时域瞬态计算有限元计算

破冰船工作原理

破冰船的工作是用相同的物理现象做基础的：露在水面上的那一部分船身，因为它的重量没有水的浮力作用把它抵消掉，所以仍旧有它原来的“陆上”重量。你不要以为破冰船在行驶的时候是用自己的船首部分的压力不断地切开冰的。破冰船不是这样工作的，这样工作的是切冰船，例如像在三十年代的“里特克”号。这种工作方法只能用来对付比较薄的冰。

破冰船

真正的海洋破冰船是用另外一种方法工作的。破冰船上的强大的机器在开动的时候，能把自己的船首移到冰面上去，它的船首的水下部分就是因为这个缘故造得非常斜。船首出现在水面上的时候，就恢复了自己的全部重量，而这个极大的重量就能把冰压碎。为了加强作用力，有时候在船首的贮水舱里，还要盛满水“液体压舱物”。

在冰块的厚度不超过半米的时候，破冰船就是这样工作的。遇到更厚的冰块，就要用船的撞击作用来制服它。这时候破冰船就向后退，然后用自己的全部质量向冰块猛撞上去。这时候起作用的已经不是重量，而是运动着的轮船的动能；船好象变成了一个速度不大但是质量极大的，变成了一个撞锤。

船舶推进轴系承担着传递主机功率的作用，是

船舶的重要组成部分。在船舶修造过程中，世界各

大船厂因轴系校中不良，导致主机拐挡差超标、尾管

后轴承高温报警或振动过大等问题。船舶轴系校中

质量的优劣受多种因素的影响，主要因素有：推进轴

系的校中设计、轴系制造加工精度、轴系安装精度

等。为避免后期出现轴系校中质量问题，必须

进行轴系校中计算。在进行轴系校中计算时，需对

实际的轴系根据一定的原则，简化为校中计算模型。

中间轴承、主轴承和尾管前轴承，一般都可以简化成

单支点模型，且支撑点可以放在轴瓦的中心处。但

尾管后轴承因受螺旋桨悬臂作用，作用力中心后移，

且轴颈中心存在挠曲变形，时域瞬态计算水动力载荷计算，其建模相对复杂，有多种

建模方法。

2018年，雪龙号在从北极地区开展航行任务的返航途中，推进系统轴承发生故障，我方受邀配合调查故障原因，主要故障现象是：轴承严重磨损，并伴有显著的温度升高。

（图：雪龙号轴承故障图）

问题分析：

技术人员到船上实地查看轴承后同船上机组人员进行了详细交流。经讨论，对于当前轴承故障，我方初步提出三条可能的故障原因：

（1）未知原因的轴承润滑油泄露；

（2）极低风暴条件下的螺旋桨极限载荷激励影响；

（3）冰冲击下的回旋振动诱发动态载荷导致轴承压力过载；

故障定位：

综合上述三点原因，经机组人员确认无漏油现象，故基本上排除了个原因；此外，在极端风暴气候条件下，船舶已经航行了24年，所以第二个原因也被排除。故，由于冰冲击以及回旋振动诱发的动力载荷造成的轴承过载是接下来要重点检查和验证的原因。

（图：雪龙号轴系检测）

解决方案：

为了验证上述轴承故障原因，我们技术团队利用 软件对当前轴系进行了建模和分析。为此，我们研究了该船的原始设计和校中计算文件，以及主机厂商在校中安装期间测量的数据。

通过软件的计算得到一个未预期的事实：雪龙号即使是在正常航运环境下运行，轴承就已存在大约6%的压力过载。通过研究现有的轴系校中计算报告文件，我们注意到，根据轴承历史的计算结果，轴承的安全冗余量很小，几乎很接近限值。

值得注意的是，艉管轴承计算时采用的是逐点模型。我们重新对艉轴管轴承采用用更为可靠的可扩展支撑模型进行计算后，得出了上述6%的轴承过载量；雪龙号轴系的特点是采用单尾管轴承设计，这使得后面的中间轴承更容易受到来自螺旋桨的外部载荷的影响。

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