拖曳水池拖車結構方案設計

陳玉龍，雷 宇，張 亮

(中國船舶重工集團公司 第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引言

近十年來，我國船舶工業快速發展，目前正處于從“造船大國”向“造船強國”轉型的戰略機遇期。要成為船舶強國，最主要的是提高研發水平。船型設計和性能預報是船舶設計的主要工作之一，也是船舶設計中的關鍵技術，集中體現了船舶產品的核心競爭力。船舶性能研究是船舶研發的靈魂，是船舶更新換代的主要動力［1］。

對于船舶性能的研究，主要分為理論方法和實驗方法。得益于現代計算機技術的飛速發展，通過數值模擬來研究船舶性能的工作得以蓬勃開展，并取得顯著成果。但目前有限的理論模型也是以試驗結果為基礎的，關于船舶快速性方面的知識，特別是提供設計應用的優良船型以及估算阻力的經驗公式和圖譜，大部分都是通過船模試驗得來。試驗是工程應用與科學研究中一種基本和必要的過程，新理論的發展和新船的設計能否達到預期效果，也都需要通過船模試驗來驗證［2］。船模試驗是進行船舶性能研究的重要組成部分，因此世界上造船工業比較發達的國家，無不重視船模試驗水池的建設，并相應地發展船模試驗技術［3］。

拖曳試驗水池是進行船?？焖傩栽囼炑芯康幕驹O備，也可進行船模操縱性和耐波性的部分試驗，是船模性能試驗的主要設施之一。目前，我國有大小拖曳水池十余座，主要分布于大學及科研院所中，大部分建于二十世紀七、八十年代。近年來，拖曳水池大多進行了改建，主要改造拖車電控系統及數據采集系統，現代拖曳水池多采用等速度方法進行阻力測試，拖曳水池具備有較好的試驗條件，能進行重力式水池中無法進行的試驗，它的使用范圍廣泛，而且便于采用新的試驗技術［4-7］。拖車是拖曳試驗水池中最重要的技術設備，是做水中性能試驗的基本設備，其作用是拖曳模型在試驗水池中運動［8］。

本研究以某拖曳水池的拖車為研究對象，對其結構方案設計展開說明，并對關鍵結構部件進行強度特性分析，期望為水池拖車設計的研究人員提供參考幫助。

1 拖車結構

拖車車體由主梁和端梁組成，前端為控制室，控制室內安裝有拖曳系統操控臺、測力系統操控臺、中央測橋操控臺，中部為帶導軌的測試橋，測試橋上為可橫向運動及升降回轉的測試小車，升降桿下端連接測力天平和被試品，整車結構示意圖如圖1 所示。

組成框圖如圖2 所示。

2 工作流程

拖車主要實現被試品的安裝、調試、裝夾及航行試驗等，工作流程如圖3 所示。

圖1 拖車結構示意圖

圖2 拖車組成框圖

圖3 拖車工作流程

3 運行參數設計

以拖車中心為基準，其運行行程如圖4 所示。該水池有效長度為170 m，可對長度為2 000 mm～7 000 mm的試驗模型進行試驗。A 點為拖車運行起始點，考慮被試品的安裝空間，啟動位置距船塢頭5 m，初速度為0 m/s，加速度為0.7 m/s2，末速度為7 m/s，加速時間大約10 s，行程為35 m;B 點為速度達到7 m/s的勻速階段的起始點，勻速階段行程為80 m，該階段也是拖車的實際工作階段;在工作階段結束后，首先采用電機按一定的減加速度減速運行，產生能耗制動，電機減加速度按－0.8 m/s2設計，減速距離為30.6 m。在強制限位位置放棄電機制動功能，采用抱軌制動，液壓抱軌制動力為56 kN，制動減加速度為－2 m/s2，制動距離約為12 m，預留15 m。在運行過程中根據設定的測試時間到達后采用電機減速，到限位位置后，采用液壓制動。D 點為停車點，距水池末端20 m。

圖4 拖車運行行程圖

根據設計選型，制動時滑動摩擦系數μ=0.2，車重M=30 t，車最高速度為7 m/s，則單邊制動時加速度:

設單側制動距離為S1，兩側制動距離為S2，則根據要求:

設單側制動時間為t1，兩側制動時間為t2，則總制動時間:

由已知條件可知，兩側制動時加速度為:

則:

根據式(1～7)，即可確定t1、t2、S1、S2取值范圍，根據實際情況可確定t1、t2、S1、S2取值，本研究根據實際情況經計算得總時間t=t1+t2=3.86 s，總距離S=S1+S2=14.58 m。

