Учет случайных факторов при расчете крутильных колебаний валопроводов судовых дизельных установок методом главных координат тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат технических наук Нгуен Динь Тыонг

• Нгуен Динь Тыонг
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нгуен Динь Тыонг

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ физической крутильно-колеблющейся модели судовых валопроводов дизельных установок.

1.2. Требования классификационных обществ по крутильным колебаниям судовых валопроводов.

1.3. Расчет свободных колебаний.

1.3.1. МетодТолле.

1.3.2. Метод Терских.

1.3.3. Метод Хольцера.

1.3.4. Погрешность расчета частоты свободных колебаний

1.4. Расчет вынужденных колебаний.

1.4.1. Расчет вынуждающих моментов.

1.4.2. Расчет демпфирующих моментов и их работа.

1.4.3. Расчет резонансных колебаний.

1.4.4. Расчет нерезонансных колебаний.

1.4.5. Расчет околорезонансных колебаний и режим перехода через резонанс

1.4.6. Определение запретных зон чисел оборотов и оценка результатов расчета.

1.5. Мероприятия и средства уменьшения резонансных крутильных колебаний судовых валопроводов.

1.6. Теоретические основы измерений крутильных колебаний судовых валопроводов.

1.7. Цель и задачи исследований.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ СУДОВЫХ ВАЛОПРОВОДОВ МЕТОДОМ ГЛАВНЫХ КООРДИНАТ

2.1. Уравнения вынужденных колебаний многомассовой системы в обобщенных координатах.

2.2. Основы метода главных координат.

2.3. Применение метода главных координат для расчета крутильных колебаний судовых валопроводов.

2.3.1. Постановка задачи.

2.3.2. Жесткостные, инерционные и демпфирующие характеристики элементов судовых валопроводов.

2.3.3. Расчет свободных колебаний матричным методом и построение матрицы форм собственных колебаний

2.3.4. Построение частотной диаграммы и определение возможных резонансных оборотов.

2.3.5. Расчет вынуждающих моментов. Переход от обобщенных к главным координатам.

2.3.6. Определение динамических перемещений методом интерполяции кусочно-линейного типа.

2.3.7. Переход от главных к обобщенным координатам. Определение напряжений на участках валопровода.

2.3.8. Алгоритм расчета крутильных колебаний судовых валопроводов методом главных координат. Ю

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УЧЕТА СЛУЧАЙНЫХ ФАКТОРОВ ПРИ РАСЧЕТЕ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ СУДОВЫХ ВАЛОПРОВОДОВ.

3.1. Методологические основы расчета крутильных колебаний судовых валопроводов с учетом случайных факторов.

3.2. Определение законов распределения параметров.

3.2.1. Характеристики случайных величин.

3.2.2. Функция эмпирического распределения.

3.2.3. Функция теоретических распределений.

3.2.4. Графические представления вероятностей и проверка допущений о законе распределений.

3.3. Генерация случайных чисел по заданному закону распределения

3.4. Статистическая обработка случайных процессов.

3.4.1. Основные положения.

3.4.2. Дискретизация случайного процесса.

3.4.3. Корреляционный и спектральный анализ.

3.4.4. Чувствительность модели.

3.4.5. Адекватности модели.

3.5. Классификация параметров, входящих в процесс расчета крутильных колебаний судовых валопроводов

3.6. Статистические характеристики массогабаритных параметров деталей ДВС

3.7. Статистические характеристики параметров рабочего процесса ДВС.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА И ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА РАСЧЕТА КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ МЕТОДОМ ГЛАВНЫХ КООРДИНАТ С УЧЕТОМ СЛУЧАЙНЫХ ФАКТОРОВ.

4.1. Последовательность расчета крутильных колебаний судовых валопроводов методом главных координат с учетом случайных факторов

4.2. Структура программного комплекса.

4.3. Модуль LAWS.

4.4. Модуль GENERATOR.

4.5. Модуль GAUSS.

4.6. Модуль TORSIONAL VIBRATION.

4.7. Модуль ANALYSIS.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СЛУЧАЙНЫХ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ МЕТОДОМ ГЛАВНЫХ КООРДИНАТ.

5.1. Задачи эксперимента.

5.2. Исследования крутильных колебаний валопроводов теплохода Невский 23 ».

5.3. Исследования крутильных колебаний вапопровода теплохода Walsertal »

5.4. Исследования крутильных колебаний вапопровода теплохода Иван Скуридин ».

5.5. Исследования крутильных колебаний вапопровода теплохода Федор Ерозиди ».

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Учет случайных факторов при расчете крутильных колебаний валопроводов судовых дизельных установок методом главных координат»

Связанный в одну общую упругую систему с валом главного двигателя, маховиком и упорным подшипником с одной стороны и с гребным винтом с одной стороны, судовой валопровод может совершать продольные, поперечные и крутильные колебания как только система будет соответственно возбуждена. При этом крутильные колебания являются самыми существенными и опасными.

