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。

权利要求

1.一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Ki，式子表示如下：式中：Ri为被测轴承负荷；Hi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Ki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ΔYj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：Ri,0表示轴承位移调整前的第i个轴承的负荷值；ΔYj表示第j个轴承位移调整量；

Ri,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：式中：Y＝(ΔY1,…,ΔYj,…,ΔYn)T；H＝diagn×n(10κ,…,10κ,…,10κ)，κ及t为影响因T子，其目的调整位移和负荷在优化目标中的比重；Rn＝(Rn,1,…,Rn,j,…,Rn,n) ，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：式中： 且 RiL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：

RiMin≤R′i≤RiMax

式中：R′i为轴承变位后的负荷；RiMin取轴系校中计算书给定值的80％；RiMax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：

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-(lt-lm)/(l1-lm)]ΔYm-ΔYt+(lt-lm)/(l1-lm)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，lt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：ΔYi＝0

4)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：ΔYiMin≤ΔYi≤ΔYiMax式中：ΔYiMin、ΔYiMax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：[1-(lt-lm)/(l1-lm)]ΔYm-ΔYt+(lt-lm)/(l1-lm)ΔY1＝0ΔYi＝0

ΔYiMin≤ΔYi≤ΔYiMax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：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。

说明书

一种船舶轴系轴承位移调整的计算方法

技术领域

[0001] 本发明涉及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。

背景技术

[0002] 随着货运船舶的日益大型化，船舶推进轴系校中变得愈发困难，轴系校中不良导致轴承高温，引发烧瓦现象，严重者造成船舶停运，带来巨大的经济损失。目前，国内外船厂很难一次安装轴系即实现轴承负荷的合理分配，通常还需调整轴承位移使得各轴承负荷满足轴系校中的要求。在制定轴承位移调整方案时，一般做法是基于现场施工人员的工作经验对轴承进行调整，这种做法带有很大盲目性且对施工人员的素质要求较高。

[0003] 针对轴系校中过程中轴承位移调整量的制定方法，很多学者往往以尾管后轴承负荷最小作为优化目标，这种以尾管后轴承负荷最小为导向的优化方法并不符合实际的施工需要，同时在建立轴承位移调整优化算法所依据的轴承负荷影响并没有考虑轴承刚度的影响，在约束条件设定时也没有将主机轴承视为整体，不符合实际施工工艺。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种船舶轴系轴承位移调整的计算方法，以期获得符合实际施工工艺的轴承位移调整量，指导船舶轴系校中轴承负荷的调整。

[0005] 本发明采用的技术方案是：一种船舶轴系轴承位移调整的计算方法，包括以下步骤：

[0006] 第一步：计算考虑轴承刚度的轴承负荷影响数

[0007] 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；

[0008] 2)基于顶举法计算轴承刚度

[0009] 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Ki，式子表示如下：

[0010]

[0011] 式中：Ri为被测轴承负荷；Hi为被测轴承压缩量；

[0012] 其中，被测轴承负荷

[0013] 被测轴承压缩量

[0014] 因而，轴承刚度Ki即为

[0015] 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ΔYj由顶举曲线获得；

[0016] 3)基于有限元法计算考虑轴承刚度的轴承负荷影响数

[0017]

[0018] 式中：Ri,0表示轴承位移调整前的第i个轴承的负荷值；ΔYj表示第j个轴承位移调整量；Ri,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；

[0019] 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；

[0020] 第二步：定义优化目标函数

[0021] 1)定义基于二次规划的优化目标函数

[0022] 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：

[0023]

[0024] 式中：Y＝(ΔY1,…,ΔYj,…,ΔYn)T；H＝diagn×n(10κ,…,10κ,…,10κ)，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；Rn＝(Rn,1,…,Rn,j,…,Rn,n)T，下标n代指尾管后轴承；

[0025] 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

[0026] 建立针对多个轴承的负荷优化函数：

[0027]

[0028] 式中： 且 RiL为轴承期望负荷；

[0029] 第三步：定义优化限制条件

[0030] 1)定义轴承变位后的负荷约束

[0031] 轴承变位后的负荷约束为：

[0032] RiMin≤R′i≤RiMax

[0033] 式中：R′i为轴承变位后的负荷；RiMin一般取轴系校中计算书给定值的80％；RiMax一般取轴系校中计算书给定值的120％；

[0034] 上述式子用轴承变位前的测量负荷和负荷变化量表示为：

[0035]