4 相關計算

4.1 拖車傾覆計算

被試品水下阻力為F水=1 250 N，阻力傾覆力矩的力臂為L=2.6 m(水下阻力產生傾覆力矩的支點為車體前輪與軌道的接觸點)，則被試品產生的傾覆力矩:

設車體自重為G=30 000 kg(不含被試品重量)，重心近似為車體的幾何中心位置，被試品質量G1=3 000 kg，總浮力為0，前后輪間距為L=6.5 m，剎車點(軌道面)距車體重心h=0.725 m，剎車點距被試品重心H=2.6 m，啟動時車體及被試品共同加速度為amax=0.7 m/s2，則有:

車體自身后傾:

被試品使車體前傾:

故車體總傾覆為車體后傾，其力矩為:

4.2 拖車主梁靜剛度及強度計算

拖車受力狀態簡圖如圖5 所示。拖車主梁為連接兩行走端梁的橋架及吊裝被試品的承重構件，單梁翼緣寬度800 mm，高度650 mm，兩梁間距1 160 mm。主梁端部為L 形，左腹板厚12 mm，右腹板厚8 mm，上翼緣板厚度16 mm，下翼緣板厚度14 mm。本研究對整體車架采用有限元軟件模擬分析，考察其力學特性，車架應力和變形云圖如圖6 所示。通過分析可得，拖車最大應力17.50 MPa，最大變形小于0.51 mm，小于45#鋼屈服強度471 MPa，滿足強度要求。

圖5 拖車受力狀態簡圖

4.3 拖車固有頻率計算

拖車在運動過程中存在較大的加速和減速，設計中為避開拖車固有頻率防止共振，對拖車的固有頻率進行計算，拖車一階和四階振型如圖7 所示，拖車1～10 階固有頻率如表1 所示，由表1 可知，拖車的共振頻率主要發生在30 Hz～60 Hz 頻段。

圖6 拖車應力變形云圖

圖7 拖車振型云圖

表1 拖車1～10 階固有頻率

4.4 中央測橋剛度及強度計算

中央測橋為整個拖曳水池的核心測量機構，關乎系統的正常運行。劍體為中央測橋的主要承載部件，其截面形狀如圖8 所示。本研究以被試品最大加速度2 m/s2計算其力學特性，中央測橋最大應力和變形如圖9 所示，通過分析可知，最大應力68.65 MPa，最大變形為16.97 mm，小于45#剛屈服應力471 MPa，滿足強度要求。

圖8 劍體截面

圖9 中央測橋應力變形云圖

4.5 中央測橋固有頻率計算

為水下避免被試品運行時和中央測橋發生共振，計算中央測橋固有頻率，一階二階振型云圖如圖10 所示。中央測橋1～5 階固有頻率如表2 所示。由表2 可知，中央測橋的共振頻率主要發生在38 Hz～40 Hz、80 Hz～139 Hz頻段。

表2 中央測橋1～5 階固有頻率

5 結束語

本研究以某拖曳水池拖車為研究對象，對拖車結構方案設計展開說明，介紹了拖車的系統組成及工作流程，根據要求進行了運行參數設計，展開了相關計算并對重要結構件進行了強度校核及模態分析。由介紹可知，拖車結構設計中應重點考慮運行參數設計，運行過程中傾覆狀態計算，并考慮輸入和運行中避開重要結構件的固有頻率。

圖10 中央測橋振型云圖

該方案經有限元仿真分析，結果表明其能夠滿足設計要求。該方案拖車目前已完成出廠驗收，調試運行效果良好。

［1］朱德祥，冷文浩，李百齊，等.CAE 在船舶性能研究領域的應用［J］.中國造船，2007(2):48.

［2］周廣利，黃德波，李鳳來.船模拖曳阻力試驗的不確定度分析［J］.哈爾濱工程大學學報，2006，27(3):377-381.

［3］李廣年，謝永和，郭 欣.拖曳水池方案設計［J］.中國造船，2011，52(3):109-114.

［4］余湘三，陳澤梁，樓連根，等.船舶性能實驗技術［M］.上海:上海交通大學出版社，1991.

［5］孫長龍.船模拖曳水池主要參數的確定［J］.武漢水運工程學院學報，1981(2):102-107.

［6］楊松林，孫小峰.確定拖曳水池長度的方法［J］.船舶工程，2001(6):61-63.

［7］謝克振，周占群，宋家瑾，等.水池阻塞效應的試驗探討［J］.上海船舶運輸科學研究所學報，1978(2):1-5.

［8］于志丹.試驗水池拖車速度控制系統設計與實現［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學自動化學院，2008.