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考虑船体变形的轴系校中研究
史磊、乐东星、宋希庚，大连理工能动学院，中国辽宁大连，116024
摘要：船体变形是推进轴系对中最重要的影响之一。 基于船体变形的计算基础，提出了一种考虑船体变形的轴系校中新方法。模拟船舶载荷，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，应用于76,000 DWT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，这些轴承偏移作为轴系校中计算的边界约束。 以平静水域中的轻型船舶为例，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中优化。
关键词：轴系校中、船体变形、环境温度、波浪载荷、轴承变位计算
1介绍
船体变形是影响轴承偏移的最重要的干扰因素，由此要对船舶施工后的轴系进行校中。 已知对船体变形特别敏感的船只是大型油轮和散货船，主要原因是这些船舶的轴系短而刚性强，主要是直接连接的柴油机装置。 无法考虑船体变形可能会导致轴承不正确对中，从而对轴承的使用寿命产生严重影响。 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。这些影响是随机的，很难预测。通常认为船体框架是弹性梁，船体最大变形发生在最大弯矩位置。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，但该方法过于简单，无法保证结果。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，轴系轴被视为参考变形。在论文[3]中，构造并计算了30万载重吨油船的后船壳有限元模型，结果表明不同范围的模型具有不同的边界条件给出不同的船体变形，以及扩大造型范围的必要性。然而，船体模型的最佳载荷，约束条件和环境温度载荷还没有出现。而且，轴承双层底部的变形通常被认为是轴承偏移。但是，当波浪载荷作用时，船体会配平水平位势，这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中意义不大。
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中方法。研究了造成船体变形的三个主要因素，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76,000DWT成品油船。然后在重力，浮力和温度载荷以及弹性约束下构造整个船体的有限元模型。结果，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。
2模型
76,000 DWT成品油罐车专为巴拿马运河航运而设计和制造。 主要参数组成如下。LOA=228.60mu;m，LBP=220.0mu;m，B=32.26mu;m，D=21.2mu;m，Td=12.5mu;m，Ts=14.7mu;m，Tbmn =7.2mu;m。
2.1轴系模型
76,000 DWT成品油船的轴系由曲轴，中间轴和传动轴组成，其对准模型如图1所示。其中，△表示轴承位置，darr;表示集中质量，包括螺旋桨，飞轮和曲轴连接 杆机构，uarr;表示工作链轮的拉力。
2.2船体有限元模型
76000 DWT成品油船的有限元模型由CAE软件ANSYS构建，如图2所示。由于轴系直接安装在双层底上，因此双层底冲击轴系对中的变形显著。 因此，对船尾部分的有限元模型，尤其是双层底进行了细化，以获得精确的模拟。 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。
3船体变形仿真
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船舶载重仿真
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，将负荷分配到20个船站，同时假设负荷在每个站内均匀分布。 因此连续荷载分布可以简化为梯型荷载分布。 该方法被证明足够准确。
3.1.1船舶重量
船舶工作站重量是分配范围内静态等效转换负荷的叠加。 选择两种情况作为76,000 DWT成品油船的极限载荷条件，如下所列，临界压载和空载状态。 此外，由于在这种情况下进行轴系安装和调整过程，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的有限元模型。
