Визначення навантаження, що дiє на валопровiд судна при його русi в умовах iнтенсивного нерегулярного хвилювання
| dc.contributor.advisor | Нєкрасов В. О. | uk_UA |
| dc.contributor.author | Урсолов, О. I. | |
| dc.contributor.author | Ursolov, O. I. | |
| dc.date.accessioned | 2021-04-06T07:58:46Z | |
| dc.date.available | 2021-04-06T07:58:46Z | |
| dc.date.issued | 2020 | |
| dc.description | Урсолов, О. І. Визначення навантаження, що дiє на валопровiд судна при його русi в умовах iнтенсивного нерегулярного хвилювання : дис. … д-ра філос. : 135 / О. І. Урсолов ; наук. кер. В. О. Нєкрасов ; НУК. – Миколаїв, 2020. – 287 с. | uk_UA |
| dc.description.abstract | Урсолов О. I. Визначення навантаження, що дiє на валопровiд судна при його русi в умовах iнтенсивного нерегулярного хвилювання. – Квалiфiкацiйна наукова праця на правах рукопису. Дисертацiя на здобуття наукового ступеня доктора фiлософiї за спецiальнiстю 135 – суднобудування. – Нацiональний унiверситет кораблебудування iменi адмiрала Макарова, Миколаїв, 2020. У разi вiдмови валопроводу у процесi експлуатацiї, судно втрачає хiд та керованiсть, що може призвести до перекидання в умовах хвилювання. З iншого боку, поломки пов’язанi з валопроводом, призводять до втрати прибутку судновласника або втрати можливостi виконувати бойову задачу, а також до великих додаткових витрат на ремонт. Бiльш точнi моделi роботи суднового валопроводу та розрахунковi схеми його напружено-деформованих станiв дозволять передбачати можливi ризики майбутньої експлуатацiї валопроводу та уточнювати його конструктивнi розмiри при проектуваннi судна або параметри центрування на iснуючих суднах. Особливо актуальною ця проблема є у зв’язку з тим, що режими роботи валопроводу в умовах хитавицi судна на хвилях, є найменш вивченими на даний час. Таким чином, актуальнiсть дисертацiйного дослiдження визначається: 1. Необхiднiстю вдосконалення моделей суднових валопроводiв для розрахункiв параметрiв їх центрування на тихiй водi та роботи в умовах хитавицi суден. 2. Необхiднiстю розробки комплексного розрахункового методу оцiнювання впливу хитавицi на сумiсну роботу системи судно–валопровiд. 3. Необхiднiстю проведення комплексних дослiджень впливу хитавицi судна на роботу валопроводу з метою визначення навантаження, яке дiє на валопровiд. Метою дисертацiйної роботи є розробка методу визначення навантажень, якi дiють на валопровiд при сумiснiй роботi системи судно–валопровiд в умовах руху судна на iнтенсивному нерегулярному хвилюваннi. Наукова новизна отриманих результатiв полягає у наступному. 1. Вперше на основi використання методiв теорiї корабля, будiвельної механiки корабля та гiдродинамiчної теорiї змащення розроблено комплексну модель динамiки системи судно–валопровiд при русi судна на хвилюваннi, яка враховує дiючi на валопровiд гiдродинамiчнi сили на гребному гвинтi, iнерцiйнi сили вiд хитавицi судна, сили вiд деформування корпусу судна на хвилях та еласто-гiдродинамiчне змащення в пiдшипниках гребного вала. 2. Вперше на основi отриманої моделi функцiонування системи судно–валопровiд розроблено комплексний метод розрахунку дiючих на валопровiд статичних та динамiчних навантажень, якi необхiдно враховувати на стадiях проектування валопроводу та вибору параметрiв його центрування. 3. На основi методу скiнченних елементiв удосконалено метод розрахунку компонентiв НДС при статичному згинаннi суднового валопроводу, пiдшипники якого представленi односторонньою неоднорiдною нелiнiйною змiщуваною пружною основою, що дозволило врахувати довжину, зазор, деформування та змiщення пiдшипникiв. 4. На основi використання методiв скiнченних елементiв та оптимiзацiї удосконалено метод розрахунку компонентiв НДС при згинаннi суднового валопроводу з урахуванням еласто-гiдродинамiчного змащення у всiх пiдшипниках, що дозволило уточнити умови його роботи. 5. Отримало подальший розвиток моделювання пружної основи пiдшипника методом скiнченних елементiв, за допомогою якого узагальнено вирази для матрицi жорсткостi стержневого скiнченного елемента пружної основи Вiнклера, що дозволило врахувати змiну коефiцiєнта жорсткостi вздовж пiдшипника. 6. На основi узагальнення та розширення виразiв для релаксацiї отримав подальший розвиток метод релаксацiї послiдовних наближень, що дозволило забезпечити надiйну збiжнiсть нелiнiйних розрахункiв суднового валопроводу. Теоретичне значення дослiдження полягає у розробцi комплексної математичної моделi функцiонування суднового валопроводу та узагальненого методу визначення дiючих на нього навантажень як при вiдсутностi руху судна, так i при його ходi на тихiй водi та в умовах iнтенсивного регулярного i нерегулярного хвилювання. Практичне значення одержаних результатiв полягає у наступному. 1. Розробленi методи розрахунку компонентiв НДС при згинаннi суднового валопроводу у статичних i динамiчних умовах навантаження можуть бути використанi для бiльш точних розрахункiв його центрування. 