首页 > 解决方案 > 船舶 > MapleSim_冰 MapleSim_冰槽中船舶拖车的动力学建模和分析


图1. 浮式生产储油卸油船(FPSO)

1.问题介绍

      NRC(加拿大国家研究委员会) 研究人员使用Maple/MapleSim研究运行在冰覆盖水域中的船体和结构的设计。冰槽被冷却到-20 ºC生成高达15厘米的冰面。图中显示的浮式生产储油卸油船(FPSO)是一个10米长的船体模型,它是使用在加拿大Terra Nova油田的FPSO船的等比例模型。

     破冰船被用于航行通过冰覆盖的水域,设计时让它能够打破和清除航行路线上的冰块。破冰船通常的航速为0.002米/秒 至 4米/秒,通过冲上冰块并利用巨大的重量破冰,粉碎船体下面的冰块。

      传统的船舶由于设计通常不能在冰层覆盖水域航行,例如北极地区。航行在冰层覆盖水域需要特殊的船舶设计,通常称为破冰船。破冰船有三个重要的特征,使它能够粉碎船下的冰层。这些特征是:1) 加固的船体,2) 破冰外形,和 3) 一个强大的引擎。在真实破冰船建造前,这三个特征要求在冰槽中经过严格的测试和优化。冰槽是一个冷冻水池,主要用于模拟海流和积冰对船体的碰撞,等比例船体由龙门拖车牵引在冰层上行驶。龙门拖车由一个电动机通过电子控制的变速箱驱动,让等比例船舶获得所需的转矩和速度性能。我们实验室中冰槽的长宽高分别是90米,12米,和3米。在破冰船建造前,船体需要在冰池中进行严格的破冰能力测试。

     冰槽中存在的问题是可能会歪曲获得结果的完整性。这里研究的情况是,工程师注意到当船舶以较低速度运行时,船模变得不稳定。通过对这个问题源的调查,发现船体破冰时产生的力会引起驱动龙门拖车的齿轮轮齿间的侧隙。控制器,试图校正侧隙,会导致船模的速度过高,然后过低,幅度的逐渐增加最终会损坏设备。

     为了获得准确的冰槽模拟结果,纠正冰槽中的设计问题是至关重要的。也就是说,如果没有准确的冰槽机构模型,就无法区别问题来自于冰槽还是船舶。行业内的常用做法是开发一个冰槽的数学模型,准确地模拟冰槽实验池中的性能


2.解决方案
     为了纠正这个错误,我们使用MapleSim和Maple创建了冰槽系统的高保真数学模型。该模型使用了两组不同的参数集:第一个参数集模拟破冰过程中无摄动的冰槽模型,第二个参数集考虑了破冰的影响。这样做的目的是让模型能够准确地抓住真实系统中反映的车辆动力学行为。
 
     为了减小变速箱中的侧隙,我们使用了不同方案在模型上测试。重新校准的PID控制器降低了系统中存在的侧隙,然而无法将它降到项目组满意的程度。作为一个替代方法,一个转矩预载元件被添加到变速箱的输出轴,以防止齿轮轮齿滑动。使用MapleSim的优化分析模板,结果发现预载为-3.5 Nm的转矩可以确保稳定龙门拖车和船模的速度。

     本文描述了开发冰槽拖车模型的步骤,此外描述了消除变速箱中齿轮轮齿侧隙引起的颤振。
3.实施步骤
3.1冰槽拖车的模型描述
     图2中的自由体图是冰槽中模型船的简化表示。水的作用力  和破冰的碰撞力   是阻止龙门拖车的作用力  。尽管没有描述,应该注意到电动机/驱动包含一个变速箱。变速箱转换电动机转矩到一个线性作用力驱动龙门拖车。
 