3.1.2船舶浮力
对于平静水面条件下的模拟，首先执行平衡计算。根据Bonjean的曲线，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。
摆线波理论被用来表示波，因为它可以提供可能遇到的最大波的接近波形。陡峭的波峰和平坦的波谷有助于摆线波的形状特征。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，因为几乎没有差别。波长和浪高之间的关系是不确定的。除了分数形式的表达外，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。在全球主要海域，海面条件常发生在3〜5级（Hs = 0.5〜4.0 m），6级（Hs = 4.0〜6.0）出现较少。因此选择2.5米和6米的高度波来模拟76,000载重吨成品油船可能正常开采的波浪。综上所述，选择220m波长和2.5m，6m浪高的摆线波作为遇到的波浪，在船中部定位波峰或波谷。加上极端的负载条件，它总体上符合8波条件。
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，采用梯形法计算船站水下断面面积，并相应计算站点位移。结果需要进一步完善，因为在船首和船尾截面积变化很大。
船舶重量分布通常保持不变，而浮力分布在有波浪时会发生变化。当波谷出现于船的中间时，船会下沉，反之，波峰在船中间的时候船体会上升。因此，拟合8个海浪数据的上述结果可以帮助理清船舶位移与吃水量之间的关系。因此，可以获得实际的吃水量以修改位移分布。
然后将11个海况中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船舶环境温度的讨论
船体结构庞大，结构复杂，受到多种瞬变因素影响，所以船体温度场显得复杂多变。 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，被选为两种极端的环境温度条件。 假设冬季海水温度为0°C，夏季为20°C，船体上部其他部分位于水面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层甲板上，船体其他部分的温度从上层甲板到水面逐渐增加或减小。 我们对一些情况进行了调查，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。由于船体结构沿着设置推进轴系的船舶的纵剖面对称地进行，因此以例如低温度的左舷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力弹性。 因此，用ANSYS的combin14单元在船体板的水下节点处定义弹簧单元，以模拟船舶边界约束。 弹簧的刚度可以表示为：k = pgBL
其中，k代表约束刚度，p代表海水密度，g代表重力加速度，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，因此，B代表船载站的水线宽度，其由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发动机自由端以防止刚体位移。
3.4船体变形结果和分析
3.4.1受力载荷作用下船体变形结果
由于船体变形对轴系校中的重要影响，不同载荷条件下的双层底部局部变形和波浪载荷是重点。以主发动机自由端的第一轴承为参考，通过对76000 DWT成品油船的有限元模型应用重力和浮力，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，这将导致浮力重新分配。也就是说，船舶配平保持平衡。因此，浮力中心偏离船体的几何中心，这违背了波浪的假设。然后建立力矩平衡方程来解决配平角度，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。计算案例太多，无法一一论证。因此，所有计算出的不同加载条件和波浪荷载作用下的变形情况如图4所示。其中，LS，BA和BD是缩写，分别代表轻型船舶，压舱物到达和卸载。
结果表明，空载荷条件下双层底的变形明显小于压载到达条件下的变形，双层底的变形与波的水平成正比。此外，船体和海浪的相对位置对船体变形产生巨大影响。当船舶在压载到达情况下遇到较大的波浪时，双层底部的变形可能较大，特别是船舶中部的波峰。
3.4.2环境温度载荷作用下的船体变形结果
