基于有限元方法的船舶推进轴系碰撞损伤研究

王少华 董良雄 杨意 陈天然

【摘 要】 为探究船舶因碰撞而对船舶推进轴系运动特性所造成的影响，利用有限元方法对碰撞后的船舶推进轴系运动进行数值仿真，分析船舶发生碰撞时冲击力对轴系支撑的损伤，研究碰撞损伤后的轴系安全转速范围。结果表明：船舶在碰撞过程中所受的冲击力能够引起船舶轴系运动特性的改变，且冲击力过大会造成船舶轴系的损伤甚至断裂；船舶若须继续航行则应控制在合理航速范围内，避免因冲击力而对船舶轴系造成二次损伤。

【关键词】 船舶损伤；轴系损伤；稳定性；冲击力

0 引 言

船舶碰撞事故在航海事故中占据较大比例，且一旦发生碰撞，就会对船舶的各组成部分造成损伤，尤其是对船舶的推进系统损伤更甚。推进系统是船舶重要的组成部分，其损伤大多数是由船舶碰撞时产生的瞬时冲击力造成的。姜兴家等[1]研究了船舶碰撞位置和撞击初速度对船舶碰撞损伤的影响；张怀跃[2]基于有限元方法对船舶碰撞时的冲击力进行分析。以上研究都未涉及船舶发生碰撞轴系受到冲击力后其安全转速的研究，因此探究船舶发生碰撞时的冲击力不仅可以对碰撞后轴系运动状态进行分析，还可以基于碰撞后的轴系运动状态确定船舶合理的安全航速范围。

1 建立模型

船舶在发生撞击时会产生瞬时的冲击力，并会将此传递给正在高速旋转的轴系，造成轴系损伤。分析船舶轴系受到的瞬时冲击力不仅有利于轴系受损的研究，而且还有利于相应的船舶轴系保护措施的研究。因此，本文以46 m铝合金多功能高速工作船为主要研究对象，通过ANSYS软件仿真其轴系，见图1。

船舶碰撞研究会运用到多种数学模型如基础的运动方程、能量守恒、质量守恒和动量守恒等，本文主要以研究轴系运动状态的转子动力学方程为主。转子系统动力学方程为

2 碰撞船舶的轴系稳定性

船舶在碰撞过程中会对船体造成结构损伤，从而影响其总体结构刚度，而总体结构刚度的变化又会对船舶推进轴系的支撑刚度造成影响，进而影响推进轴系。

支撑刚度与临界转速关系见图2。结果表明：船舶的损伤会影响轴系运动的稳定性，从而造成轴系的临界转速发生改变，但当轴系的支撑刚度增加到1 000 kN/mm时，轴系的临界转速稳定在317.6 r/min，说明此时的轴系支撑已为刚性支撑，因此在船舶设计中应当适当加强轴系的支撑刚度。

3 损伤轴系在冲击力荷载下的力传递

船舶在发生碰撞时，其运行状态会受到撞击船速的影响。基于侯建[3]的全船有限元强度分析及船舶碰撞仿真，在被撞船吸收撞击船的动能中有91.6%转化为船舶的塑性形变，其余部分转化为船舶的冲击力作用在船体纵骨，进而传递到船舶的推进轴系上，本文在0.005 s内将 N的冲击力附加在船舶的轴系上，以用于研究碰撞船舶的力传递对轴系的影响。时间与荷载关系见图3，在正常和损伤情况下轴系螺旋桨处的振幅见图4。

船舶轴系处于外力的冲击状态下，其运动状态会随损伤状况的变化而发生改变。正常运转的轴系螺旋桨的运动振幅应为正弦曲线，但当运行中的轴系受到冲击力后，其振幅仍为正弦曲线，局部会有变化，因此可以利用此特性分析船舶碰撞后轴系的运动状态。

结果表明：

（1）当运行中的轴系受到冲击力时，其振幅变化会比正常运行时更加复杂，如受到冲击力后的0.01 s中损伤轴系运动会出现10个波峰，而正常轴系会出现4个波峰。

（2）当运行中的轴系受到冲击力时，其回到正常运动的时间将会比损伤后的提前，如正常轴系在受到冲击力后0.023 s时到达最大振幅，但受损轴系会在0.024 s时到达最大振幅。

4 结 语

（1）船舶在碰撞的过程中，其轴系的运动稳定性会随着轴系损伤程度的变化而变化，但当轴系的刚度到达一定程度后，支撑转变为刚性支撑，轴系稳定性变化较小。

（2）船舶在碰撞过程中，轴系的运动会因碰撞时船体所吸收的冲击力而发生改变，且随着支撑刚度的变化而造成不同影响，支撑刚度越大，冲击力对轴系影响越小，因此应当在船舶设计中注意船舶支撑刚度的选择。

参考文献：

[1] 姜兴家，张鹏，吴文锋.撞击位置和初速度对被撞船舶舷侧结构的影响[J].中国航海，2012（2）：76-80.

[2] 张怀跃.双壳油船碰撞损伤机理分析及图谱绘制[D].舟山：浙江海洋大学，2016.

[3] 侯建.全船有限元強度分析及船舶碰撞仿真[D].大连：大连理工大学，2012.