Введение к работе
Актуальность темы.
Известно, что одной из причин, определяющих динамическую напряженность и снижающих ресурс работы судового валопровода, являются крутильные колебания. Анализ характера разрушения валов показывает, что подавляющее большинство поломок происходит вследствие усталостных трещин. Сложность и многообразие физических процессов, сопровождающих явление крутильных колебаний, сушсственно ограничивают разработку надежных расчетных методов их исследования.
Традиционно проблема крутильных колебаний судовых валопроводов включает в себя решение трех задач.
Первая предусматривает расчет свободных колебаний. Существующие методики позволяют находить собственные частоты и соответствующие им формы колебаний с высокой точностью. Дальнейшее совершенствование этих методик может быть достигнуто только за счет более детальной дискретизации валопровода с одновременным применением мощных вычислительных средств. Во пторой задаче производится расчет напряжений в элементах валопровода от резоиансов крутильных колебаний. При этом вынуждающий момент задают в виде полигармонического ряда. Составляющие этого ряда получаются в результате гармонического анализа. Таким образом, напряжения от колебаний вычисляют для каждой гармоники в отдельности, после чего результаты суммируют. Обычно рассматривают не всю совокупность составляющих, а только доминанты. Точность прогнозирования напряжений при этом снижается. По этой причине результаты теоретического исследования подвергают обязательной опытной проверке. Торсиографирование осуществляется в наиболее доступных местах линии вала и оно составляет содержание третьей задачи.
Изложенный алгоритм расчета крутильных колебаний можно упростить и повысить точность вычислений, если отказаться от промежуточной операции гармонического анализа. В этом случае следует вводить вынуждающий момент в
систему уравнений в форме, близкой к действительной. Основу предлагаемого способа решения указанной задачи составляет метод главных координат ( МГК).
Разработке МГК и его реализации для расчета крутильных колебаний судовых салопроводов посвящена настоящая диссертационная работа.
Целью работы является разработка нового подхода к расчету крутильных колебаний судового валопровода методом главных координат. Его достоинство заключается в том, что он позволяет отказаться от промежуточной операции гармонического анализа вынуждающих моментов.
Задачи исследования.
Поставленную цель удалось достигнуть за счет:
-построения матрицы форм свободных колебаний путем непосредственного решения системы дифференциальных уравнений и нахождение всего спектра собственных частот;
-разработки процедуры взаимного перехода от обобщенных координат к главным;
-теоретического описания МГК для расчета вынужденных, резонансных и околорезонансных колебаний многомассовых дискретных моделей;
-замены вынуждающих моментов, обуславливающих крутильные колебания, интерполяционными функциями, удобными для реализации на ЭВМ;
-составления алгоритма и разработки программного комплекса расчета крутильных колебаний судового валопровода, идеализированного дискретной моделью, методом главных координат;
-проверки работоспособности программного комплекса путем сопоставления расчетных и экспериментально замеренных напряжений от крутильных колебаний в валопроводах теплохода "Невский-25" и СРТМк "Вече".
Научная новизна диссертации,
-разработан математический аппарат МГК применительно к расчету крутильных колебаний судовых валопроводов;
-предложены рекуррентные зависимости для описания реакции динамической системы взамен численного интегрирования вынуждающих моментов, изменяющихся по любому закону.
-создан программный комплекс, благодаря которому удается получать функциональные зависимости напряжений во времени для любого участка валопровода, совершающего крутильные колебания.
Достоверность результатов работы.
Для проверки достоверности теоретических основ МГК и работоспособности программного комплекса проведены натурные замеры напряжений от крутильных колебаний водопроводов двух судов. Сопоставление этих напряжений с расчетными, полученными с использованием существующих методов и МГК, отдает предпочтение методу главных координат.
Практическая ценность работы заключается в следующем.
Во-первых, применение МГК существенно упрощает решение системы дифференциальных уравнений, описывающих крутильные колебания валопровода, поскольку она представляется в виде совокупности независимых друг от друга уравнений.
Во-вторых, использование главных координат делает операцию гармонического анализа вынуждающих моментов лишней, что , в конечном счете, повышает точность расчета резонансных колебаний.
В-третьих, анализ действия вынуждающего момента на примере одкомассовой системы позволил отказаться от численного нахождения интеграла Дюамеля и заменить его рекуррентными зависимостями. Установлено, что наиболее удобным способом аппроксимации вынуждающего момента оказался метод интерполяции кусочно-линейного типа.
В-четвертых, результаты функционирования разработанного программного комплекса близки реальным торсиограммам, и расчетные напряжения вычисляются во всех соединениях .дискретной модели в любой момент времени и при любом режиме работы установки.
Реализация работы. Разработанный программный комплекс включен в библиотеку программ кафедры Судовых двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок Санкт-Петербургского Государственного Морского технического университета. Теоретические положения диссертации используются в учебном процессе Санкт-Петербургской Высшей пожарно-технической школы, что подтверждается соответствующим актом.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на научно-практических семинарах в г.Пушкине (1994 г.), Г.Владимире (1995 г.) и Санкт-Петербурге (1996 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 5 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 217 страниц основного текста, 22 таблицы, 60 рисунков, список литературы из 115 наименований и приложение.
