船舶管路系統(tǒng)彈性支承在沖擊作用下的位置優(yōu)化設(shè)計

張慧

摘 要：受外界因素影響，一旦船舶受到外力碰撞，就會發(fā)生強烈振動，對船舶的安全造成了較大影響，嚴(yán)重時將破壞船舶管路系統(tǒng)，最終影響船舶的穩(wěn)定運行。為了了解船舶管路系統(tǒng)彈性支撐受到?jīng)_擊之后所發(fā)生的變化，本次利用不同條件下直梁模型來模擬管路系統(tǒng)運行，采用等效控制方法等構(gòu)建了數(shù)據(jù)方程，獲得了不同情況下直梁模型所產(chǎn)生的動態(tài)影響情況。經(jīng)過對模型遭到撞擊后所產(chǎn)生的周期荷載及振動變化可知，只有合理的布置彈性支撐位置，才能避開共振區(qū)域，進而提高了彈性支撐減振效果，以期給相關(guān)學(xué)者提供借鑒。

關(guān)鍵詞：船舶管理系統(tǒng)；彈性支撐；位置優(yōu)化設(shè)計

在戰(zhàn)爭中，船舶經(jīng)常會受沖擊作用造成內(nèi)部部件損壞，進而產(chǎn)生嚴(yán)重的故障問題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，加強了船舶管路系統(tǒng)的研究力度，主要利用隨機輸入對彈性支撐參數(shù)及位置等進行了分析，但沒有對沖擊荷載及位置優(yōu)化等進行分析。本次主要采用直梁模擬船舶管路系統(tǒng)，并利用模型計算、控制等一系列操作，對不同位置的彈性支撐進行了驗算，可以得到各種動態(tài)響應(yīng)參數(shù)，確定了彈性支撐位置。

一、構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

本次主要對船舶彈性支撐管路系統(tǒng)進行研究，結(jié)合彈性支撐情況，將管路系統(tǒng)中的一部分作為了直梁模型。通?？梢詫⒐苈废到y(tǒng)劃分為兩個階段進行分析：第一階段，受沖擊荷載影響，系統(tǒng)可得到初始速度。但是此階段沖擊荷載作用的實踐較短，產(chǎn)生的沖擊較大，所以可忽略不計。第二階段是沖擊后階段，該階段中獲得的沖擊初始速度，在周期與隨機作用下會發(fā)生強迫運動，產(chǎn)生的振動強度較大。

本次分析中將其運動分為三步，第一，運動方程：

其中ρ表示航渡，E表示拉壓彈性模量，I表示斷

面關(guān)心矩，x表示激振位移，y（x，t） v表示梁撓度， 為激振位移，Cm為粘性系數(shù)，lci表示彈性支撐位置。

第二，沖擊運動方程。船舶受到較大沖擊力之后，可以將運動時間曲線表示成：

其中參量V表示衡量攻擊強

度的速度；T1表示沖擊運動非振蕩與風(fēng)量衰減時間，一般隨著船舶運動、類型等情況變化；時間T2為主震蕩衰減時間；時間T3為主震運動分量周期，隨著船位置變化變化，t表示沖擊所耗費的時間。

第三，沖擊完成后進行的運動方程：

，其中， 是標(biāo)準(zhǔn)白噪聲。

對系統(tǒng)沖擊后實施控制時，必須從四種情況進行分析：第一種，進行自由振動，d2=d3=0；第二隨機振動，d2=1，d3=0；第三，周期振動，d2=0，d3=1；第四一般情況，d2≠0，d3≠0。

二、探索最優(yōu)控制問題

（一）制定最優(yōu)控制方程

一般采用模態(tài)分析可以將運動方程表示為狀態(tài)方程，此時梁應(yīng)力就可以表示為：

，其中 。

（二）了解目標(biāo)函數(shù)

為了了解系統(tǒng)在沖擊后的振動控制，本次研究中主要將其分為四種不同狀態(tài)下，分被是自由振動、純隨機輸入、純周期輸入與一般情況四種情況。

（三）控制方程的解

將運動過程進行模態(tài)分析后，將其表示為 ，其中 為振向量矩陣，q=[q1，q2，q3…qN]T。

第一，如果不計沖擊狀態(tài)影響，可得到?jīng)_擊階段運動解為

，位移與速度為qi0=qi0（t）、qi0=qi0（t）。位移與速度均為初始位移速度。第二沖擊后階段。沖擊后主要分為兩部分求解，一種為連續(xù)梁所讀初始速度是自由振動在隨機輸入與周期輸入下所進行的強迫運動，一般從自動振動、純隨機輸入與純周期輸入等三方面進行計算。

