船体变形对轴系校中的影响与分析.doc

造 船 技术 Shipbuilding Technology 制作：大船重工科技部情报室? 日期：2005年11月10日? 来源：《上海造船》2005.2. 船体变形对轴系校中的影响与分析 摘要：根据某一型船在不同工况下的船体变形，分析了船体变形对轴系校中的影响，得出了一些有意义的结论。 1 概 述 目前，在进行船舶轴系的校中计算时，一般不考虑轴承支承处的变形，即在不考虑船体变形的情况下进行轴系的校中计算，并以校中计算的数据作为轴系施工的依据。然而，对于某些船型，轴系的轴向尺寸较大，轴承数目较多，船体变形会使轴系的各轴承处产生比较大的相对位移，影响轴系的反力分布。在这种情况下，考虑船体变形对轴系校中的影响是很有必要的。本文以某一船型为研究对象，分析船体变形对轴系校中的影响，取超载排水量和正常排水量两种工况进行计算与分析，每一排水量又分中拱和中垂两种情况。在计算过程中，首先进行常规的轴系校中计算，然后考虑船体变形，计算在计入船体变形的情况下轴系中的轴承反力，并作进一步讨论，以分析船体变形的影响趋势，以期对船舶设计与施工提供理论指导。 2 船体变形 船舶在航行时，会遇到不同的装载情况，如满载、半舱、压载、短时超载等，不同的装载情况会引起不同形式的船体变形。这些船体变形会使机舱部分各轴承支承处产生相对位移，即引起各轴承在垂直方向上的相对位置变化，从而引起轴系中各轴承反力的重新分布。轴系校中计算应当考虑这些变化情况。在考虑船体变形的情况下，合理校中计算所得到的轴承反力是否仍在允许的范围内需要重新核定。为此，考虑图1所示的实船轴系模型，轴系全长80.874m，共有11个轴承，轴承分布与轴系结构都比较复杂，因而需要认真考虑船体变形的影响。对这一实船，考虑超载和正常航行两种工况，每一种工况又分为中垂和中拱两种情况，共考虑四种船体变形。根据船体的有限元模型，可以确定船体的相应变形如表1所示。从表1可以看出，处于尾部的轴承l与靠近船体中部的轴承1、0、11相比，竖直方向上的位移有较大的差异，因而分析船体变形对轴系校中的影响是必要的。 图1 轴系校中模型 3 轴系的合理校中 表1 超载和正常排水量情况下的船体变形mm 船舶轴系除了应满足强度与刚度要求外，在安装阶段还要保证轴系处于合理的状态，以使轴段内的应力及轴承上的负荷均处于规定范围之内。目前，船舶界普遍采用合理校中技术进行轴系的校中计算。合理校中计算的实质就是通过改变轴系中各轴承在竖直方向上的相对位置，使轴系中心线在安装时呈现一定的曲线形状，以便合理分配轴系中各轴承的负荷，满足轴系的应力、转角以及其他一些要求，确保轴系的正常运转。 合理校中的计算过程一般是先将轴系进行直线布置，得到在此情况下轴系中各轴承的反力数值。在一般情况下，对上述船型的轴系进行直线布置很难满足规定的应力要求，需要在此基础上作进一步的计算。为此，先计算不同轴承处的反力影响系数，再根据一定的优化原则对轴系中各轴承的位置进行优化，以满足轴系的反力、转角、应力等的要求。轴系中第i个轴承的反力Ri应满足 优化过程一般采用线性优化或非线性优化的方法，在一定的反力限制情况下进行轴系的优化迭代计算。通过优化计算可以得到满足各种要求的轴系布置，经优化后，轴系中各轴承一般有不同的位置，轴系呈一定的曲线布置，这就是合理校中技术。目前，在船舶界已经普遍采用这一技术进行轴系的校中计算并将计算结果作为现场施工的依据。 对于前面所讨论的轴系，先将其直线布置，经分析可以发现直线布置的轴系无法满足使用要求，需要作进一步的计算与分析。然后，在直线校中的基础上计算轴系的反力影响系数。这一轴系的反力影响系数如表2所示。根据直线校中结果所得的反力影响系数，进行优化后可以得到合理校中状态下各轴承的位置，计入温度效应后可以得到轴系冷、热态情况下的轴承位置与反力。合理校中与直线布置时的轴承反力如表3所示。 表2 反力影响系数 N／mm 表3 轴系校中的轴承反力 kN 4 船体变形对轴系校中的影响 如前面所述，对于本文所考虑的船型，不同工况时的船体变形是不一样的，不同的船体变形引起不同的轴承反力变化。一般说来，主机和中间轴承的吊装以及尾轴的膛孔是在船台上进行的，下水后进行轴承位置的调整与法兰的连接，轴系校中的施工是在静水中完成的，因而可以近似地认为静水状态下的船体变形为零，其他工况时的船体变形对轴系校中的影响都是相对于静水变形而言的。 空船在静水状态，其船体变形是中拱的，其他工况下船体中拱和中垂变形对轴系反力的影响都是基于空船中拱变形基础之上的。基于这一原则，下面分别就上述船体在超载和正常排水量情况下的中拱和中垂变形对轴系反力的影响进行具体分析