仍然以主发动机自由端的第一个轴承为参照，通过将温度载荷加载到76,000 DWT成品油轮的有限元模型上，可以模拟的船体变形。为了便于调查环境温度影响，选择平静水域的船体变形作为基本变形。不同环境温度下双层底板的相对变形如图5所示。其中，D，P和S是上甲板，左舷和右舷的缩写。
环境温度对双层底的相对变形有一定的影响。无论船舶的装载条件如何，温差越大，船体的变形就越大。它揭示了夏季和冬季相反的双底趋势的变形。双层底的尾部在冬季升高，夏季则下降。双层底的垂直变形主要取决于垂直变化的环境温度。此外，在任何季节，卸荷条件下双层底的相对变形明显小于压载到达条件下的相对变形。
4轴系对中计算与分析
4.1轴系合理校中
基于有限元方法，用Visual C 语言开发了轴系校正计算程序。根据流体动力润滑理论，采用有限差分法计算了长尾轴承轴承的油膜特性。该理论揭示了油膜压力沿轴承长度连续非线性变化，油膜刚度也随之变化。因此，尾轴轴承应视为具有油膜刚度特性的连续支撑。流体动力润滑计算子程序已经开发并添加到轴系校准的主程序中。此外，计算尾管架的刚度并将其添加到油膜刚度中以模拟螺旋桨轴的后部的复合支撑刚度。然后对76,000 DWT成品油罐车进行轴系校中，并以轴承反应状态为依据，考察轴系对齐状态的合理性。
结果表明当所有轴承水平共线排列时，前尾轴管轴承工作异常。因此，应采取措施提高前尾轴管轴承和降低后尾轴尾管轴承、中间轴承和主机轴承。同时，由于中间轴承对前尾轴承和1＃主发动机轴承的载荷影响数量较大，因此主发动机轴承的位置应低于中间轴承的位置。此外，主机轴承的倾斜处理能够减少对中间轴承的影响。
4.2考虑船体的轴系校中
4.2.1船体变形对于轴系校中的影响
上述以离散节点数据表示的双底的变形需要转换为用于轴系校准计算的轴承偏移。当船体整体变形时，双层底不仅会自身变形，还会与船体一起重新配平位势，轴系也一样。因此，变形数据分别用曲线和直线拟合。与其他表达式如S型函数，高斯函数和指数函数相比，多项式对双层底的变形拟合具有更好的精度。此外，五阶多项式比其他阶多项式表现更好。双层底的配平位势与倾斜的直线相似，将其视为标准线以估算轴承偏移。五阶多项式曲线与倾斜直线之间的差异出现在轴承处，只是轴承偏移量，如图2和图3所示。与静水条件下的轻型船舶的轴承偏移量相比，可以获得相对的轴承偏移量。
考虑由船体变形引起的轴承偏移对轴系进行校中。 表3和表4列出了一些失败的情况。它表明校中状态受船体变形的显着影响。 轴承反作用分布在力或温度载荷下变得不合适，但尾管轴承的油膜刚度特性对轴系状态起积极和主动的作用。 前尾轴管轴承和中间轴承的反作用力发生显着变化，前尾轴管轴承在某些情况下甚至不起作用。
船舶装载状况对轴系校中最为重要。无论是否遇到海浪，压载临界条件下双层底的变形比负载出发条件下的变形更大但更线性。因此，压载临界条件下的轴承偏差较小，无论海浪如何表现，轴承反作用力分布都在合理范围里。而且，船体和海浪的相对位置对于轴系校中状态有很大贡献。当波峰位于船中时，轴承反应会稍微变化。然而，当波谷位于中间时，轴承力发生显着变化，前尾轴管轴承不再起作用，特别是在空载情况下。虽然波浪水平显着影响双层底的变形，但波浪水平对轴系校中状态的影响是有限的。随着波高的增加，前尾管轴承反应减小，后尾管轴承反应增加，导致轴承反应分布不合理。
尽管尾轴承油膜可以在一定程度上提高对准质量，环境温度对轴系校中还是有一定的影响，特别是对于空负荷情况。与夏季相反，由于不同的季节环境温度引起的双层底变形趋势不同，因此冬季轴对中状态表现合理。在压载临界的情况下，夏季和冬季都相对于轻型船舶和平静水域的轴承偏移量较小，因此环境温度对轴系校准的影响很小。虽然夏季相对轴承偏差小于冬季，但夏季后尾轴轴承有高于水平轴系轴线的相对轴承偏差，导致尾轴承轴承异常工作。而且，温差越大，轴系对中状态越严峻。
4.2.2考虑船体变形的轴系校中优化
在受到显着影响的轴系校中计算中应充分考虑船体变形。船舶可能同时承受力和温度负荷，这可能会加剧船体变形对轴系对中的影响。因此，在以下严重情况下考虑船体变形进行轴系校准计算。让船处于卸载状态、在船中间遇到6米浪高波浪的波谷时，意同时，假设上层甲板温度为40℃，温度在垂直方向线性变化。计算结果表明，船舶在受力和温度载荷同时作用下的船体变形和轴承偏移量远小于力载荷和温度载荷分别作用下的结果总和。因此，在各种耦合载荷条件下计算船体变形是没有用的。相反，保守地进行轴系校准可以解决问题。
考虑船体变形的一些优化的轴系校中结果列于表3和4中，并且获得了一些具体结论如下。以静态水平轴系为基准，大多数计算条件下的相对轴承偏差在轴系轴线以下，最低轴承偏差出现在中间轴承上，主轴轴
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