CAE package ShaftDesigner (in Russian)

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС SHAFTDESIGNER
Hydrodynamic lubrication

Класс автоматизированных систем инженерных расчетов (CAE, Computer Aided Engineering) в 2009 году пополнился программным комплексом ShaftDesigner, предназначенным для выполнения расчетов судовых и корабельных валопроводов, а также прочих валопроводных систем и машин с вращающимися элементами.

Программное обеспечение разработано украинской компанией Интеллектуальные морские технологии (ИМТ) под руководством канд.техн.наук Батрака Ю.А. (www.shaftsoftware.com) и является одной из немногих разработок в области судостроения, выполненных на территории бывшего СССР, получивших признание на мировом рынке.

Успех программного комплекса обеспечила возможность его применения не только для выполнения расчётов, сопровождающих процессы проектирования, но и наличие развитых технологических функций, обеспечивающих монтаж, эксплуатацию и ремонт валопроводов.

История создания программного комплекса

Начало разработки программного комплекса было положено в 1992 году, когда по заказу одного из ведущих конструкторских бюро судостроительной отрасли была разработана программа ShaftMaster расчета технологических параметров центровки валопровода, работавшая в среде операционной системы MS DOS. Впоследствии эта программа была переработана для ОС MS Windows. Одновременно с этим в нее было внесено много полезных изменений и дополнений, но областью ее применения оставалась только центровка валопровода. Удобство и простота пользования программой даже при ограниченном числе решаемых задач обеспечили успех программы.

Развитие компьютерных технологий, рост производительности аппаратных средств, запросы пользователей и, наконец, накопленный к 2007 году опыт программирования создали условия, при которых было принято решение о разработке принципиально нового комплексного программного продукта ShaftDesigner (www.shafdesigner.com). Партнером в новом проекте выступил один из ведущих клиентов ИМТ голландская компания SKF Marine Service Center (www.machinesupport.com), интенсивно использующая программное обеспечение расчета валопроводов на практике. В настоящее время эта компания, являясь опытным пользователем, обеспечивает «обкатку» новых версий программного комплекса, а также занимается его рекламой и продажами.

Основные характеристики программного комплекса ShaftDesigner

Программный комплекс является объектно-ориентированной разработкой. Расчетную основу комплекса образует модуль конечно-элементных расчетов, разработанный ИМТ, позволяющий наиболее эффективно решать задачи, избегая проблем интеграции, сопровождающих использование универсальных программ подобных ANSYS, Nastran или ИСПА.

gloriya new

В программе осуществлен принцип: одна пропульсивная установка – один проектный файл. В проектном файле содержится информация обо всех возможных режимах работы установки, сохраняется базовая модель, все созданные расчетные модели, а также результаты расчета.

Типичными, выполняемые применительно к судовым валопроводам в настоящее время, являются следующие расчеты:

  • расчет технологических параметров центровки водопровода;
  • расчет роторных колебаний (whirling vibration) вращающегося вала;
  • расчет изгибных колебаний;
  • расчет продольных колебаний;
  • расчет крутильных колебаний;
  • расчет связных колебаний (крутильно-продольных).

В прошлом разработчики, концентрируясь только на одной из упомянутых выше задач, выбирали модель данных, наиболее подходящую, с их точки зрения, для рассматриваемой задачи. В результате в обиходе организаций, проектирующих валопроводы, образовался «зоопарк» программ, несовместимых между собой по данным. Это приводило к большим затратам времени, особенно в случае модификации проекта в процессе поиска оптимального решения.

Программный комплекс ShaftDesigner избавлен от этого недостатка: единая Базовая Модель, разрабатываемая с применением графического 3D интерфейса пользователя, автоматически трансформируется в расчетные модели Приложений, соответствующие задачам из выше приведенного перечня. Любые изменения, производимые в Базовой Модели, автоматически транслируются в модели Приложений.

Поскольку расчеты валопроводов необходимо выполнять для различных его состояний в процессе строительства, ремонта или эксплуатации, в программном комплексе предусмотрено создание неограниченного числа Расчетных Состояний, оценка которых происходит одновременно, в одном расчете, что существенно сокращает время разработки и обеспечивает получение надежных результатов.

Базовая Модель

Графический интерфейс пользователя программного комплекса ShaftDesigner позволяет максимально просто и удобно создавать реалистичные 3D-модели одновальных и многовальных силовых установок.

Графический интерфейс реализует основные функции, присущие программам трехмерного моделирования, включая функцию Undo, легко настраивается под индивидуальные предпочтения пользователя.