Крутильные колебания валопровода дизельной установки являются одним из основных факторов, влияющих на прочность и безопасность судовых энергетических установок. Поэтому расчет крутильных колебаний судового валопровода является обязательным требованием большинства классификационных обществ.

Проблема повышения точности расчета крутильных колебаний валопровода в настоящее время остается актуальной.

Традиционное решение задачи о крутильных колебаниях судового валопровода имеет следующие особенности:

- вынуждающие моменты считаются детерминированными. В действительности природа этих моментов носит случайный характер, который определяется погрешностями изготовления деталей, рассеиванием их масс, отклонениями параметров рабочего процесса ДВС и т. д. Таким образом, инерционные и упругие свойства судового валопровода, крутящие моменты как со стороны ДВС, так и гребного винта являются функциями большого числа факторов, многие из которых - случайные по своей физической сущности. По этой причине крутильные колебания валопровода также будут случайными;

- вынуждающие моменты задаются в виде совокупности гармоник. Эти гармоники вычисляются предварительно путем разложения исходной функции в ряд Фурье. В дальнейшем учитывают не все гармоники, а только наиболее значимые. С точки зрения методического подхода пренебрежение отдельными гармониками приводит к погрешности определения резонансных амплитуд.

Указанные принципиальные особенности и связанные с ними ограничения во многом можно устранить при расчете крутильных колебаний методом главных координат с учетом случайных факторов.

О сущности метода главных координат говорилось в разных работах [7, 56, 63, 67, 81, 98, 112]. Идея его использования к задаче колебаний валопровода принадлежит В. К. Румбу [76] и получило дальнейшее развитие в [64]. В настоящей работе делается попытка систематизировать применение метода главных координат для расчета крутильных колебаний валопровода дизельной установки.

Приведенные в технической литературе теоретические крутильные модели носят детерминированный характер, описывают частные случаи работы судового валопровода и базируются на условных физических допущениях. Поэтому полезность таких моделей становится проблематичной.

Возникла необходимость создания новой физической модели при исследовании этих колебательных процессов и, в частности, нового математического аппарата, позволяющего учесть возмущающие моменты, которые не являются детерминированными. При изучении крутильных колебаний очень эффективным оказывается статистический метод, основанный на использовании математического аппарата теории вероятностей. Этот метод следует рассматривать как дальнейшее обобщение явлений, когда обычные оценки являются частным случаем. С помощью этого метода, естественно, можно получить более исчерпывающие оценки динамики системы и найти технологические и конструктивные решения в защите судовых валопроводов от крутильных колебаний.

Не менее важным является использование при исследовании крутильных колебаний метода Монте-Карло, которые позволяют оценивать напряжения с учетом случайных факторов параметров. Наличие быстродействующих вычислительных машин, позволяющих экономично и быстро моделировать характеристики сложных систем - как судовых валопроводов, привело к широкому распространению метода Монте-Карло. С помощью этого метода можно получить реальную картины крутильных колебаний судовых валопроводов дизельной установки, что является дальнейшим развитием исследования этого явления.

Теория случайных процессов была хорошо разработана применительно к задачам радиотехники и автоматического регулирования, где эффект от случайных возмущений оказался соизмеримым с эффектом от детерминированных возмущений и игнорирование случайным возмущениям приводило к неверным результатам. Поэтому теория случайных процессов была привлечена к решению конкретных задач, относящихся к радиотехнике и автоматическому регулированию, много раньше, чем в других областях техники, в частности, раньше, чем для исследования механических систем, где случайными возмущениями, как правило, пренебрегали. В настоящее время инженеры по автоматике и радиотехнике могут использовать большое количество руководств теории вероятностей и статистики, на разных уровнях сложности и строгости, но с большой полнотой трактующих все основные проблемы, возникающие в их области техники. А для инженеров - механиков существуют лишь некоторые книги [15, 16, 33, 53], дающие общие задачи случайных колебаний. Все это свидетельствует о том, что до сих пор отсутствуют конкретные исследования случайных крутильных колебаний судовых валопроводов.

Разработка математической модели расчета крутильных колебаний с учетом случайных факторов на основании применения метода главных координат и его реализация нашли свое отражение в представляемой работе и ее приложение.

Заключение диссертации по теме «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)», Нгуен Динь Тыонг

Выводы

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. Существующие и общепризнанные методы расчета крутильных колебаний судовых валопроводов базируются на детерминированном подходе и не учитывают случайное рассеивание параметров крутильной модели. Между тем, такое рассеивание имеется, и оно определяется технологическими, производственными и эксплуатационными факторами.

2. Применение метода главных координат позволяет представить крутильные колебания многомассовой дискретной модели в виде совокупности независимых друг от друга дифференциальных уравнений. Решение этих уравнений дает возможность получать расчетные тензограммы для любого участка судового валопровода и отказаться от промежуточной операции - гармонического анализа вынуждающих моментов.

3. На базе метода главных координат разработан программный комплекс, с помощью которого удается прогнозировать напряжения от крутильных колебаний во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала как с учетом, так и без учета рассеивания случайных параметров.

Программный комплекс состоит из следующих модулей:

- модуль LAWS для определения закона распределения параметров модели крутильных колебаний судовых валопроводов.

- модуль GENERATOR для генерации случайных чисел по заданному закону распределения.

- модуль GAUSS для расчета свободных колебаний с учетом и без учета случайных факторов.

- модуль TORSIONAL VIBRATION для расчета вынужденных колебаний с учетом и без учета случайных факторов.

- модуль ANALYSIS для корреляционного и спектрального анализа.

Модуль LAWS играет подготовительную роль. Путем стыковки программной модули GENERATOR с модулями GAUSS и TORSIONAL VIBRATION получаются исходные данные для модуля ANALYSIS.

4. Получены зависимости для оценки демпфирования в КШМ разных ДВС и установлены статистические характеристики и распределения параметров крутильной модели, которые имеют рассеивание.

5. Разработан и апробирован программный модуль для статистической обработки и корреляционного анализа расчетных и экспериментальных тензограмм. В данном модуле заключение о теоретическом законе распределения принимается на базе метода наименьших квадратов.

6. Сравнение расчетных напряжений с замеренными на валопроводах четырех судов показывает, что расхождение между ними составляет: с учетом случайных факторов около 10 %, без их учета - 13 %. Случайные напряжения от крутильных колебаний чаще всего подчиняются нормальному закону распределения. Ему отвечают 65 % расчетных тензограмм, 20 % соответствуют логарифмически нормальному распределению и всего 10% - усеченно нормальному закону.

В заключение отметим, что разработанный комплекс можно рекомендовать для использования в практических расчетах. По своим возможностям он близок натурному тензометрированию, однако в отличие от последнего менее трудоемкий, так как выполняется на ЭВМ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нгуен Динь Тыонг, 2003 год

1. Агуреев А. Г., Баршай Ю. С. Крутильные колебания и надежность судовых валопроводов. М.: Транспорт, 1982. - 112 с.

2. Алексеев В. В., Болотин Ф. Ф., Кортын Г. Д. Демпфирование крутильных колебаний в судовых валопроводах. -Л.: Судостроение, 1973. -279 с.

3. Алексеев В. В., Бухарина Г. И., Похомов К. Н., Терских В. П. Крутильные колебания валопроводов силовых установок. ЦНИИ им. Акад. А. Н. Крылова/Пруды. Вып. 257. -Л.: Судостроение, 1970. - 128 с.

4. Алексеев В. В., Пахомов К. Н. Крутильные колебания в дизельной установке с крупногабаритным силиконовым демпфером. Судостроение, 1981, №5 — с.21-23.

5. Алобин М. А. Ройтман А. Б. Корреляционно регрессивный анализ статистических данных в двигателестроении. М: Машиностроение. 1974. - 216 с.

6. Андрущик В. В. Цифровые системы измерения параметров движения механизмов в машиностроении. СПб.: Политехника, 1992. - 237 с.

7. Бабаев Н. Н., Лентяков В. Г. Некоторые вопросы общей вибрации судов. -Л.: Судпромгиз, 1961.-308 с.

8. Балицкая Е. О., Буяк А. Н., Золотухина Л. А. Специальные критерии согласия для малых выборок.// Сб. науч. тр. /ЛКИ 1981: Прикладная и вычислительная математика в судостроении. - с. 14-21.

9. Балицкая Е. О., Золотухина Л. А. Система программ для определения типа закона распределения случайной величины по выборке малого объема// Сб. науч. Тр. /ЛКИ 1982: Автоматизация проектирования судовых энергетических установок. - с. 14-21.

10. Баршай Ю. С., Агуреев А. Г. Нормирование классификационными обществами нагрузок в судовых редукторах от крутильных колебаний. Судостроение за рубежом, 1990, №7 - с.42-46.

11. Бендат Дж., Пирсон А. Измерение и анализ случайных процессов. М.: Мир, 1974.-464 С.

12. Береговенко А. Ю. Крутильные колебания судового валопровода с учетом демпфирования. Киев: Акад. Наук УкрССС, 1983. - 36 с.

13. Бидерман В. Л. Теория механических колебаний. М.: Высшая школа, 1980.-408 с.

14. Биргер И. А., Шорр Б. Ф., Иосилевич Г. Б. Расчет на прочность деталей машин. Справочник М.: Машиностроение, 1993. - 639 с.

15. Болотин В. В. Случайные колебания упругих систем. М.: Наука, 1979. -335 с.

16. Болотин В. В. Статистические методы в строительной механике. М.: Стройиздат, 1965.-279 с.

17. Брауде В. И. Вероятностные методы расчета грузоподъемных машин. Л.: Машиностроение. 1978.-231 с.

18. Булгаков Б. В. Колебания. М.: ГИТТЛ, 1954. - 887 с

19. Бусленко Н. П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978. - 400 с.

20. Бухарина Г. И. Демпфирование в поршневых двигателях при резонансных21