2. Розроблена модель роботи валопроводу при русi судна на нерегулярних хвилях може бути використана для оцiнювання компонентiв НДС при згинаннi валопроводу з метою урахування небажаних явищ, якi потребують змiни його конструктивних та технологiчних параметрiв. 3. Побудованi залежностi можуть бути використанi для оцiнювання впливу хитавицi судна на навантаження, що дiють на валопровiд. 4. Розроблений скiнченний елемент пружної основи з параболiчною залежнiстю коефiцiєнта жорсткостi за довжиною може бути застосований для бiльш точного моделювання неоднорiдних пружних основ iз використанням меншої кiлькостi скiнченних елементiв. 5. Розроблений узагальнений метод релаксацiї може бути застосований до розв’язання низки нелiнiйних задач зi зворотними зв’язками при великiй чутливостi параметрiв, в тому числi суднобудiвних. У першому роздiлi виконано аналiз публiкацiй стосовно аварiй, пов’язаних з судновим валопроводом, методiв розрахунку компонентiв його НДС при згинаннi та умов його роботи. Аналiз аварiйностi суднових валопроводiв показав, що втомнi руйнування валiв, перегрiвання, плавлення, випiнг i втомне руйнування дейдвудних пiдшипникiв з бабiту, а також iнтенсивне зношення неметалевих дейдвудних пiдшипникiв, що змащуються водою, є достатньо частими причинами аварiй на суднах. Основою цих аварiй часом є неякiсне центрування валопроводу, занадто простi розрахунковi моделi валопроводу або виборi параметрiв центрування без врахування впливу функцiонування судна в умовах хвилювання, оскiльки зазвичай розглядається лише робота валопроводу при номiнальнiй потужностi головного двигуна та експлуатацiї судна на тихiй водi. Виконаний аналiз лiтератури дозволив визначити актуальний напрям дисертацiйного дослiдження. Другий роздiл дисертацiї присвячений опису основних методiв, що використано та розроблено у дисертацiї. Розроблено матрицю жорсткостi скiнченного елементу пружної основи з параболiчним законом змiни коефiцiєнта жорсткостi за довжиною, яка бiльш точно моделює деформування пiдшипникiв судового валопроводу та дозволяє зменшити необхiдну кiлькiсть скiнчених елементiв для одного пiдшипника. Запропоновано узагальнений метод релаксацiї, що забезпечує надiйну збiжнiсть методу послiдовних наближень при розв’язаннi нелiнiйних задач визначення компонентiв НДС при згинаннi валопроводу зi зворотними зв’язками. Метод релаксацiї дозволяє в залежностi вiд особливостей математичної моделi пiдбирати його параметри для забезпечення найбiльш надiйної збiжностi розв’язкiв при мiнiмально можливому числi iтерацiй. Третiй роздiл дисертацiї присвячено опису розроблених математичних моделей для розрахунку компонентiв НДС при згинаннi валопроводу як багатопрогонної непризматичної балки в статичних умовах та з урахуванням еласто-гiдродинамiчного змащення пiдшипникiв пiд час його обертання. Розроблено метод розрахунку компонентiв НДС при статичному згинаннi валопроводу одночасно у вертикальнiй та горизонтальнiй площинах, пiдшипники якого представленi односторонньою неоднорiдною нелiнiйною змiщуваною пружною основою, який враховує довжину, зазор та деформацiю вкладишiв, а також лiнiйнi та кутовi змiщення пiдшипникiв в обох площинах. Для розв’язання нелiнiйної системи рiвнянь статичного згину валiв у роботi використано метод скiнченних елементiв та метод послiдовних наближень з релаксацiєю. Статичний згин валiв розраховується як суперпозицiя двох розв’язкiв: згин вiд жорсткого змiщення вузлових опор у межах пiдшипника на його поверхнi (пружна основа вiдсутня); згин на пружнiй основi вiд зовнiшнiх сил та реактивних навантажень вiд жорсткого змiщення пiдшипникiв (вузловi опори у межах пружної основи вiдсутнi). Розроблено модель еласто-гiдродинамiчного змащення дейдвудного пiдшипника. Поля тиску змащення визначається методом скiнченних елементiв, радiальнi перемiщення вкладишу визначаються за допомогою наближеного асимптотичного методу, а рiвновага мiж ними – методом послiдовних наближень з релаксацiєю. Розроблено метод розрахунку компонентiв НДС при згинаннi суднового валопроводу з урахуванням змащення у декiлькох або всiх його пiдшипниках. Для розв’язання нелiнiйної системи рiвнянь динамiчного згину валiв у серединi довжини кожного пiдшипника вводиться допомiжна вузлова опора, реакцiя якої мiнiмiзується методами оптимiзацiї, а саме, – рою часток та внутрiшньої точки. При кожному розрахунку цiльової функцiї, для пошуку рiвноваги мiж реактивними моментами плiвки змащення та розцентруванням валiв було застосовано метод послiдовних наближень з релаксацiєю гiдродинамiчних тискiв. Четвертий роздiл дисертацiї присвячено опису математичних моделей зовнiшнiх факторiв, що впливають на роботу валопроводу пiд час руху судна на хвилях. Описано основнi концепцiї розрахунку хитавицi судна на нерегулярному морському хвилюваннi у частотнiй та часовiй