算方法复杂化。

　　目前,在 CCS、DNV (Nauticus)、MAN、Vulkan、Geislinger 等多家机构的扭振计算资料中,未见有双机并车轴系两机之间相位差对计算结果影响的描述,而一般只计算了两机之间相位差为零时的情况,认为对这种情况下对轴系的影响最大,但目前尚未有充足的依据。实际上,对于双机并车系统,两机之间的相位差是随机的,因此,应通过实际计算对该问题进行客观的分析。

　　直接传动的单机(柴油机)单桨推进轴系一般需要对正常发火、一虹熄火或零螺距和满螺距工况进行扭振计算和分析。间接传动的单机单桨推进轴系一般需要对合排、脱排、正常发火、一虹熄火等工况进行扭振计算和分析。对于多机多桨复杂系统,还应计算单机单桨、单机双桨、双机单奖等各种工况。对于多工况推进系统,功率分配问题不可避免,快速准确地建模和计算也尤为重要,这对软件开发也提出了更高的要求。

　　在柴油机推进系统中,柴油机为主要激励源,螺旋桨的激励由于影响相对比较微小,常被忽略不计。实际上螺旋桨的激励对于轴系扭振也有一定的影响,尤其是在电力推进轴系、汽轮机或燃气轮机推进轴系中,主机转速高,运转相对平稳,螺旋桨则成了主要激励源,其计算方法的选取对计算结果将会有根本性的影响。即使对于柴油机推进轴系,把螺旋桨激励对轴系的影响综合考虑进去,对结果的分析将更加接近实际,而关键问题在于如何把螺旋奖激励对轴系的影响与柴油机相叠加。

船舶轴系扭振计算软件开发：

某10000DWT江海直达货船轴系扭振当量模型

曲轴应力-中间轴应力

测试结果

某双机并车轴系布置简图

某双机并车轴系扭振当量图

减振器振幅

曲轴应力

目录

　　第1章 绪论
　　　　1.1 课题研究的目的和意义
　　　　1.2 国内外研究现状及存在的问题
　　　　1.3 本课题的主要工作
　　第2章 轴系扭振机理及关键技术研究
　　　　2.1 轴系扭转振动计算模型
　　　　2.2 轴系扭转振动计算方法
　　　　2.3 气缸负荷不均匀性及双机并车系统两机相位差问题研究
　　　　　　2.3.1 不考虑气缸负荷不均匀性
　　　　　　2.3.2 考虑气缸负荷不均匀性
　　　　2.4 螺旋桨激励对轴系扭振的影响
　　　　　　2.4.1 螺旋桨激励对柴油机轴系扭振的影响
　　　　　　2.4.2 螺旋桨激励对非柴油机轴系扭振的影响
　　　　2.5 本章小结
　　第3章 扭振计算软件开发方案研究
　　　　3.1 软件工程基本理论
　　　　　　3.1.1 软件开发与软件工程
　　　　　　3.1.2 软件的生命周期模型
　　　　3.2 扭振计算软件需求分析及总体方案设计
　　　　3.3 扭振计算软件详细设计方案研究
　　　　　　3.3.1 界面设计研究
　　　　　　3.3.2 计算模块研究
　　　　　　3.3.3 图形及数据处理方法研究
　　　　　　3.3.4 轴系部件数据库研究
　　　　3.4 软件测试
　　　　3.5 软件维护
　　　　3.6 本章小结
　　第4章 软件关键技术研究及实现
　　　　4.1 自定义柴油机气体切向力简谐系数
　　　　　　4.1.1 经验系数法
　　　　　　4.1.2 示功图法
　　　　　　4.1.3 模拟示功图法
　　　　4.2 多分支轴系扭振当量图的绘制
　　　　4.3 复杂轴系多工况处理及算法的正确性验证
　　　　4.4 车由系扭振应力衡准值的集成
　　　　　　4.4.1 曲轴
　　　　　　4.4.2 推力轴和中间轴
　　　　　　4.4.3 螺旋桨轴和舵管轴......
　　　　　　4.4.4 发电机传动轴
　　　　　　4.4.5 扭振应力衡准在软件中的集成
　　　　4.5 轴系部件数据表的设计
　　　　4.6 本章小结
　　第5章 计算实例及分析
　　　　5.1 中高速机推进轴系扭振计算与分析
　　　　　　5.1.1 系统描述
　　　　　　5.1.2 计算结果
　　　　5.2 双机并车推进轴系扭振计算与分析
　　　　　　5.2.1 系统描述
　　　　　　5.2.2 计算结果
　　第6章 结论与展望
　　　　6.1 论文总结
　　　　6.2 工作展望
　　参考文献
　　致谢
　　攻读硕士学位期间发表论文及科研情况

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