     在实际的物理系统中,轨道位于冰槽实验池上方(也就是冰层和模型船之间)。在示意图中,轨道位于电动机/驱动元件的下方,目的是描述系统中力的相互作用。


图2:冰槽机构的自由体示意图

我们可以很容易地用MapleSim中将图1中的自由体示意图转换为物理模型。


图3:冰槽机构的物理模型表示

     图3是MapleSim中的物理模型表示。物理模型中添加了转矩阶跃元件,用于消除破冰过程中的齿轮侧隙。添加转矩阶跃的原因将在下一节中讨论。

     在示意图中,模型模型由设备和控制器子模型组成。控制器子模型调正驱动电动机的电压改变模型船的速度,这些变化通过连接在龙门拖车和模型船子模型之间的速度传感器返回到PID控制器。 设备模型由5个子模型组成,分别是1)直流电动机,2)变速箱,3)龙门拖车,4)模型船,和5)破冰。

•直流电动机子模型使用一个简化的电路模型代替。
•变速箱子模型使用了必要的固定刚度、阻尼、和死区表示齿轮轮齿的侧隙。
•龙门拖车子模型表示为一个理想的旋转到平动齿轮。
•模型船表示为重为80,000公斤的滑动质量,以及带有表示阻尼效果的阻力。
•破冰子模型包含在模型中,作为一种手段测量破冰的系统响应。这个子模型使用了一个锯齿循环:一个线性增加的作用力,当冰破开后释放为零。

     注:模型中使用的每个子模型和元件可在.msim文件中看到。

3.2验证模型的准确性
     图3中的模型(没有预载转矩元件)通过两组不同的参数集,测试模型相比实际结果的正确性和精度。第一个参数设置模拟破冰过程中无摄动的冰槽模型,第二个参数集考虑了破冰的影响。这两个模拟的结果分别介绍在下两个小节中

3.2.1无破冰摄动的系统响应
     从下面是个图形中可以看到,当系统没有摄动(也就是破冰),龙门拖车的速度是一个平滑的轨迹。此外,阶跃输入和速度反馈信号的差值快速变为零。实际上,存在差值的唯一原因是系统需要大约35秒的达到稳定状态。



 
注:下面的图形是使用定义在"InitialParamSet_NoPertubations.params"文件中的参数集模拟模型获得的。
3.2.2 破冰摄动的系统响应
    正如预测的一样,当系统开始破冰时,龙门拖车的速度开始振荡。破冰状态下的系统响应如下面的四个图形。图形上的注释描述了在不同时间步上的系统响应。


注:下面的图形是使用定义在"InitialParamSet_Pertubations.params"文件中的参数集模拟模型获得的。

4.结果分析
  许多不同的方法被考虑消除龙门拖车中的速度振荡。一个方法是提高PID控制器的比例增益,不幸运的是,虽然提高比例增益减少了齿轮轮齿间的颤动,但它也放大了供给直流电动机的电压,明显超过了电动机的规格。

  行业中消除齿轮侧隙一个普遍做法是添加一个预载扭矩到变速箱,迫使齿轮轮齿时刻保持接触。我们添加一个"applied torque"块到物理模型,模拟预载转矩的作用。使用Maple中的优化模板确定稳定龙门拖车需要的"applied torque"的数值(请参考Document Folder中的Optimization.mw文件获得更多的信息)。使用 -3.5 Nm 转矩载荷可以获得一个适当的速度响应。

  预载转矩的系统响应显示在下面的图形中。显然,我们可以看到齿轮转矩不再显示颤动信号,而且龙门拖车的速度稳定到一个预想的速度。


  

  注:下面的图形是使用定义在"FinalParamSet.params"文件中的参数集模拟模型获得的。

  本文概述了如何建立一个冰槽龙门拖车的高保真物理模型准确预测实验过程中行为。通过使用两组不同参数集模拟验证模型,第一个参数集模拟破冰过程中无摄动的冰槽模型,第二个参数集考虑了破冰的影响。正如预料,但系统开始破冰时,龙门拖车和模型拖车的速度开始振荡。通过调查发现了问题的根源,船体在破冰时产生的作用力引起驱动龙门拖车的齿轮侧隙。为了补偿齿轮侧隙,控制器导致船模的速度过高,然后过低,对实验设备造成损坏。工程师们考虑增加一个转矩预载元件的方法以减小变速箱中的侧隙,对转矩预载元件建模时使用了一个转矩阶跃元件。最后使用MapleSim中的全局优化模板,优化分析后发现 -3.5 Nm 的转矩预载足够稳定龙门拖车和模型船的速度。