基于有限元方法的船舶推進(jìn)軸系碰撞損傷研究

王少華 董良雄 楊意 陳天然

【摘 要】 為探究船舶因碰撞而對(duì)船舶推進(jìn)軸系運(yùn)動(dòng)特性所造成的影響，利用有限元方法對(duì)碰撞后的船舶推進(jìn)軸系運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值仿真，分析船舶發(fā)生碰撞時(shí)沖擊力對(duì)軸系支撐的損傷，研究碰撞損傷后的軸系安全轉(zhuǎn)速范圍。結(jié)果表明：船舶在碰撞過程中所受的沖擊力能夠引起船舶軸系運(yùn)動(dòng)特性的改變，且沖擊力過大會(huì)造成船舶軸系的損傷甚至斷裂；船舶若須繼續(xù)航行則應(yīng)控制在合理航速范圍內(nèi)，避免因沖擊力而對(duì)船舶軸系造成二次損傷。

【關(guān)鍵詞】 船舶損傷；軸系損傷；穩(wěn)定性；沖擊力

0 引 言

船舶碰撞事故在航海事故中占據(jù)較大比例，且一旦發(fā)生碰撞，就會(huì)對(duì)船舶的各組成部分造成損傷，尤其是對(duì)船舶的推進(jìn)系統(tǒng)損傷更甚。推進(jìn)系統(tǒng)是船舶重要的組成部分，其損傷大多數(shù)是由船舶碰撞時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊力造成的。姜興家等[1]研究了船舶碰撞位置和撞擊初速度對(duì)船舶碰撞損傷的影響；張懷躍[2]基于有限元方法對(duì)船舶碰撞時(shí)的沖擊力進(jìn)行分析。以上研究都未涉及船舶發(fā)生碰撞軸系受到?jīng)_擊力后其安全轉(zhuǎn)速的研究，因此探究船舶發(fā)生碰撞時(shí)的沖擊力不僅可以對(duì)碰撞后軸系運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，還可以基于碰撞后的軸系運(yùn)動(dòng)狀態(tài)確定船舶合理的安全航速范圍。

1 建立模型

船舶在發(fā)生撞擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的沖擊力，并會(huì)將此傳遞給正在高速旋轉(zhuǎn)的軸系，造成軸系損傷。分析船舶軸系受到的瞬時(shí)沖擊力不僅有利于軸系受損的研究，而且還有利于相應(yīng)的船舶軸系保護(hù)措施的研究。因此，本文以46 m鋁合金多功能高速工作船為主要研究對(duì)象，通過ANSYS軟件仿真其軸系，見圖1。

船舶碰撞研究會(huì)運(yùn)用到多種數(shù)學(xué)模型如基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)方程、能量守恒、質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒等，本文主要以研究軸系運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方程為主。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為

2 碰撞船舶的軸系穩(wěn)定性

船舶在碰撞過程中會(huì)對(duì)船體造成結(jié)構(gòu)損傷，從而影響其總體結(jié)構(gòu)剛度，而總體結(jié)構(gòu)剛度的變化又會(huì)對(duì)船舶推進(jìn)軸系的支撐剛度造成影響，進(jìn)而影響推進(jìn)軸系。

支撐剛度與臨界轉(zhuǎn)速關(guān)系見圖2。結(jié)果表明：船舶的損傷會(huì)影響軸系運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，從而造成軸系的臨界轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，但當(dāng)軸系的支撐剛度增加到1 000 kN/mm時(shí)，軸系的臨界轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在317.6 r/min，說明此時(shí)的軸系支撐已為剛性支撐，因此在船舶設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加強(qiáng)軸系的支撐剛度。

3 損傷軸系在沖擊力荷載下的力傳遞

船舶在發(fā)生碰撞時(shí)，其運(yùn)行狀態(tài)會(huì)受到撞擊船速的影響。基于侯建[3]的全船有限元強(qiáng)度分析及船舶碰撞仿真，在被撞船吸收撞擊船的動(dòng)能中有91.6%轉(zhuǎn)化為船舶的塑性形變，其余部分轉(zhuǎn)化為船舶的沖擊力作用在船體縱骨，進(jìn)而傳遞到船舶的推進(jìn)軸系上，本文在0.005 s內(nèi)將 N的沖擊力附加在船舶的軸系上，以用于研究碰撞船舶的力傳遞對(duì)軸系的影響。時(shí)間與荷載關(guān)系見圖3，在正常和損傷情況下軸系螺旋槳處的振幅見圖4。

船舶軸系處于外力的沖擊狀態(tài)下，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)隨損傷狀況的變化而發(fā)生改變。正常運(yùn)轉(zhuǎn)的軸系螺旋槳的運(yùn)動(dòng)振幅應(yīng)為正弦曲線，但當(dāng)運(yùn)行中的軸系受到?jīng)_擊力后，其振幅仍為正弦曲線，局部會(huì)有變化，因此可以利用此特性分析船舶碰撞后軸系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

結(jié)果表明：

（1）當(dāng)運(yùn)行中的軸系受到?jīng)_擊力時(shí)，其振幅變化會(huì)比正常運(yùn)行時(shí)更加復(fù)雜，如受到?jīng)_擊力后的0.01 s中損傷軸系運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)10個(gè)波峰，而正常軸系會(huì)出現(xiàn)4個(gè)波峰。

（2）當(dāng)運(yùn)行中的軸系受到?jīng)_擊力時(shí)，其回到正常運(yùn)動(dòng)的時(shí)間將會(huì)比損傷后的提前，如正常軸系在受到?jīng)_擊力后0.023 s時(shí)到達(dá)最大振幅，但受損軸系會(huì)在0.024 s時(shí)到達(dá)最大振幅。

4 結(jié) 語

（1）船舶在碰撞的過程中，其軸系的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性會(huì)隨著軸系損傷程度的變化而變化，但當(dāng)軸系的剛度到達(dá)一定程度后，支撐轉(zhuǎn)變?yōu)閯傂灾危S系穩(wěn)定性變化較小。

（2）船舶在碰撞過程中，軸系的運(yùn)動(dòng)會(huì)因碰撞時(shí)船體所吸收的沖擊力而發(fā)生改變，且隨著支撐剛度的變化而造成不同影響，支撐剛度越大，沖擊力對(duì)軸系影響越小，因此應(yīng)當(dāng)在船舶設(shè)計(jì)中注意船舶支撐剛度的選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姜興家，張鵬，吳文鋒.撞擊位置和初速度對(duì)被撞船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)的影響[J].中國航海，2012（2）：76-80.

[2] 張懷躍.雙殼油船碰撞損傷機(jī)理分析及圖譜繪制[D].舟山：浙江海洋大學(xué)，2016.

[3] 侯建.全船有限元強(qiáng)度分析及船舶碰撞仿真[D].大連：大連理工大學(xué)，2012.