考慮冰區(qū)影響的軸系扭振計算方法

彭云霞，高瑩瑩，張 慶，殷和義

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200090；2.青島海西船舶柴油機有限公司，山東 青島 266520)

考慮冰區(qū)影響的軸系扭振計算方法

彭云霞1，高瑩瑩2，張 慶1，殷和義2

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200090；2.青島海西船舶柴油機有限公司，山東 青島 266520)

考慮極地航行船舶推進(jìn)系統(tǒng)中槳葉存在受冰塊沖擊的工況，針對軸系扭振計算時模型建立復(fù)雜，時域分析計算方法繁瑣，不便于設(shè)計檢驗及修改的問題，在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，以頻域分析方法替代時域分析，將冰載荷轉(zhuǎn)換為主機激振力以簡化計算。實船計算結(jié)果相對保守，安全系數(shù)更高，實船經(jīng)受了冰區(qū)航行考驗，軸系運轉(zhuǎn)狀況良好。

冰塊轉(zhuǎn)矩；扭振；頻域計算；時域計算

國際上IACS的極地規(guī)范和芬蘭、瑞典冰區(qū)規(guī)范(FSICR)最先對冰區(qū)航行船舶做出了明確的具體要求[1]，各大船級社根據(jù)IACS和FSICR的要求制定了相應(yīng)的冰區(qū)規(guī)范。2012年，中國船級社《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》正式對第3分冊第3篇第14章《船舶航行冰區(qū)的加強》章節(jié)進(jìn)行補充修改[2]，對推進(jìn)器冰區(qū)載荷進(jìn)行具體定義及使用說明，完善了對冰區(qū)作業(yè)船舶推進(jìn)機械的設(shè)計規(guī)范和指導(dǎo)。

我國目前不能自主設(shè)計建造南北極冰區(qū)航行的船舶，各項關(guān)鍵技術(shù)仍需國外設(shè)計院及廠家確認(rèn)校核，對我國船舶各相關(guān)產(chǎn)業(yè)提出了更高的技術(shù)要求。針對南北極冰區(qū)航行的船舶推進(jìn)系統(tǒng)扭振問題，采用瞬態(tài)時域分析和簡化頻域分析方法進(jìn)行計算對比，計算結(jié)果滿足船級社要求及及船舶安全性，以此提供冰塊沖擊槳葉時，簡便和可靠的軸系扭振計算方法。

1 理論基礎(chǔ)及計算方法

通常，新造船或推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行改裝的舊船，必須進(jìn)行軸系扭轉(zhuǎn)振動計算，以驗證軸系扭振應(yīng)力滿足規(guī)范的要求，保證船舶安全運行。

冰區(qū)航行船舶首先進(jìn)行常規(guī)的理論扭振計算，確定并優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)；完成常規(guī)的扭振計算后，由于螺旋槳受到冰塊沖擊載荷，冰載荷作用下的扭振計算，需要對軸系扭振進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析，以評估船舶軸系的安全性。

1.1 方法一，瞬態(tài)時域分析

對軸系進(jìn)行瞬態(tài)時域分析，在常規(guī)彈性質(zhì)量系統(tǒng)中除考慮原來的主機激振力之外，需考慮冰激振力的作用，冰激振力的形式可按相應(yīng)船級社描述的要求添加，除此之外還需大量的主機相關(guān)數(shù)據(jù)支持，包括調(diào)速器的調(diào)速特性、主機的轉(zhuǎn)矩限制、主機對油門的響應(yīng)特性等作為額外的輸入條件，見圖1。

如某38 000 DWT散貨船，冰區(qū)等級對應(yīng)于FSICR-1C, 配置主機功率6 100 kW、99 r/min。該船常規(guī)扭振計算確定主機需配置Geislinger D240/23/V/M型號減震器，圖2為該船常規(guī)扭振計算中間軸上的應(yīng)力情況，在I/5主臨界區(qū)域超過規(guī)范允許的長時運行限制值，需設(shè)置轉(zhuǎn)速禁區(qū)，其他范圍均小于規(guī)范的限制值，滿足常規(guī)扭振計算要求。