областi на основi гiдродинамiчної теорiї хитавицi та спектральної теорiї нерегулярного хвилювання. Описано метод визначення iнерцiйних навантажень механiчної природи на елементи валопроводу при повздовжнiй хитавицi на нерегулярних хвилях. Дослiджено вплив iнерцiйних навантажень на навантаження пiдшипникiв валопроводу на рiзних режимах хвилювання та в екстремальних умовах. Описано застосування теорiї несучої поверхнi до розрахунку гiдродинамiчних навантажень на гребний гвинт пiд час руху судна на тихiй водi та на хвилях. Дослiджено залежнiсть амплiтуд навантажень на гребний гвинт, спричинених регулярними хвилями та хитавицею, вiд висоти та довжини хвилi. Описано методологiю оцiнювання загальних деформацiй корпусу судна шляхом чисельного iнтегрування рiвнянь згину i зсуву непризматичної балки та мiсцевих деформацiй днищового перекриття методом скiнчених елементiв у стержневiй iдеалiзацiї вiд змiни посадки судна та хвильових навантажень. Наведено формули визначення лiнiйних та кутових змiщень пiдшипникiв, спричинених загальною та мiсцевою деформацiями корпусу судна. Проведено дослiдження величин амплiтуд стрiлок прогину корпусу судна та днищового перекриття, а також вiдповiдних змiщень пiдшипникiв на регулярних хвилях в залежностi вiд висоти та довжини хвилi. У п’ятому роздiлi дисертацiї описано загальну модель функцiонування валопроводу з урахуванням його взаємодiї з корпусом судна при його русi на тихiй водi та в умовах нерегулярного морського хвилювання, а також загальну методологiю визначення навантажень на судновий валопровiд пiд час стоянки, руху судна на тихiй водi або регулярному та нерегулярному хвилюваннi. За допомогою розробленої моделi функцiонування проведено тестовi розрахунки навантажень, що дiють на валопровiд контейнеровоза 4400 TEU довжиною 280 м. Проведено аналiз впливу окремих зовнiшнiх факторiв пiд час хитавицi на роботу валопроводу. | uk_UA |
| dc.description.abstract1 | Ursolov O. I. Determination of loads acting on the shafting of the ship during its movement on intensive irregular waves. – Manuscript qualification scientific work. Thesis for the degree of philisophy doctor in speciality 135 – shipbuilding. – Admiral Makarov National University of Shipbuilding, Nikolaev, 2020. In the case of shafting failure during operation, the vessel loses movement and controllability. It can lead to overturning in rough weather conditions. On the other hand, failures associated with the shafting lead to loss of shipowner profit or loss of ability to perform a combat mission, as well as to large additional repair costs. More accurate marine propulsion shafting operation models and calculation schemes of its stress-deformed states will allow to predict possible risks of future shafting operation and to specify its design dimensions when designing a vessel or alignment parameters on existing vessels. This problem becomes especially relevant due to the fact that the modes of shafting operation during ship motions on the waves are the least studied at present. Thus, the relevance of the thesis research is determined by: 1. The need to improve the marine propulsion shafting models for the alignment calculation on calm water and the operation during ship motions. 2. The need to develop a comprehensive calculation method for assessing the impact of the ship motions on the joint operation of the ship–shafting system. 3. The need to conduct comprehensive studies of the impact of the ship motions on the shafting operation in order to determine the load acting on the shafting. The purpose of the thesis is to develop a method for determining the loads acting on the shafting during the joint operation of the ship–shaft system during ship motions on intensive irregular waves. The scientific novelty of the obtained results are as follows. 1. For the first time, using the methods of ship theory, ship structural mechanics and hydrodynamic lubrication theory, a complex model of the ship–shafting system dynamics during ship motion on waves, which takes into account propeller hydrodynamic forces, ship motion inertial forces, forces caused by ship’s hull deformation on waves and elastohydrodynamic lubrication in propeller shaft bearings is developed. 2. With the help of the obtained ship–shafting system operation model, for the first time a complex method of calculation of static and dynamic loads acting on the shafting, which are to be taken into account at the design and alignment calculation stages. 3. Using the finite element method, the method of marine propulsion shafting static bending calculation was improved, the bearings being represented as a one – sided inhomogeneous nonlinear displaceable elastic foundation, that allowed to take into account the length, clearance, deformation and offsets of bearings. 