時(shí)域瞬態(tài)計(jì)算有限元計(jì)算-歐普蘭

破冰船工作原理

破冰船的工作是用相同的物理現(xiàn)象做基礎(chǔ)的：露在水面上的那一部分船身，因?yàn)樗闹亓繘]有水的浮力作用把它抵消掉，所以仍舊有它原來的“陸上”重量。你不要以為破冰船在行駛的時(shí)候是用自己的船首部分的壓力不斷地切開冰的。破冰船不是這樣工作的，這樣工作的是切冰船，例如像在三十年代的“里特克”號。這種工作方法只能用來對付比較薄的冰。

破冰船

真正的海洋破冰船是用另外一種方法工作的。破冰船上的強(qiáng)大的機(jī)器在開動(dòng)的時(shí)候，能把自己的船首移到冰面上去，它的船首的水下部分就是因?yàn)檫@個(gè)緣故造得非常斜。船首出現(xiàn)在水面上的時(shí)候，就恢復(fù)了自己的全部重量，而這個(gè)極大的重量就能把冰壓碎。為了加強(qiáng)作用力，有時(shí)候在船首的貯水艙里，還要盛滿水“液體壓艙物”。

在冰塊的厚度不超過半米的時(shí)候，破冰船就是這樣工作的。遇到更厚的冰塊，就要用船的撞擊作用來制服它。這時(shí)候破冰船就向后退，然后用自己的全部質(zhì)量向冰塊猛撞上去。這時(shí)候起作用的已經(jīng)不是重量，而是運(yùn)動(dòng)著的輪船的動(dòng)能；船好象變成了一個(gè)速度不大但是質(zhì)量極大的，變成了一個(gè)撞錘。

船舶推進(jìn)軸系承擔(dān)著傳遞主機(jī)功率的作用，是

船舶的重要組成部分。在船舶修造過程中，各

大船廠因軸系校中不良，導(dǎo)致主機(jī)拐擋差超標(biāo)、尾管

后軸承高溫報(bào)警或振動(dòng)過大等問題。船舶軸系校中

質(zhì)量的優(yōu)劣受多種因素的影響，主要因素有：推進(jìn)軸

系的校中設(shè)計(jì)、軸系制造加工精度、軸系安裝精度

等。為避免后期出現(xiàn)軸系校中質(zhì)量問題，必須

進(jìn)行軸系校中計(jì)算。在進(jìn)行軸系校中計(jì)算時(shí)，需對

實(shí)際的軸系根據(jù)一定的原則，簡化為校中計(jì)算模型。

中間軸承、主軸承和尾管前軸承，一般都可以簡化成

單支點(diǎn)模型，且支撐點(diǎn)可以放在軸瓦的中心處。但

尾管后軸承因受螺旋槳懸臂作用，作用力中心后移，

且軸頸中心存在撓曲變形，時(shí)域瞬態(tài)計(jì)算水動(dòng)力載荷計(jì)算，其建模相對復(fù)雜，有多種

建模方法。

2018年，雪龍?zhí)栐趶谋睒O地區(qū)開展航行任務(wù)的返航途中，推進(jìn)系統(tǒng)軸承發(fā)生故障，我方受邀配合調(diào)查故障原因，主要故障現(xiàn)象是：軸承嚴(yán)重磨損，并伴有顯著的溫度升高。

（圖：雪龍?zhí)栞S承故障圖）

問題分析：

技術(shù)人員到船上實(shí)地查看軸承后同船上機(jī)組人員進(jìn)行了詳細(xì)交流。經(jīng)討論，對于當(dāng)前軸承故障，我方初步提出三條可能的故障原因：

（1）未知原因的軸承潤滑油泄露；

（2）極低風(fēng)暴條件下的螺旋槳極限載荷激勵(lì)影響；

（3）冰沖擊下的回旋振動(dòng)誘發(fā)動(dòng)態(tài)載荷導(dǎo)致軸承壓力過載；

故障定位：

綜合上述三點(diǎn)原因，經(jīng)機(jī)組人員確認(rèn)無漏油現(xiàn)象，故基本上排除了個(gè)原因；此外，在風(fēng)暴氣候條件下，船舶已經(jīng)航行了24年，所以第二個(gè)原因也被排除。故，由于冰沖擊以及回旋振動(dòng)誘發(fā)的動(dòng)力載荷造成的軸承過載是接下來要重點(diǎn)檢查和驗(yàn)證的原因。

（圖：雪龍?zhí)栞S系檢測）

解決方案：

為了驗(yàn)證上述軸承故障原因，我們技術(shù)團(tuán)隊(duì)利用 軟件對當(dāng)前軸系進(jìn)行了建模和分析。為此，我們研究了該船的原始設(shè)計(jì)和校中計(jì)算文件，以及主機(jī)廠商在校中安裝期間測量的數(shù)據(jù)。

通過軟件的計(jì)算得到一個(gè)未預(yù)期的事實(shí)：雪龍?zhí)柤词故窃谡：竭\(yùn)環(huán)境下運(yùn)行，軸承就已存在大約6%的壓力過載。通過研究現(xiàn)有的軸系校中計(jì)算報(bào)告文件，我們注意到，根據(jù)軸承歷史的計(jì)算結(jié)果，軸承的安全冗余量很小，幾乎很接近限值。

值得注意的是，艉管軸承計(jì)算時(shí)采用的是逐點(diǎn)模型。我們重新對艉軸管軸承采用用更為可靠的可擴(kuò)展支撐模型進(jìn)行計(jì)算后，得出了上述6%的軸承過載量；雪龍?zhí)栞S系的特點(diǎn)是采用單尾管軸承設(shè)計(jì)，這使得后面的中間軸承更容易受到來自螺旋槳的外部載荷的影響。