完成常規(guī)扭振計算后進(jìn)行冰沖擊載荷下的模擬，對螺旋槳在CMCR轉(zhuǎn)速下受到冰載荷時的軸系響應(yīng)分析，以及主機轉(zhuǎn)速99 r/min受到冰沖擊載荷下的軸系響應(yīng)。

圖1 時域分析輸入輸出參數(shù)

圖2 常規(guī)扭振計算中間軸上扭振應(yīng)力

以規(guī)范要求的冰載荷工況1下的計算為例，結(jié)果見圖3。

圖3 工況1冰載荷下中間軸的響應(yīng)

完成冰載荷下的計算后，對螺旋槳槳葉強度，連軸螺栓的強度，軸系的強度等分別進(jìn)行評估，以判斷是否符合要求。

限于篇幅，簡單介紹冰載荷下中間軸疲勞強度校核分析結(jié)果。按照規(guī)范，由于冰載荷引起的變幅應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞破壞可按照Palmgren-Miner線性累積損傷準(zhǔn)則完成，疲勞破壞臨界值MDR<1，考慮冰區(qū)船舶整個生命周期受到的冰載荷符合Weibull分布(見圖4)，按照規(guī)范的要求完成疲勞破壞的S-N曲線，見圖5。最終計算的MDR為0.021 4<1，所以認(rèn)為工況1冰載荷下扭振計算結(jié)果符合要求。

圖4 冰載荷Weibull分布

圖5 S-N曲線及應(yīng)力Weibull分布

1.2 方法二，頻域分析

由于瞬態(tài)時域分析計算的復(fù)雜性，可改用一種簡單的基于頻域分析的計算方法，見圖6。在頻域分析中將前述冰載荷的穩(wěn)定作用階段作為持續(xù)作用在螺旋槳上的周期載荷，并對載荷進(jìn)行傅里葉變換，將該載荷看作是主機的激振力作用在扭振系統(tǒng)[3]。

圖6 簡單頻域計算輸入輸出參數(shù)

不同于時域分析考慮冰沖擊載荷單次作用于螺旋槳，采用頻域計算方法考慮了一個持續(xù)作用在螺旋槳上的周期載荷，計算的結(jié)果相比于時域計算數(shù)值偏大，因此計算結(jié)果更加保守。已有船級社同意，對于冰區(qū)扭振計算可以先采用簡單的頻域計算，只有當(dāng)頻域計算結(jié)果顯示軸系應(yīng)力超過規(guī)范要求的限制值時再進(jìn)行更詳細(xì)的時域計算以進(jìn)一步評估[4]。

2 實例分析

以國內(nèi)某科學(xué)考察破冰船以例，該船冰級為CCS -B1，對應(yīng)于與FSICR規(guī)范的1A-Super，在冰區(qū)航道和層冰中操作，船舶可破冰航行，進(jìn)入螺旋槳的最大冰塊設(shè)計厚度Hice為1.75 m。

該船更換新型推進(jìn)主機后，重新進(jìn)行軸系校核計算。根據(jù)不同海況和作業(yè)要求，具備4種操作模式Mode1～4。其中Model 1為敞水無冰航行工況，其余均為冰區(qū)航行工況，因此，需要對4種操作模式進(jìn)行常規(guī)扭振計算，并對3種冰區(qū)航行

模式下的3種工況分別進(jìn)行冰沖擊載荷下的扭振計算。

1)按照常規(guī)扭振計算，需配置Geislinger D250/29型減震器以使得軸系扭振應(yīng)力符合規(guī)范要求。

2)對冰激勵情況進(jìn)行計算分析，采用較保守的頻域計算進(jìn)行初步評估。若頻域計算顯示結(jié)果符合要求則無需再進(jìn)行時域校核。若頻域計算結(jié)果顯示應(yīng)力等超限時，需進(jìn)行詳細(xì)的時域分析以得到較精確的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步評估。

