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摘要
船体变形是推进轴系校中最重要的影响因素之一。本文基于船体变形的计算原理，提出了一种考虑船体变形的轴系校正新方法。船舶载荷，波浪载荷和某些极端条件下的环境温度差异以及弹性约束条件，都被模拟和应用于76,000 载重吨的成品油船的有限元模型，从而解决船体变形问题。然后，双层底部的变形转换为轴承偏移，而这些轴承偏移作为轴系矫正计算时的边界约束。以静水条件下的轻型船舶为参考，分析了船体变形对轴系对中的影响，实现了考虑船体变形的轴系校正的优化。
关键词：轴系校中，船体变形，环境温度，波浪载荷，轴承偏移计算
目录
第1章 引言
船体变形是影响轴承偏移的最重要的干扰因素，从而也是船舶施工后轴系校中时的重要影响因素。我们知道大型油轮和散货船对船体变形特别敏感，主要是因为这些船舶的轴系短而刚性强，并且大部分都于柴油机直接连接。不考虑船体变形的话，可能会使得轴承无法对齐，从而对轴承的使用寿命产生严重影响[1]。因此，考虑船体变形的轴系校中研究具有重要意义。
造成船体变形的因素很多，如载荷条件，波浪载荷，环境温度等。这些影响是随机出现的，也很难进行预测。通常认为船体框架是弹性梁，船体最大变形发生在弯矩最大的位置。因此，可以根据船体变形与船长方向上的坐标值之间的线性关系来计算船体变形，但由于该方法过于简单，无法保证结果的准确性。虽然在论文中考虑了载荷条件和波浪荷载[2]，但结果也不准确，因为船体仍被视为梁，而轴系轴被视为参考变形。在论文[3]中，构造和计算了30万载重吨油船的船尾有限元模型，结果表明具有不同的边界条件的不同范围的模型会得出不同的船体变形，并且表现出需要扩大建模范围的必要性。然而，有关船尾模型的最佳载荷，最佳约束条件和最佳环境温度载荷至今还未得知。而且，双层底部的变形通常被认为是轴承偏移。但是，波浪载荷作用时引起的船体修整不应包含在轴承偏移中。也就是说，基于上述轴承偏置假设的轴系校正意义不大。
在对船体变形进行仿真分析的基础上，提出了考虑船体变形的轴系校正方法。分析研究了造成船体变形的三个主要因素，并且模拟了极限载荷条件下的重量分布和限制海况下的位移分布，特别适用于76,000 载重吨的成品油船。然后在考虑重力，浮力和温度载荷以及弹性约束的情况下，构造整个船体的有限元模型。因而可以获得双层底部的变形。此外，选择五阶多项式和直线用于从船体变形到轴承偏移的转换。以平静水域中的轻型船舶为参照，可以获得相对的轴承偏移量，以研究船体变形对轴系对中的影响并优化轴系对中结果。
第2章 模型
专为巴拿马运河航运而设计和制造76,000 载重吨的成品油船的主要详情如下。LOA=228.60 m, LBP=220.0 m, B=32.26 m, D=21.2 m, Td= 12.5 m, Ts=14.7 m, Tb, min=7.2 m。
2.1轴系模型
由曲轴，中间轴和螺旋桨轴组成的76,000 载重吨的成品油轮的轴系对中模型如图1所示。其中，▲代表轴承位置，darr;代表包括螺旋桨，飞轮和曲柄连杆机构的集中质量，uarr;表示工作链轮的拉力。
2.2船体有限元模型
76000载重吨的成品油船的有限元模型是由CAE软件的ANSYS构建，如图2所示。由于轴系直接安装在双层底上，因此双层底的变形对轴系对中的影响显着。因此，对船尾部分的有限元模型，尤其是双层底部分进行了细化，以获得更为精确的模拟结果。船体结构主要用单元SHELL63和BEAM24建模，最多可以计算34,983个单元和24,472个节点。
船体变形模拟
在众多的船舶载荷中，船舶和货物的重力，海水的浮力和环境温度是造成船体变形的三大因素。
3.1船舶载荷模拟
一般情况下，按照保持负荷分布范围和工作地点不变的原则，将负载分配到20个船舶站，同时假设负载在每个站内均匀分布。 因此，连续荷载分布可以简化为阶梯型荷载分布。该方法被证明足够准确。
3.1.1船舶重量
船舶工作站的重量是分配范围内静态等效转换负荷的叠加。选择压载抵达和卸载这两种条件作为76,000 载重吨的成品油船的极限载荷条件。此外，由于轴系安装和调整过程是在这种情况下进行的，因此在平静水域中轻型船舶的状态被视为预测相对船体变形的参考变形条件。在3种极端载荷条件下的船舶重量将在稍后直接应用于船体