В окне базовой модели создаются, отображаются и редактируются:

  • валы, имеющие цилиндрические и конические участки без сверлений или с полостями цилиндрическими или коническими, открытые или облицованные выбранным материалом;
  • коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания, валы редукторов;
  • соединительные элементы – фланцевые, жесткие полумуфты, втулочные, упругие и сцепные муфты, карданы;
  • дейдвудные устройства;
  • подшипники (дейдвудные, кронштейна, опорные скольжения и качения, упорные),
  • гребные винты фиксированного и регулируемого шага;
  • зубчатые колеса, маховики, демпферы и др.

Предусмотренный в программном комплексе репозиторий позволяет создавать собственную библиотеку элементов моделей, оборудования и валов, которые можно использовать в новых проектах, сохраняя затраченный ранее труд и значительно ускоряя процесс создания базовой модели. Пользователь ведет также базу данных материалов и сред, используемых при моделировании, имеется возможность выбора единиц измерения величин.

В процессе моделирования система постоянно проверяет корректность введенных данных, в том числе и размеров элементов валопровода на предмет столкновений и отсутствия противоречий.

Приложение Центровка

Согласно требованиям правил классификационных обществ начальные пространственные расположения (смещения в вертикальной и горизонтальной плоскости и углы наклона) подшипников валопровода должны во всех условиях эксплуатации обеспечивать выполнение определенного набора критериев. Нахождение таких расположений и является основной задачей приложения Центровка.

В расчетах центровки валопровод рассматривается как пространственно изгибаемая многопролетная балка переменного сечения, свободно лежащая на протяженных цилиндрических упругих опорах, перемещаемых в пространстве, диаметр которых больше диаметра вала на величину масляного зазора.

Допускаемая укладка валопровода может быть найдена вручную, однако это не всегда просто сделать, в связи с этим в составе комплекса предусмотрен модуль автоматического поиска оптимальной линии укладки валопровода.

Explorer new

Найденные расположения подшипников должны быть реализованы на практике, поэтому в число расчетных величин входят также технологические параметры для контроля процесса центровки на судне.

Программный комплекс учитывает все существующие в настоящее время технологии центровки валопровода:

  • центровка по нагрузкам на опорах валопровода или на домкратах;
  • центровка по изломам и смещениям в соединениях валов;
  • лазерная центровка – по деформациям валов;
  • центровка по напряжениям в валах.

Последний способ центровки является наиболее точным, он находит все большее применение на судостроительных предприятиях мира.

Для всех способов центровки определяются не только параметры, подлежащие реализации контролю, но и допуски к ним, поскольку в условиях судна весьма сложно в точности достичь заданных величин.

Приложение имеет также ряд вспомогательных программных модулей, позволяющих с большой степенью достоверности определять факторы, влияющие на расчетные величины:

  • деформации корпуса при изменении условий загрузки судна;
  • гидродинамические нагрузки, действующие на гребной винт;
  • силы и моменты в зубчатых зацеплениях редукторов.

Программный комплекс предоставляет возможность выполнения обратных расчетов, когда по измеренным контролируемым параметрам изгиба валопровода можно определить фактическое пространственное расположение подшипников. Это особенно важно при ремонте судов.

Дейдвудные подшипники являются наиболее ответственным элементом валопровода, поэтому в программном комплексе предусмотрены функции для расчета контактных давлений в статическом состоянии и гидродинамических давлений в смазочном слое масла или воды при вращении валопровода. Эти функции позволяют выявить характер взаимодействия вала и подшипника, а также проверить толщину смазочного слоя при работе установки.

Результаты расчета приложения Центровка и других приложений выводятся в отчеты, которые, при желании, могут быть экспортированы в текстовые документы различных популярных форматов для дальнейшей компиляции отчетов пользователя.

Приложения, связанные с колебаниями валов

Роторные колебания (изгибные колебания вращающегося вала)

В настоящее время программный комплекс предоставляет возможность определения критических чисел оборотов вращающихся валов с учетом гироскопического эффекта и учетом влияния упора винта (продольной силы). Учитывается также различие в жесткости опор подшипников в вертикальной и горизонтальной плоскости.

Расчетная модель для данного приложения, как и для всех остальных приложений колебаний валов, создаётся автоматически на основе базовой модели с возможной корректировкой её параметров и добавлением данных, отсутствующих в базовой модели, характерных только для данного вида расчета.

Результатом работы Приложения являются частоты свободных колебаний для прямой и обратной прецессии, также их формы. На диаграмме Кемпбелла (резонансной диаграмме) показывается отстройка резонансных частот от номинального числа оборотов.

В настоящее время ведется работа по расчету вынужденных роторных колебаний валов с тем, чтобы данный расчет стал проверочным для центровки валопровода.

При нулевой скорости вращения валов рассчитываются обычные изгибные колебания валов в вертикальной и горизонтальной плоскости.