分別對各操作模式各種冰激勵下分別使用頻域計算和時域計算。發(fā)現(xiàn)在額定轉(zhuǎn)速時，軸系扭振頻域計算結(jié)果普遍大于時域計算結(jié)果，軸系各扭振應(yīng)力均小于目前規(guī)范的要求，因此基于扭振因素考慮軸系是安全的。以螺旋槳軸為例，軸系在頻域和時域計算下的最大轉(zhuǎn)矩和應(yīng)力見表1。

表1 螺旋槳軸各工況下最大轉(zhuǎn)矩與應(yīng)力計算值

例如,工況1 Model 4操縱模式下，各種冰載荷工況頻域計算的螺旋槳軸上的扭振應(yīng)力見圖7，采用頻域方式計算螺旋槳軸上的應(yīng)力均小于規(guī)范的限制值，扭振計算符合要求[5]。

圖7 Mode 4操縱模式，工況1冰激勵下螺旋槳軸上的扭振應(yīng)力，Ck=0.55

3 結(jié)論

針對帶有冰區(qū)激勵的船舶推進(jìn)軸系扭振分析及計算，分析結(jié)果表明，對于具有冰塊沖擊的推進(jìn)軸系，除常規(guī)計算外，需考慮冰塊對螺旋槳的沖擊應(yīng)力。計算時將時域分析中冰沖擊載荷單次作用于螺旋槳，轉(zhuǎn)換為頻域分析考慮一個持續(xù)作用在螺旋槳上的周期載荷，采用簡化后的頻域計算結(jié)果普遍大于常規(guī)時域計算結(jié)果，結(jié)論更保守，安全系數(shù)更高，滿足目前規(guī)范的要求，基于扭振因素考慮軸系是安全的。因此，對于帶有冰區(qū)工況的船舶推進(jìn)軸系扭振計算，可先采用較為簡單的頻域計算，當(dāng)計算結(jié)果超過規(guī)范要求限制值時改以時域計算以精確評估分析。

實船軸系經(jīng)計算后通過海試，已陸續(xù)完成2次南極科考和1次北極科考任務(wù)，期間經(jīng)歷了船只冰凍危險，到目前為止，軸系運轉(zhuǎn)狀況良好，經(jīng)受住了冰區(qū)航行時惡劣工況的考驗。

[1] Finnish-Swedish Ice class. Finnish-Swedish Ice Class Rules 2010[S].2010.

[2] 中國船級社．鋼質(zhì)海船入級規(guī)范2012：第3分冊[S]．北京：人民交通出版社，2012.

[3] Sebasian Persson．Ice Impact Simulation for Propulsion Machinery[J]．Torsional vibration symposium,2014(23)：1-8．

[4] 耿厚才,于瑤,周鑫元,等．冰區(qū)加強船冰載荷計算與軸系設(shè)計[J]．船舶工程，2015(11)：31-33．

[5] Wartsila Switzerland Ltd．6RT-Flex60C-B Torsional Vibration Calculation Report[R]．Switzerland：Wartsila Switzerland Ltd，2014．

The Calculation Method of Shafting Torsional Vibration with Ice Impact

PENG Yun-xia1, GAO Ying-ying2, ZHANG Qing1, YIN He-yi2

(1.Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 200090, China; 2.Qingdao Haixi Marine Diesel Co. Ltd., Qingdao Shandong 266520, China)

The ship sailing in the polar region always face the ice block impact on the propeller blades. To solve the complication of shafting torsional vibration model and the convoluted time-domain method, the viable method for torsional vibration calculation in frequency-domain was analyzed and described, instead of the conventional steady-state analysis of time-domain, applying the ice loads as the engine exciting forces according to the class rules. The method causes more safe results. A real vessel was taken for instance to verify the calculation results.

ice loading; torsional vibration; frequency-domain calculation; time-domain calculation

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.019

2016-06-07

國家科技支撐計劃(2014BAG04B02)

彭云霞(1985—)，女，碩士，工程師

U664.21

A

1671-7953(2016)06-0085-04

修回日期：2016-07-13

研究方向:船舶動力系統(tǒng)集成

E-mail:18721109435@139.com