陳玉龍,雷 宇,張 亮
(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一○研究所,湖北 宜昌 443003)
近十年來(lái),我國(guó)船舶工業(yè)快速發(fā)展,目前正處于從“造船大國(guó)”向“造船強(qiáng)國(guó)”轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略機(jī)遇期。要成為船舶強(qiáng)國(guó),最主要的是提高研發(fā)水平。船型設(shè)計(jì)和性能預(yù)報(bào)是船舶設(shè)計(jì)的主要工作之一,也是船舶設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù),集中體現(xiàn)了船舶產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。船舶性能研究是船舶研發(fā)的靈魂,是船舶更新?lián)Q代的主要?jiǎng)恿Γ?]。
對(duì)于船舶性能的研究,主要分為理論方法和實(shí)驗(yàn)方法。得益于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)研究船舶性能的工作得以蓬勃開展,并取得顯著成果。但目前有限的理論模型也是以試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)的,關(guān)于船舶快速性方面的知識(shí),特別是提供設(shè)計(jì)應(yīng)用的優(yōu)良船型以及估算阻力的經(jīng)驗(yàn)公式和圖譜,大部分都是通過(guò)船模試驗(yàn)得來(lái)。試驗(yàn)是工程應(yīng)用與科學(xué)研究中一種基本和必要的過(guò)程,新理論的發(fā)展和新船的設(shè)計(jì)能否達(dá)到預(yù)期效果,也都需要通過(guò)船模試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證[2]。船模試驗(yàn)是進(jìn)行船舶性能研究的重要組成部分,因此世界上造船工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家,無(wú)不重視船模試驗(yàn)水池的建設(shè),并相應(yīng)地發(fā)展船模試驗(yàn)技術(shù)[3]。
拖曳試驗(yàn)水池是進(jìn)行船??焖傩栽囼?yàn)研究的基本設(shè)備,也可進(jìn)行船模操縱性和耐波性的部分試驗(yàn),是船模性能試驗(yàn)的主要設(shè)施之一。目前,我國(guó)有大小拖曳水池十余座,主要分布于大學(xué)及科研院所中,大部分建于二十世紀(jì)七、八十年代。近年來(lái),拖曳水池大多進(jìn)行了改建,主要改造拖車電控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),現(xiàn)代拖曳水池多采用等速度方法進(jìn)行阻力測(cè)試,拖曳水池具備有較好的試驗(yàn)條件,能進(jìn)行重力式水池中無(wú)法進(jìn)行的試驗(yàn),它的使用范圍廣泛,而且便于采用新的試驗(yàn)技術(shù)[4-7]。拖車是拖曳試驗(yàn)水池中最重要的技術(shù)設(shè)備,是做水中性能試驗(yàn)的基本設(shè)備,其作用是拖曳模型在試驗(yàn)水池中運(yùn)動(dòng)[8]。
本研究以某拖曳水池的拖車為研究對(duì)象,對(duì)其結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)展開說(shuō)明,并對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行強(qiáng)度特性分析,期望為水池拖車設(shè)計(jì)的研究人員提供參考幫助。
拖車車體由主梁和端梁組成,前端為控制室,控制室內(nèi)安裝有拖曳系統(tǒng)操控臺(tái)、測(cè)力系統(tǒng)操控臺(tái)、中央測(cè)橋操控臺(tái),中部為帶導(dǎo)軌的測(cè)試橋,測(cè)試橋上為可橫向運(yùn)動(dòng)及升降回轉(zhuǎn)的測(cè)試小車,升降桿下端連接測(cè)力天平和被試品,整車結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。
組成框圖如圖2 所示。
拖車主要實(shí)現(xiàn)被試品的安裝、調(diào)試、裝夾及航行試驗(yàn)等,工作流程如圖3 所示。
圖1 拖車結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 拖車組成框圖
圖3 拖車工作流程
以拖車中心為基準(zhǔn),其運(yùn)行行程如圖4 所示。該水池有效長(zhǎng)度為170 m,可對(duì)長(zhǎng)度為2 000 mm~7 000 mm的試驗(yàn)?zāi)P瓦M(jìn)行試驗(yàn)。A 點(diǎn)為拖車運(yùn)行起始點(diǎn),考慮被試品的安裝空間,啟動(dòng)位置距船塢頭5 m,初速度為0 m/s,加速度為0.7 m/s2,末速度為7 m/s,加速時(shí)間大約10 s,行程為35 m;B 點(diǎn)為速度達(dá)到7 m/s的勻速階段的起始點(diǎn),勻速階段行程為80 m,該階段也是拖車的實(shí)際工作階段;在工作階段結(jié)束后,首先采用電機(jī)按一定的減加速度減速運(yùn)行,產(chǎn)生能耗制動(dòng),電機(jī)減加速度按-0.8 m/s2設(shè)計(jì),減速距離為30.6 m。在強(qiáng)制限位位置放棄電機(jī)制動(dòng)功能,采用抱軌制動(dòng),液壓抱軌制動(dòng)力為56 kN,制動(dòng)減加速度為-2 m/s2,制動(dòng)距離約為12 m,預(yù)留15 m。在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)設(shè)定的測(cè)試時(shí)間到達(dá)后采用電機(jī)減速,到限位位置后,采用液壓制動(dòng)。D 點(diǎn)為停車點(diǎn),距水池末端20 m。