Продольные колебания

Продольные колебания судовых валов вызываются, главным образом, пульсациями упора на винте вследствие неравномерности его обтекания потоком жидкости за корпусом судна, а также от действия радиальных нагрузок на коленчатом валу. Возможные резонансы лопастных и цилндровых частот могут нарушить работу упорного подшипника или вызвать недопустимые перемещения в коленчатых валах двигателей.

В расчетах свободных продольных колебаний определяются собственные частоты и формы колебаний, строится резонансная диаграмма. Расчеты вынужденных колебаний выполняются для фиксированных частот, которыми представляется спектр возмущающих сил для заданного диапазона чисел оборотов установки.

В программном комплексе ShaftDesigner для выполнения расчетов всех видов вынужденных колебаний (продольных в том числе) предусмотрены два способа – в первом (Full solution) решаются системы линейных алгебраических уравнений по каждой частоте спектра возмущений. При этом абсолютное и относительное демпфирование задаются для любого из соответствующих элементов валопровода. Во втором (Mode superposition) – решение ищется в виде разложения по формам свободных колебаний, а демпфирование задается для модели в целом по каждой из учитываемых форм колебаний.

Результаты представляются как в виде распределения амплитуд расчетных параметров, как по гармоникам, так и в виде результирующих кривых с учетом фаз гармоник. Для просмотра результатов используется специальный браузер, открывающий доступ к расчетным данным в любых элементах валопровода. Имеется также возможность просмотра и вывода в отчет графиков колебаний в зависимости от времени.

Браузер результатов расчета используется и во всех других приложениях, где рассчитываются вынужденные колебания.

Крутильные колебания

Крутильные колебания являются наиболее опасным видом колебания для установок с двигателями внутреннего сгорания. Проблемы установок такого типа были выявлены более ста лет назад, в связи с чем, методы расчета крутильных колебаний давно сложились и являются наиболее разработанными.

Программный комплекс, имея возможность генерирования дискретной расчетной крутильной схемы из базовой модели, позволяет задавать её, не прибегая к построению базовой модели. Для этого предусмотрен специальный графический редактор крутильной схемы. Это позволяет рассчитывать крутильные схемы, созданные в других системах вне программного комплекса.

Коллаж крутильные

Комплекс позволяет рассчитывать установки, в которых свойства упругих соединительных элементов не являются постоянными, а зависят от частоты колебаний или от нагрузки.

Расчеты выполняются как для нормальной работы двигателя, так и при наличии проблем в одном из цилиндров. Тут имеются ввиду отключение подачи топлива в цилиндр, отсутствие компрессии, полное отсутствие поршня.

В расчете вынужденных крутильных колебаний определяются значения переменных крутящих моментов, амплитуды, ускорения и скорости колебаний, переменные моменты, действующие в зацеплении зубчатых передач, потеря мощности в упругих соединения. Параметры колебаний могут представляться как в зависимости от частоты вращения валопровода установки, так и во времени на выбранной частоте.

Результаты расчета автоматически анализируются на предмет выполнения установленных ограничений и в случае их превышения назначается либо запретная для длительной работы зона, либо запрещается работа в каком-то диапазоне. Все это находит отражение, как на графиках, так и в таблицах.

Для расчета крутильных колебаний, возникающих при ударах лопастей винта о лёд применяется разработанный ИМТ эффективный метод численного решения системы дифференциальных уравнений. При этом отпадает необходимость упрощения крутильной схемы, как это рекомендуется делать некоторыми классификационными обществами в случае применения обычных численных методов расчета.

К настоящему времени ИМТ имеет до 40 пользователей своих продуктов по всему миру и число их постоянно растет. Среди них такие известные компании как Germanisсher Lloyd, General Dynamics, MAN, Schottel, Gibbs & Cox, Scana Volda, Centa. Из российских компаний следует упомянуть НПО Винт, ЦКБ Вымпел, Северное ПКБ, Балтийский завод. В настоящее время ведутся переговоры с другими российскими компаниями относительно поставки программного комплекса.

В следующую версию программного комплекса будет включен специальный проектный модуль, позволяющий вести разработку пропульсивного комплекса с нуля, начиная с согласования параметров корпуса, винта и двигателя и последующего автоматического синтеза валопровода на основе требований правил определенного классификационного общества. С целью создания проектной документации разработанная пропульсивная установка будет экспортироваться в одну из систем проектирования. С реализацией этого модуля программный комплекс будет полностью соответствовать своему названию – ShaftDesigner.

Ю. А. Батрак

Интеллектуальные морские технологии

Николаев, Украина

batrak@shaftsoftware.com

CAE-package-ShaftDesigner-in-Russian.pdf