大型船舶推进系统与船体耦合动力学分析的研究和探索

[摘 要]根据我国船舶推进系统-船体耦合动力学的研究现状，本文着重评估并分析了大型船舶推进系统的状态不确定性、波浪-推进系统动力学耦合理论，船体―推进系统动力学耦合理论，并浅析了实验室和实海环境环境下大型船舶的航行性能。

[关键词]大型船舶； 船体变形； 推进系统； 耦合动力学

中图分类号：U661.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0146-01

现阶段，我国大型船舶的发展趋势对大型船舶的航行性能提出了较高的要求，船舶推进系统-船体耦合动力学作为这项研究的理论基础，被用以研究大型船舶的多参数耦合动力、大尺度效应，以及在不同航行环境下状态的不确定性。本文就此展开了简要的分析，对于这个课题的发展方向和面临的挑战也进行了一度程度的探索。

一、研究本课题的重要性

随着我国大型船舶和超大型船舶的发展，出现了许多因为船体变形而引发的主机曲轴断裂、尾轴变形、轴系振动剧烈、密封破坏所造成的惨烈事故。这些事故的发生率较高，造成的结果十分严重。船体变形有可能致使加速轴系联结法兰螺栓断裂，推进系统失效，船舶无法正常操纵；船体变形还会引发轴系失中，前尾轴承与前密封失效、后尾轴承烧熔的情况有时在试航几个小时后就被发现；后尾轴承发生损坏的几率也在大型船舶运行六个多月的时候出现。

这些故障看似很小，但如果处理不善，容易引发灭顶之灾。这是因为大型化船舶的推进系统与船体之间耦合作用越来越突出所造成的，且因为航行环境中风浪、水流的变化无法预测，致使大型船舶的推进系统的性能在海洋环境下呈现出不确定性的特点。因此，船舶推进系统-船体耦合动力学理论，模拟实验与实船航行环境中船舶航行性能的一致性也都是重点研究方向。

二、我国的研究现状和面临的挑战

现阶段，我国的船体设计、制造体系与推进系统设计、制造体系时自成一体的，设计师在设计船体时没有将推进系统纳入考虑，因此有关船舶推进系统-船体耦合动力作用的研究成果较少，还没有构成系统的理论。但大型船舶的发展要求我们尽快构建推进系统-船体耦合动力理论体系，对耦合形成机理进行研究，且要面临如下挑战：

第一，在大尺度效应下研究船舶推进系统的不确定性，以及工作性能；

第二，在不同的海洋环境下，研究船体变形对船舶航行性能的影响，以及船舶推进装置与船体间的耦合作用。

第三，在实验室船体实验的基础上，研究实验室模拟实验与实船航行环境中船舶航行性能的一致性。

三、概述大型船舶推进系统的不确定性研究现状

不确定性研究依据的研究方法有随机模型、模糊模型和区间分析模型。尽管国际上对于对大型船舶推进系统的不确定性的研究已经有很多年，但依然无法提出系统的、完整的、可靠的分析方法，只能使用不同的分析方法分析不同的对象。

具体的分析参数和结果需要依靠不同的模型结构、模型细节、模型推理与系统模型输入变量来体现。通过不同模型之间的输入变化能够评估其建模假设的不确定性。但一般情况下，研究人员会在建模过程中简化模型从而达到减少计算量的目的，致使评估模型细节的不确定性难度加大。在研究模型的某个具体工作情况时可采用模型推理的方法，能获得比较好的仿真结果，但当模型进入到界外区域时其不确定性尚待研究。

建立模型时，对于材料的变刚度、变阻尼参数，尺寸变化，力学参数的不确定还需要深入研究，目前的研究结果很少。对于系统模型输入变量，也就是随机性外界干扰下的子系统不确定性的研究也很少，需要研究人员采集可靠数据，尤其是要提高实船数据测量的准确性和可靠度。船舶航行的真实性数据目前很难收集到位，关于测量的不确定性也应当加大研究力度。

四、波浪-船体变形耦合作用的研究难点

波浪-船体变形耦合作用的研究目的是为了提高对由波浪引起的船体变形进行预报，现阶段国内外对此的研究主要集中在理论分析、试验监测和数值仿真这三个方面。理论分析主要从船舶水弹性力入手，分析流固耦合角度、海洋结构惯性力，对于变形内力和其界面上的水动力间的作用也有所研究。对于大型船舶在规则波与随机波环境下的变形参数，因为所使用的数学测算方法不同，其预报研究也较难实现，需要更好构建更好的测算体系与预报功能。大型船舶又因为其相对刚性较大的推进轴系，以及高弹性的船体，两者在不同波浪中的耦合作用呈现出不同的不确定性系数。可见，要预报船体变形存在着参数复杂、测算体系不健全、时域分析有效性不高的问题。利用时域分析对船体的波浪载荷进行预报，构建波浪载荷空间场与时间场，是目前这个项目研究的难点。

五、推进系统-船体变形耦合作用研究现状

国内对于这个项目的研究也有了一些基础性的成果，但在大型船舶动力装置-船体变形耦合作用研究方面缺乏建模理论和实验验证，仿真数据也采集不到位。

例如，武汉理工大学较自行研发出轴系校中计算软件，但无法构建系统性的软件考虑推进系统-船体变形耦合影响。在海洋环境下，比较可靠的方法是确保推进轴系具有较高的校中质量，才能提高大型船舶的航行性能。目前存在研究问题是，在计算轴系的校中系数时，没有考虑到轴承支承处的变形，且以此作为轴系施工的重要依据。在这个项目研究上，国外设计的6 艘LNG 船舶也依然存在轴系严重振动、中间轴轴承损坏严重和尾管轴承损伤的情况。在此现状下，开发自适应轴系校中系统成为了大势所趋。

六、实验室模拟实验与实船航行环境下船舶航行性能的一致性研究

实船试验因为耗资巨大、危险性大、破坏性强很难实现预期实验效果。为此，近些年研究人员致力于采用模型试验法研究船型与其水动力，这种方法便于实施，安全性高，但缺点是水池试验无法模拟出比较真实的海浪，也就在测试结果上存在不少偏差，降低了实验室船模试验的真实度和数据的可靠度，对于两者测量结果间的一致性也亟待研究解决。如何优化实验室模拟实验的可靠性和真实性，把握实验室与实船测试间的主要差异，是目前研究人员需要研究的重要问题。

结束语

复杂的海洋环境给大型船舶的推进系统-船体耦合动力学分析和研究带来了极大的困难，尚且缺乏行之有效的分析方法和优化手段。因此，健全大型船舶的推进系统-船体耦合动力学理论体系，从实验中寻找解决方案，对于提高大型船舶推进系统的安全性、可靠性意义重大。

参考文献

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