一种船舶轴系轴承位移调整的计算方法

摘要

一种船舶轴系轴承位移调整的计算方法，属于船舶推进系统技术领域。该计算方法针对实际施工现场调整尾管后轴承负荷的单一施工需要，建立了基于二次规划建立了的一种以“尾管后轴承负荷最小”及“轴承位移调整量最小”，同时为优化目标的轴承位移调整优化方法。针对实际施工现场调整多个轴承负荷的需要，以轴承变位后的负荷与期望负荷差的绝对值最小作为优化目标。这种船舶轴系轴承位移调整的计算方法优化目标明确，优化约束条件符合实际施工需要，运算简便且易实现，解决了轴系调整时轴承位移难以制定的问题，提高了轴系校中效率。

主权项

一种船舶轴系轴承位移调整的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：计算考虑轴承刚度的轴承负荷影响数1)将推进轴系简化为多点支撑的一维连续梁系统，并且承受垂向集中载荷、均布载荷和弯矩的作用；2)基于顶举法计算轴承刚度通过测量安放在被测轴承附近的液压千斤顶的负荷并依据顶举系数来确定被测轴承的负荷；确定被测轴承负荷后，再结合轴承在载荷作用下的压缩量得到轴承刚度K_i，式子表示如下：$K_i=\frac{R_i}{H_i}$式中：R_i为被测轴承负荷；H_i为被测轴承压缩量；其中，被测轴承负荷被测轴承压缩量因而，轴承刚度K_i即为式中：c为顶举系数，从轴系校中计算书中获得；负荷Q、P及位移ΔY_j由顶举曲线获得；3)基于有限元法计算考虑轴承刚度的轴承负荷影响数式中：R_i,0表示轴承位移调整前的第i个轴承的负荷值；ΔY_j表示第j个轴承位移调整量；R_i,j表示第j个轴承对第i个轴承的负荷影响数；即为负荷影响数；通过ANSYS有限元软件，建立轴系一维模型，将轴承等效为线性弹簧，进行网格划分、约束和载荷施加，最后进行求解计算和轴承负荷数据的提取；通过改变模型中位移约束，计算求得轴承依次变位1个单位后的各轴承负荷，最后减去各轴承未变位前的负荷即求得考虑轴承刚度的轴承负荷影响数；第二步：定义优化目标函数1)定义基于二次规划的优化目标函数建立基于二次规划的以尾管后轴承负荷及轴承位移调整量同时最小为优化目标的目标函数，如下所示：$min{Y}^{T}HY+{\mathrm{tR}}_n^{T}Y$式中：Y＝(ΔY₁,…,ΔY_j,…,ΔY_n)；H＝diag_n×n(10^κ,…,10^κ,…,10^κ)，κ及t为影响因子，其目的调整位移和负荷在优化目标中的比重；R_n＝(R_n,1,…,R_n,j,…,R_n,n)^T，下标n代指尾管后轴承；2)定义基于带有绝对值号的特殊非线性规划的优化目标函数建立针对多个轴承的负荷优化函数：$min\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{w}_i|R_i-R_{iL}+\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{R}_{i,j}{\mathrm{\Delta Y}}_j|$式中：且R_iL为轴承期望负荷；第三步：定义优化限制条件1)定义轴承变位后的负荷约束轴承变位后的负荷约束为：R_iMin≤R′_i≤R_iMax式中：R′_i为轴承变位后的负荷；R_iMin一般取轴系校中计算书给定值的80％；R_iMax一般取轴系校中计算书给定值的120％；上述式子用轴承变位前的测量负荷和负荷变化量表示为：$R_{iMin}\le R_i+\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{R}_{i,j}{\mathrm{\Delta Y}}_j\le R_{iMax}$2)定义主机轴承位移约束在对主机轴承进行调整时，需要增加相应等式约束：[1‑(l_t‑l_m)/(l₁‑l_m)]ΔY_m‑ΔY_t+(l_t‑l_m)/(l₁‑l_m)ΔY₁＝0对上式作如下说明：假定尾轴末端为位置起点，从船艏向船尾依次对轴承编号，t＝1～m，m代表主机轴承数量，l_t表示第t个主机轴承沿轴向的位置；3)定义不进行调整的轴承位移约束不进行调整的轴承位移约束：ΔY_i＝04)定义进行调整的轴承位移约束轴承位移不超过调整范围，故增加如下位移约束：ΔY_iMin≤ΔY_i≤ΔY_iMax式中：ΔY_iMin、ΔY_iMax的取值根据现场施工人员的需要设定；第四步：基于非线性优化算法求解各轴承的位移调整量利用Matlab优化工具箱中处理有约束优化问题的函数进行轴承位移调整量的非线性优化计算；在应用求解函数之前首先将轴承位移调整优化问题转化为标准求解形式；基于二次规划的轴承位移调整优化算法标准求解形式：$min{Y}^{T}HY+{\mathrm{tR}}_n^{T}Y$$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{R}_{i,j}{\mathrm{\Delta Y}}_j\le R_{iMax}-R_i\\ & -\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{R}_{i,j}{\mathrm{\Delta Y}}_j\le R_i-R_{iMin}\end{array}$[1‑(l_t‑l_m)/(l₁‑l_m)]ΔY_m‑ΔY_t+(l_t‑l_m)/(l₁‑l_m)ΔY₁＝0ΔY_i＝0ΔY_iMin≤ΔY_i≤ΔY_iMax基于带有绝对值号的特殊非线性规划的轴承位移调整优化算法标准求解形式：$\begin{array}{cc}min& \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{w}_i|R_i-R_{iL}+\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{R}_{i,j}{\mathrm{\Delta Y}}_j|\end{array}$s.t.同上述基于二次规划的轴承位移调整优化算法的优化限制条件；二次规划的求解算法，对于轴承位移优化调整问题的求解选用动态序列法或序列二次规划法；在利用Matlab具体求解二次规划问题时，采用函数Quadprog，求解带有绝对值号的特殊非线性规划问题时，应用函数Fmincon。