3.1.2船舶浮力
对于在静水中的模拟仿真，首先要进行平衡计算。然后根据Bonjean曲线，获得船舶浮力分布。最后，可以计算出3种载荷条件下的梯形浮力分布。
鉴于摆线波理论可以提供可能遇到的最大波形的接近波形，因而摆线波理论被用来表示波。陡峭的波峰和平坦的波谷形成了摆线波的形状特征。因此，波轴上方的面积小于下面的面积。如果波峰或波谷位于船中，波长略大于船长，则波浪力矩可以达到最大值。通常船长被认为等于波长，因为两者之间几乎没有差别。而波长和波高之间的关系是不确定的。除了以分数形式表达外，一些研究人员提出根据实际航海海域的长期波浪统计来模拟波浪载荷[4]。在全球主要海域，海面条件经常在3级到5级之间（Hs = 0.5-4.0 m），而6级（Hs = 4.0-6.0m）出现较少[5]。因此选择2.5米和6米高度的波浪来模拟76,000载重吨的成品油船可能进行正常开采的波浪高。综上所述，选择220m波长和2.5m，6m波高的摆线波作为遇到的波浪，并将波峰或波谷定位在船中部。加上极端的负载条件，总共考虑了8中波浪条件。
将极端波浪条件下的修剪水线作为波轴，可以通过将波形轴添加摆线波获得船舶站的草图。船体的水下形状决定船舶的浮力。在船体线路图和船体偏移量表的基础上，采用梯形法计算船舶站水下断面的面积，并计算相应的站点位移。由于船首和船尾截面积变化很大，因而得到的结果需要进一步完善。
船舶重量分布通常保持不变，而在波浪发生时浮力分布发生变化。当波谷位于船的中间时，船会下沉，反之，当波峰位于穿的中间时，船会上升。因此，拟合了8个海浪数据的上述结果可以帮助我们明晰船舶位移与风向之间的关系。因此，可以通过获得的实际的草稿来修改位移分布。
随后将11种海洋条件下的船舶浮力分布指定为有限元模型的水下节点处的力载荷。
3.2关于船舶环境温度的讨论
船体结构庞大，结构复杂，受到各种临时变化的影响，这使得船体温度场显现出复杂多变的样貌。由于海水对温度差具有很强的容忍能力，因此海水被视为恒温热水库，因此船体的水下部分被认为与海水近似等温。夏季和冬季可能存在的最大温差，因而被选为两种极端的环境温度条件。我们假定冬季海水温度为0℃，夏季为20℃，船体位于水面之上的其他部分则被置于线性变化的温度场内。
（1）船高方向的温度变化。最高温度发生在船的上甲板，而船体其他部分的温度从上甲板到水面逐渐增加或减小。我们对一些温度条件进行了调查，如表1所示。
（2）船宽方向的温度变化。除了垂直温差的影响外，随着停泊位置，日照方向等的变化，还会出现水平温差。由于船体结构沿着铺设推进轴系的船舶的纵剖面对称地进行，因此以较低的左舷温度和较高的右舷温度为例，如表2所示。
3.3船舶约束仿真
众所周知，船舶受海水弹性支撑的现象称为水弹性。因此，用在船体板的水下节点处的ANSYS的14单元组合体定义弹簧元件以模拟船舶边界约束。 弹簧的刚度可表示为，
k =gBL
其中，k代表约束刚度，rho;是海水密度，g是重力加速度，B和L分别代表船舶水线宽度和船长。船体不同部分的刚度不同，因此以船舶站作为计算单元来实现高仿真精度。因此，L表示公式中的船站长度，从而B代表船载站的水线宽度，由其载荷条件和遇到的波浪确定。
此外，轴向和水平约束设置在靠近主机自由端的位置以防止刚体位移。
3.4船体变形的结果与分析
3.4.1船体变形结果受力载荷作用
由于船体变形对轴系对中的重要影响，不同承载载荷和波浪载荷条件下的双层底部局部变形是重点的关注内容。以主机自由端的第一轴承为参考，通过对76000载重吨的成品油船的有限元模型施加重力和浮力，可以模拟双层底的局部变形。有时，当配载变化时，船舶重心转移，这将导致浮力再分配。也就是说，船舶通过修整来保持平衡。因此，浮力中心偏离了船体的几何中心，而这违背了波浪的假设。然后我们通过构造力矩平衡方程来计算出修整的角度并相应地修改船体变形。图3给出了在一定条件下船体变形的三维有限元模型的例子。而计算案例太多，无法一一论证。所有计算出的在不同加载条件和波浪荷载作用下的双层底变形情况如图4所示。其中，LS，BA和BD是缩写，分别代表空船，压舱船到达和卸载。
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