圖4 拖車運(yùn)行行程圖
根據(jù)設(shè)計(jì)選型,制動(dòng)時(shí)滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.2,車重M=30 t,車最高速度為7 m/s,則單邊制動(dòng)時(shí)加速度:
設(shè)單側(cè)制動(dòng)距離為S1,兩側(cè)制動(dòng)距離為S2,則根據(jù)要求:
設(shè)單側(cè)制動(dòng)時(shí)間為t1,兩側(cè)制動(dòng)時(shí)間為t2,則總制動(dòng)時(shí)間:
由已知條件可知,兩側(cè)制動(dòng)時(shí)加速度為:
則:
根據(jù)式(1~7),即可確定t1、t2、S1、S2取值范圍,根據(jù)實(shí)際情況可確定t1、t2、S1、S2取值,本研究根據(jù)實(shí)際情況經(jīng)計(jì)算得總時(shí)間t=t1+t2=3.86 s,總距離S=S1+S2=14.58 m。
被試品水下阻力為F水=1 250 N,阻力傾覆力矩的力臂為L(zhǎng)=2.6 m(水下阻力產(chǎn)生傾覆力矩的支點(diǎn)為車體前輪與軌道的接觸點(diǎn)),則被試品產(chǎn)生的傾覆力矩:
設(shè)車體自重為G=30 000 kg(不含被試品重量),重心近似為車體的幾何中心位置,被試品質(zhì)量G1=3 000 kg,總浮力為0,前后輪間距為L(zhǎng)=6.5 m,剎車點(diǎn)(軌道面)距車體重心h=0.725 m,剎車點(diǎn)距被試品重心H=2.6 m,啟動(dòng)時(shí)車體及被試品共同加速度為amax=0.7 m/s2,則有:
車體自身后傾:
被試品使車體前傾:
故車體總傾覆為車體后傾,其力矩為:
拖車受力狀態(tài)簡(jiǎn)圖如圖5 所示。拖車主梁為連接兩行走端梁的橋架及吊裝被試品的承重構(gòu)件,單梁翼緣寬度800 mm,高度650 mm,兩梁間距1 160 mm。主梁端部為L(zhǎng) 形,左腹板厚12 mm,右腹板厚8 mm,上翼緣板厚度16 mm,下翼緣板厚度14 mm。本研究對(duì)整體車架采用有限元軟件模擬分析,考察其力學(xué)特性,車架應(yīng)力和變形云圖如圖6 所示。通過(guò)分析可得,拖車最大應(yīng)力17.50 MPa,最大變形小于0.51 mm,小于45#鋼屈服強(qiáng)度471 MPa,滿足強(qiáng)度要求。
圖5 拖車受力狀態(tài)簡(jiǎn)圖
拖車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在較大的加速和減速,設(shè)計(jì)中為避開拖車固有頻率防止共振,對(duì)拖車的固有頻率進(jìn)行計(jì)算,拖車一階和四階振型如圖7 所示,拖車1~10 階固有頻率如表1 所示,由表1 可知,拖車的共振頻率主要發(fā)生在30 Hz~60 Hz 頻段。
圖6 拖車應(yīng)力變形云圖
圖7 拖車振型云圖
表1 拖車1~10 階固有頻率
中央測(cè)橋?yàn)檎麄€(gè)拖曳水池的核心測(cè)量機(jī)構(gòu),關(guān)乎系統(tǒng)的正常運(yùn)行。劍體為中央測(cè)橋的主要承載部件,其截面形狀如圖8 所示。本研究以被試品最大加速度2 m/s2計(jì)算其力學(xué)特性,中央測(cè)橋最大應(yīng)力和變形如圖9 所示,通過(guò)分析可知,最大應(yīng)力68.65 MPa,最大變形為16.97 mm,小于45#剛屈服應(yīng)力471 MPa,滿足強(qiáng)度要求。
圖8 劍體截面
圖9 中央測(cè)橋應(yīng)力變形云圖
為水下避免被試品運(yùn)行時(shí)和中央測(cè)橋發(fā)生共振,計(jì)算中央測(cè)橋固有頻率,一階二階振型云圖如圖10 所示。中央測(cè)橋1~5 階固有頻率如表2 所示。由表2 可知,中央測(cè)橋的共振頻率主要發(fā)生在38 Hz~40 Hz、80 Hz~139 Hz頻段。
表2 中央測(cè)橋1~5 階固有頻率
本研究以某拖曳水池拖車為研究對(duì)象,對(duì)拖車結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)展開說(shuō)明,介紹了拖車的系統(tǒng)組成及工作流程,根據(jù)要求進(jìn)行了運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì),展開了相關(guān)計(jì)算并對(duì)重要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了強(qiáng)度校核及模態(tài)分析。由介紹可知,拖車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì),運(yùn)行過(guò)程中傾覆狀態(tài)計(jì)算,并考慮輸入和運(yùn)行中避開重要結(jié)構(gòu)件的固有頻率。
圖10 中央測(cè)橋振型云圖
該方案經(jīng)有限元仿真分析,結(jié)果表明其能夠滿足設(shè)計(jì)要求。該方案拖車目前已完成出廠驗(yàn)收,調(diào)試運(yùn)行效果良好。
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