[0036] 2)定义主机轴承位移约束

[0037] 在对主机轴承进行调整时，需要增加相应等式约束：

[0038] [1-(lt-lm)/(l1-lm)]ΔYm-ΔYt+(lt-lm)/(l1-lm)ΔY1＝0

[0039] 对上式作如下说明：

[0040] 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，lt表示第t个主机轴承沿轴向的位置；

[0041] 3)定义不进行调整的轴承位移约束

[0042] 不进行调整的轴承位移约束：ΔYi＝0

[0043] 4)定义进行调整的轴承位移约束

[0044] 轴承位移不超过调整范围，故增加如下位移约束：

[0045] ΔYiMin≤ΔYi≤ΔYiMax

[0046] 式中：ΔYiMin、ΔYiMax的取值根据现场施工人员的需要设定；

[0047] 第四步：基于非线性优化算法求解各轴承的位移调整量

[0048] 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；

[0049] 基于二次规划的轴承位移调整优化算法标准求解形式：

[0050]

[0051]

[0052]

[0053] [1-(lt-lm)/(l1-lm)]ΔYm-ΔYt+(lt-lm)/(l1-lm)ΔY1＝0

[0054] ΔYi＝0

[0055] ΔYiMin≤ΔYi≤ΔYiMax

[0056] 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：

[0057]

[0058] 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；

[0059] 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；

[0060] 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。

[0061] 本发明的有益效果是：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。

附图说明

[0062] 附图用来提供对本发明的更好理解，不是为了限制本发明的范围。

[0063] 图1为顶举曲线示意图。

[0064] 图2为本发明方法的计算流程图。

具体实施方式

[0065] 船舶轴系轴承位移调整的计算方法，包括以下步骤：

[0066] a、计算考虑了轴承刚度的轴承负荷影响数；

[0067] b、定义优化目标函数；

[0068] c、定义优化限制条件；

[0069] d、基于非线性优化算法求解各轴承的位移调整量；

[0070] 所述的步骤a中，计算考虑了轴承刚度的轴承负荷影响数包括以下步骤：

[0071] 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；

[0072] 2.基于顶举法推导的轴承刚度计算公式计算轴承刚度；

[0073] 3.通过有限元法计算考虑轴承刚度的轴承负荷影响数；

[0074] 所述的步骤b中，定义优化目标函数包括以下步骤：

[0075] 1.基于二次规划优化方法，建立了以尾管后轴承负荷和轴承位移调整量同时最小为优化目标的优化目标函数，其中负荷与位移调整量的各自优化比重，通过影响因子调节；

[0076] 2.基于带有绝对值号的特殊非线性优化方法，建立了以调后轴承负荷与期望负荷相差最小为优化目标的优化目标函数，其中各轴承负荷的优化比重，通过权重比调节；

[0077] 所述的步骤c中，定义优化限制条件包括以下步骤：

[0078] 1.定义轴承变位后的负荷约束；

[0079] 2.定义主机轴承位移约束；

[0080] 3.定义不进行调整的轴承(不包括主机轴承)位移约束；

[0081] 4.定义进行调整的轴承位移约束。

[0082] 上述船舶轴系轴承位移调整的计算方法的具体步骤如下：

[0083] 第一步：计算考虑了轴承刚度的轴承负荷影响数

[0084] 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。

[0085] 2)基于顶举法计算轴承刚度

[0086] 顶举法是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即可得到轴承刚度Ki，式子表示如下：

[0087]

[0088] 式中：Ri为被测轴承负荷；Hi为被测轴承压缩量；

[0089] 其中，被测轴承负荷

[0090] 被测轴承压缩量

[0091] 因而，轴承刚度Ki即为

[0092] 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ΔYj由顶举曲线获得，参照图1。

[0093] 3)基于有限元法计算考虑轴承刚度的轴承负荷影响数

[0094]

[0095] 式中：Ri,0表示轴承位移调整前的第i个轴承的负荷值；ΔYj表示第j个轴承位移调整量；Ri,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；

[0096] 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，具体计算流程如图2。通过改变模型中位移约束，能够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可求得考虑轴承刚度的轴承负荷影响数。