4. Using finite element and optimization methods, the method of marine propulsion shafting bending calculating with elastohydrodynamic lubrication in all bearings was improved, that allowed clarifying the conditions of its operation. 5. The bearing elastic foundation modeling using the finite element method was further developed, by means of which the expressions for the Winkler elastic foundation beam finite element were obtained, which allowed to take into account the change of the stiffness coefficient along the bearing length. 6. On the basis of generalization and extension of expressions for relaxation, methods of successive approximations relaxation were further developed, which allowed ensuring reliable convergence of marine propulsion shafting nonlinear calculations. The theoretical significance of the study is to develop a comprehensive marine propulsion shafting mathematical model and a generalized method for determining the loads acting on it, both when the ship does not move and when it is moving on calm water and in conditions of intensive regular and irregular waves. The practical significance of the obtained results are as follows. 1. The developed marine propulsion shafting method bending calculation methods in static and dynamic conditions can be used for more accurate alignment calculations. 2. The developed model of shafting operation during ship moving on irregular waves can be used to estimate the shafting bending parameters in order to take into account undesirable phenomena that require changes in its design and technological parameters. 3. The obtained dependencies can be used to assess the impact of the ship motions on the loads acting on the shafting. 4. The developed elastic foundation finite element with a parabolic stiffness coefficient along element length can be applied to more accurate modeling of inhomo geneous elastic foundations using fewer finite elements. 5. The developed generalized relaxation method can be applied to the solution of a wide range of nonlinear problems with feedback having high parameter sensitivity, including shipbuilding problems. In the first chapter, the publications on accidents related to the marine propulsion shafting, methods of its bending calculations and its operating conditions are analyzed. The analysis of marine propulsion shafting failures has shown that shafts fatigue failure, wiping, crowning, scoring and pitting of white metal stern tube bearings, as well as intensive wear of non–metallic water–lubricated stern tube bearings are quite common causes of ship failures. The common root causes of these failures are poor shaft alignment, too simple shafting calculation models or ignoring ship operation in rough weather at the shaft alignment calculation stage, as usually only the shafting operation at main engine rated power and calm water ship operation is considered. The performed literature analysis allowed to determine the relevant direction of the thesis research. In the second chapter, the main methods used and developed in the dissertation are described. An elastic foundation stiffness matrix with a parabolic stiffness coefficient along element length has been developed, which more accurately models the deformation of marine propulsion shafting bearings and allows reducing the required finite elements number for one bearing. A generalized relaxation method is proposed, proving reliable successive approximations method convergence in solving shafting bending nonlinear problems with feedback. The relaxation method allows performing adjustments its parameters according to the mathematical model features, providing the most reliable convergence of solutions with the minimum possible number of iterations. In the third chapter, the developed marine propulsion shafting bending mathematical models as a multi–span non–prismatic beam in static conditions and taking into account bearings elastohydrodynamic lubrication during shafting rotation are described. A method for shafting static bending calculation in both vertical and horizontal planes is developed, the bearings being represented as a one – sided inhomogeneous nonlinear displaceable elastic foundation taking into account the length, clearance and deformation of bearing bushes, as well as linear and angular bearings offsets in both planes. The finite element method and the method of successive approximations with relaxation are used were used to solve the nonlinear system of shafting static bending equations. Static bending of the shafting is represented as a superposition of two solutions: bending from the rigid displacement of nodal supports on the bearing surface (elastic foundation is absent); bending on an elastic foundation from external forces and reactive loads from rigid bearings displacements (nodal supports within an elastic basis are absent). A stern tube bearing elastohydrodynamic lubrication