三、實例分析

本次將系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為E=2×1011Pa，Cin=2×108NS/m2，l=10m，Z Zb=5×10-6m3，I=5.1×10-7m4，ρ=8.34kg/m。進行管路系統(tǒng)彈性支撐布置時，必須要對各種運輸情況進行分析，在不同輸入下設(shè)置1、2、3個彈性支承，采用對稱方法設(shè)置。上述均為梁沖擊后在不同情況下所產(chǎn)生的彈性支承位置減振變化，圖中橫坐標(biāo)是lc/l0，縱坐標(biāo)是σ/σ0。l0表示梁長；c為彈性支撐位置；當(dāng)設(shè)置1到2個彈性支撐時，σ0是系統(tǒng)不加載彈性支撐時承受荷載下的平均彎曲應(yīng)力，當(dāng)布置知三個彈性支撐時，σ0只表示加一個彈性支撐所受荷載的平均彎曲應(yīng)力；σ表示加載彈性支撐系統(tǒng)后，在荷載作用下所產(chǎn)生的平均彎曲應(yīng)力。

第一，分析自動振動情況。如上圖1所示，當(dāng)布置一個彈性支撐時，形成的最佳位置恰好在管路終端；布置兩個彈性支撐時，恰好在0.33l0和0.67l0位置；布置三個彈性支撐時，最優(yōu)位置在0.25l0、0.50l和0.75l0三個位置。

第二，隨機振動情況。從圖2可知，對于彈性支撐的最優(yōu)位置，一般布置一個彈性支撐時，恰好在管路中點；布置兩個時恰好在0.35l0、0.65l0；布置三個彈性支撐時，最佳位置是0.27l0、0.50l0和0.73l0。

第三，了解周期運行情況。從圖3可知，一個彈性支撐時，最佳位置恰好在管路中點；布置兩個彈性支撐時恰好位于0.37l0、0.63l0；布置三個是最佳位置是0.00l0、0.50l0和1.00l0。

第四，分析隨機與周期聯(lián)合運行狀況。圖4展示了周期輸入及書記輸入情況下彈性支撐位置變化的減振圖，在此種操作中充分考慮了兩種不同參數(shù)的位置變化。布置一個彈性支撐時，恰好為管路中點；布置兩個時，最佳位置是0.37l0，0.63l0與0.39l0，0.61l0；布置三個彈性支撐時，最佳位置是0.00l0，0.50l0，1.00l0與0.33l0，0.50l0與0.67l0。

四、結(jié)果分析

結(jié)合上述分型與計算結(jié)果等分析可知，第一，彈性支撐位置影響著減振效果，圖中所表示的最小值為彈性支撐最佳位置；第二，但彈性支撐參數(shù)相同時，彈性支撐位置的合理布置不僅影響系統(tǒng)振動及隨機振動，而且減振效果較好，但對系統(tǒng)周期減振效果影響較大；第三，使用不同參數(shù)彈性支撐，所得的最優(yōu)位置也會發(fā)生很大變化。第四，同一個系統(tǒng)中，一旦談彈性參數(shù)給定，就必須對彈性支撐個數(shù)進行選擇。從圖例可知，隨著彈性支撐數(shù)量的增加，不一定可得到較好的彈性支撐減振效果。以上結(jié)論在管路系統(tǒng)設(shè)計彈性支撐時，具有較大作用，可以及時進行考慮分析。

結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，爆炸量與沖擊持續(xù)時間不斷延長，危害性也不斷增加，造成了嚴(yán)重的設(shè)備損害問題。經(jīng)過分析可知，設(shè)備沖擊隔離與抗沖擊能力影響著船舶的使用壽命。因此本次利用構(gòu)建模型方式系統(tǒng)全面的分析了彈性支撐沖擊下位置優(yōu)化設(shè)計問題，得到的實際應(yīng)用效果較理想。在今后分析中，還要從數(shù)據(jù)計算精確性、計算方法等進行探究，選擇一種高效、便利的方式保證船舶安全，減少不良損害。

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