[0097] 第二步：定义优化目标函数

[0098] 1)定义基于二次规划的优化目标函数

[0099] 在实际测量船舶推进轴系负荷时，有时会出现尾管后轴承负荷过大的情况，由于尾管后轴承受力情况复杂，容易受损，属于重点关注对象，又考虑到实际调整轴承位移时，调整量不易过大，因而建立了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：

[0100]

[0101] 式中：Y＝(ΔY1,…,ΔYj,…,ΔYn)T；H＝diagn×n(10κ,…,10κ,…,10κ)，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；Rn＝(Rn,1,…,Rn,j,…,Rn,n)T，下标n代指尾管后轴承；

[0102] 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

[0103] 上述建立的基于二次规划的轴承位移调整优化目标函数，仅仅是针对尾管后轴承进行的单个轴承的负荷优化，而现场情况多数是同时多个轴承负荷均不满足轴系校中要求，为此建立了针对多个轴承的负荷优化函数：

[0104]

[0105] 式中： 且 RiL为轴承期望负荷(轴系校中计算书给出的理论值)。

[0106] 第三步：定义优化限制条件

[0107] 1)定义轴承变位后的负荷约束

[0108] 当轴系安装后，轴承负荷不满足轴系校中计算书要求时，对轴承进行位移调整，调整后的轴承负荷需要处在一定范围之内，即轴承变位后的负荷约束为：

[0109] RiMin≤Ri′≤RiMax

[0110] 式中：Ri′为轴承变位后的负荷；RiMin一般取轴系校中计算书给定值的80％；RiMax一般取轴系校中计算书给定值的120％(RiMin和RiMax的取值也可根据现场施工人员的需要设定)。

[0111] 上述式子用轴承变位前的测量负荷和负荷变化量表示为：

[0112]

[0113] 2)定义主机轴承位移约束

[0114] 由于主机轴承依附在主机基座上，在对主机轴承进行调整时，往往是所有主机轴承作为整体结构进行上下移动，故需要增加相应等式约束：

[0115] [1-(lt-lm)/(l1-lm)]ΔYm-ΔYt+(lt-lm)/(l1-lm)ΔY1＝0

[0116] 对上式作如下说明：

[0117] 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，lt表示第t个主机轴承沿轴向的位置；

[0118] 3)定义不进行调整的轴承(不包括主机轴承)位移约束

[0119] 考虑到现场工艺的需要，并非对所有轴承都进行位移调整，比如尾管轴承由于结构限制不能进行位移调整，因而增加相应等式约束：

[0120] ΔYi＝0

[0121] 4)定义进行调整的轴承位移约束

[0122] 考虑实际工况，轴承位移不能超过一定调整范围，故增加如下位移约束：

[0123] ΔYiMin≤ΔYi≤ΔYiMax

[0124] 式中：ΔYiMin、ΔYiMax的取值根据现场施工人员的需要设定；

[0125] 第四步：基于非线性优化算法求解各轴承的位移调整量

[0126] 利用Matlab(OptimizationToolbox)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。

[0127] 基于二次规划的轴承位移调整优化算法标准求解形式：

[0128]

[0129]

[0130]

[0131] [1-(lt-lm)/(l1-lm)]ΔYm-ΔYt+(lt-lm)/(l1-lm)ΔY1＝0

[0132] ΔYi＝0

[0133] ΔYiMin≤ΔYi≤ΔYiMax

[0134] 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：

[0135]

[0136] 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；

[0137] 二次规划有成熟的求解算法，特别是当H矩阵正定或半正定时，二次规划问题为凸QP问题，它的任何局部最优解，也是全局最优解。它的一般求解算法包括：信赖域反射法(Trust-region-reflective)、动态序列法(Active-set)、内点法(Interior-point-convex)。

[0138] 对于带有绝对值号的特殊非线性规范问题的求解算法除了上述三种算法外还包含序列二次规划法(SequentialQuadraticProgramming)。

[0139] 信赖域反射法和内点法属于大型优化算法，而动态序列法和序列二次规划法属于中型优化算法。大型优化算法一般适用于只有上下界约束或线性等式约束的情况，而中型优化算法适用性较广，因而对于轴承位移优化调整问题的求解应该选用动态序列法或序列二次规划法。

[0140] 在利用Matlab具体求解二次规划问题时，可以采用函数Quadprog，求解带有绝对值号的特殊非线性规划问题时，可以应用函数Fmincon。