model is developed. Lubrication pressure fields are determined by the finite element method, the bearing bush radial displacements are determined by the approximate asymptotic method and the equilibrium between them are searched by the successive approximations method with relaxation. The shafting bending calculation method taking into account lubrication in several or all bearings is developed. To solve the dynamic shafting bending nonlinear system of equations, auxiliary nodal support is introduced in the middle of each bearing length. The reactions of these supports are minimized by the optimization methods, namely the particle swarm and the interior point methods. In each objective function calculation, the successive approximations method with hydrodynamic pressure relaxation of was applied to find the balance between the lubrication film reactive moments and the journal misalignment. In the fourth chapter, the mathematical models of the external factors affecting shafting operation during ship movement on the waves are described. The basic concepts of calculating ship motions on irregular sea waves in frequency and time domains based on hydrodynamic seakeeping theory and irregular waves spectral theory are described. A method for determining the mechanical inertial loads on the shafting elements during longitudinal ship motions on irregular waves is described. The influence of inertial loads on the shafting bearing loads at different weather conditions and in extreme conditions has been studied. The application of the lifting surface theory to the propeller hydrodynamic loads calculation during ship movement on calm water and on waves is described. The dependence of the additional propeller loads amplitudes caused by regular waves and ship motions, depending on the height and length of the wave is investigated. The methodology for estimating hull girder deflection by numerical integrating the non-prismatic beam bending and shear equations and local beam–idealized bottom grillage deflection by the finite element method caused by changes in the ship loading condition and wave loads is described. The formulas for determining the linear and angular bearing offsets caused by girder and bottom deflections are presented. The amplitudes of the girder and bottom deflections, as well as the corresponding bearing offsets, on regular waves depending on the height and length of the wave are studied. In the fifth chapter, the general shafting operational model taking into account its interaction with the ship hull during its movement on calm water and regular or irregular waves are described. Also, the general methodology for determining loads on the marine propulsion shafting when the ship does not move and during ship movement on calm water or regular and irregular waves are presented. Using the developed shafting operation model, test calculations of loads were performed for the shafting of a 4400 TEU container ship 280 m length. The analysis of separate external factors impact during ship motions on the shafting operation is carried out. | uk_UA |
| dc.identifier.uri | https://eir.nuos.edu.ua/handle/123456789/3790 | |
| dc.language.iso | uk | uk_UA |
| dc.relation.ispartofseries | 629.5.03 : 629.5.015.4 : 004.942 | uk_UA |
| dc.subject | згин вала | uk_UA |
| dc.subject | навантаження на валопровiд | uk_UA |
| dc.subject | хитавиця судна | uk_UA |
| dc.subject | нерегулярне хвилювання | uk_UA |
| dc.subject | метод скiнченних елементiв | uk_UA |
| dc.subject | оптимiзацiя | uk_UA |
| dc.subject | пропульсивний комплекс судна | uk_UA |
| dc.subject | еласто-гiдродинамiчне змащення пiдшипникiв | uk_UA |
| dc.subject | дейдвудний пiдшипник | uk_UA |
| dc.subject | математичне моделювання | uk_UA |
| dc.subject | 135 "Суднобудування" | uk_UA |
| dc.subject | shaft bending | uk_UA |
| dc.subject | loads on the shafting | uk_UA |
| dc.subject | ship motions | uk_UA |
| dc.subject | irregular waves | uk_UA |
| dc.subject | finite element method | uk_UA |
| dc.subject | optimization | uk_UA |
| dc.subject | ship propulsive complex | uk_UA |
| dc.subject | elastohydrodynamic lubrication of the bearings | uk_UA |
| dc.subject | stern tube bearing | uk_UA |
| dc.subject | mathematical modeling | uk_UA |
| dc.title | Визначення навантаження, що дiє на валопровiд судна при його русi в умовах iнтенсивного нерегулярного хвилювання | uk_UA |
| dc.title1 | Determination of loads acting on the shafting of the ship during its movement on intensive irregular waves | uk_UA |
| dc.title2 | 2020 | |
| dc.type | Other | uk_UA |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- dis. Ursolov.pdf
- Розмір:
- 28.87 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
- дисертація
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 7.05 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: