張慧

摘 要：受外界因素影響，一旦船舶受到外力碰撞，就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，對(duì)船舶的安全造成了較大影響，嚴(yán)重時(shí)將破壞船舶管路系統(tǒng)，最終影響船舶的穩(wěn)定運(yùn)行。為了了解船舶管路系統(tǒng)彈性支撐受到?jīng)_擊之后所發(fā)生的變化，本次利用不同條件下直梁模型來(lái)模擬管路系統(tǒng)運(yùn)行，采用等效控制方法等構(gòu)建了數(shù)據(jù)方程，獲得了不同情況下直梁模型所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)影響情況。經(jīng)過(guò)對(duì)模型遭到撞擊后所產(chǎn)生的周期荷載及振動(dòng)變化可知，只有合理的布置彈性支撐位置，才能避開(kāi)共振區(qū)域，進(jìn)而提高了彈性支撐減振效果，以期給相關(guān)學(xué)者提供借鑒。

關(guān)鍵詞：船舶管理系統(tǒng)；彈性支撐；位置優(yōu)化設(shè)計(jì)

在戰(zhàn)爭(zhēng)中，船舶經(jīng)常會(huì)受沖擊作用造成內(nèi)部部件損壞，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重的故障問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，加強(qiáng)了船舶管路系統(tǒng)的研究力度，主要利用隨機(jī)輸入對(duì)彈性支撐參數(shù)及位置等進(jìn)行了分析，但沒(méi)有對(duì)沖擊荷載及位置優(yōu)化等進(jìn)行分析。本次主要采用直梁模擬船舶管路系統(tǒng)，并利用模型計(jì)算、控制等一系列操作，對(duì)不同位置的彈性支撐進(jìn)行了驗(yàn)算，可以得到各種動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)，確定了彈性支撐位置。

一、構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

本次主要對(duì)船舶彈性支撐管路系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)合彈性支撐情況，將管路系統(tǒng)中的一部分作為了直梁模型。通?？梢詫⒐苈废到y(tǒng)劃分為兩個(gè)階段進(jìn)行分析：第一階段，受沖擊荷載影響，系統(tǒng)可得到初始速度。但是此階段沖擊荷載作用的實(shí)踐較短，產(chǎn)生的沖擊較大，所以可忽略不計(jì)。第二階段是沖擊后階段，該階段中獲得的沖擊初始速度，在周期與隨機(jī)作用下會(huì)發(fā)生強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度較大。

本次分析中將其運(yùn)動(dòng)分為三步，第一，運(yùn)動(dòng)方程：

其中ρ表示航渡，E表示拉壓彈性模量，I表示斷

面關(guān)心矩，x表示激振位移，y（x，t） v表示梁撓度， 為激振位移，Cm為粘性系數(shù)，lci表示彈性支撐位置。

第二，沖擊運(yùn)動(dòng)方程。船舶受到較大沖擊力之后，可以將運(yùn)動(dòng)時(shí)間曲線表示成：

其中參量V表示衡量攻擊強(qiáng)

度的速度；T1表示沖擊運(yùn)動(dòng)非振蕩與風(fēng)量衰減時(shí)間，一般隨著船舶運(yùn)動(dòng)、類型等情況變化；時(shí)間T2為主震蕩衰減時(shí)間；時(shí)間T3為主震運(yùn)動(dòng)分量周期，隨著船位置變化變化，t表示沖擊所耗費(fèi)的時(shí)間。

第三，沖擊完成后進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)方程：

，其中， 是標(biāo)準(zhǔn)白噪聲。

對(duì)系統(tǒng)沖擊后實(shí)施控制時(shí)，必須從四種情況進(jìn)行分析：第一種，進(jìn)行自由振動(dòng)，d2=d3=0；第二隨機(jī)振動(dòng)，d2=1，d3=0；第三，周期振動(dòng)，d2=0，d3=1；第四一般情況，d2≠0，d3≠0。

二、探索最優(yōu)控制問(wèn)題

（一）制定最優(yōu)控制方程

一般采用模態(tài)分析可以將運(yùn)動(dòng)方程表示為狀態(tài)方程，此時(shí)梁應(yīng)力就可以表示為：

，其中 。

（二）了解目標(biāo)函數(shù)

為了了解系統(tǒng)在沖擊后的振動(dòng)控制，本次研究中主要將其分為四種不同狀態(tài)下，分被是自由振動(dòng)、純隨機(jī)輸入、純周期輸入與一般情況四種情況。

（三）控制方程的解

將運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模態(tài)分析后，將其表示為 ，其中 為振向量矩陣，q=[q1，q2，q3…qN]T。

第一，如果不計(jì)沖擊狀態(tài)影響，可得到?jīng)_擊階段運(yùn)動(dòng)解為

，位移與速度為qi0=qi0（t）、qi0=qi0（t）。位移與速度均為初始位移速度。第二沖擊后階段。沖擊后主要分為兩部分求解，一種為連續(xù)梁所讀初始速度是自由振動(dòng)在隨機(jī)輸入與周期輸入下所進(jìn)行的強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)，一般從自動(dòng)振動(dòng)、純隨機(jī)輸入與純周期輸入等三方面進(jìn)行計(jì)算。

三、實(shí)例分析

本次將系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為E=2×1011Pa，Cin=2×108NS/m2，l=10m，Z Zb=5×10-6m3，I=5.1×10-7m4，ρ=8.34kg/m。進(jìn)行管路系統(tǒng)彈性支撐布置時(shí)，必須要對(duì)各種運(yùn)輸情況進(jìn)行分析，在不同輸入下設(shè)置1、2、3個(gè)彈性支承，采用對(duì)稱方法設(shè)置。上述均為梁沖擊后在不同情況下所產(chǎn)生的彈性支承位置減振變化，圖中橫坐標(biāo)是lc/l0，縱坐標(biāo)是σ/σ0。l0表示梁長(zhǎng)；c為彈性支撐位置；當(dāng)設(shè)置1到2個(gè)彈性支撐時(shí)，σ0是系統(tǒng)不加載彈性支撐時(shí)承受荷載下的平均彎曲應(yīng)力，當(dāng)布置知三個(gè)彈性支撐時(shí)，σ0只表示加一個(gè)彈性支撐所受荷載的平均彎曲應(yīng)力；σ表示加載彈性支撐系統(tǒng)后，在荷載作用下所產(chǎn)生的平均彎曲應(yīng)力。

第一，分析自動(dòng)振動(dòng)情況。如上圖1所示，當(dāng)布置一個(gè)彈性支撐時(shí)，形成的最佳位置恰好在管路終端；布置兩個(gè)彈性支撐時(shí)，恰好在0.33l0和0.67l0位置；布置三個(gè)彈性支撐時(shí)，最優(yōu)位置在0.25l0、0.50l和0.75l0三個(gè)位置。

第二，隨機(jī)振動(dòng)情況。從圖2可知，對(duì)于彈性支撐的最優(yōu)位置，一般布置一個(gè)彈性支撐時(shí)，恰好在管路中點(diǎn)；布置兩個(gè)時(shí)恰好在0.35l0、0.65l0；布置三個(gè)彈性支撐時(shí)，最佳位置是0.27l0、0.50l0和0.73l0。

第三，了解周期運(yùn)行情況。從圖3可知，一個(gè)彈性支撐時(shí)，最佳位置恰好在管路中點(diǎn)；布置兩個(gè)彈性支撐時(shí)恰好位于0.37l0、0.63l0；布置三個(gè)是最佳位置是0.00l0、0.50l0和1.00l0。

第四，分析隨機(jī)與周期聯(lián)合運(yùn)行狀況。圖4展示了周期輸入及書記輸入情況下彈性支撐位置變化的減振圖，在此種操作中充分考慮了兩種不同參數(shù)的位置變化。布置一個(gè)彈性支撐時(shí)，恰好為管路中點(diǎn)；布置兩個(gè)時(shí)，最佳位置是0.37l0，0.63l0與0.39l0，0.61l0；布置三個(gè)彈性支撐時(shí)，最佳位置是0.00l0，0.50l0，1.00l0與0.33l0，0.50l0與0.67l0。

四、結(jié)果分析

結(jié)合上述分型與計(jì)算結(jié)果等分析可知，第一，彈性支撐位置影響著減振效果，圖中所表示的最小值為彈性支撐最佳位置；第二，但彈性支撐參數(shù)相同時(shí)，彈性支撐位置的合理布置不僅影響系統(tǒng)振動(dòng)及隨機(jī)振動(dòng)，而且減振效果較好，但對(duì)系統(tǒng)周期減振效果影響較大；第三，使用不同參數(shù)彈性支撐，所得的最優(yōu)位置也會(huì)發(fā)生很大變化。第四，同一個(gè)系統(tǒng)中，一旦談彈性參數(shù)給定，就必須對(duì)彈性支撐個(gè)數(shù)進(jìn)行選擇。從圖例可知，隨著彈性支撐數(shù)量的增加，不一定可得到較好的彈性支撐減振效果。以上結(jié)論在管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)彈性支撐時(shí)，具有較大作用，可以及時(shí)進(jìn)行考慮分析。

結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，爆炸量與沖擊持續(xù)時(shí)間不斷延長(zhǎng)，危害性也不斷增加，造成了嚴(yán)重的設(shè)備損害問(wèn)題。經(jīng)過(guò)分析可知，設(shè)備沖擊隔離與抗沖擊能力影響著船舶的使用壽命。因此本次利用構(gòu)建模型方式系統(tǒng)全面的分析了彈性支撐沖擊下位置優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，得到的實(shí)際應(yīng)用效果較理想。在今后分析中，還要從數(shù)據(jù)計(jì)算精確性、計(jì)算方法等進(jìn)行探究，選擇一種高效、便利的方式保證船舶安全，減少不良損害。

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