Käänteinen akselijohdon kuormitusten määritysmenetelmä ja sen tutkiminen mallikokeilla

• Main Author: Riekki, H. (Henri)
• Format: Dissertation
• Language: Finnish
• Published: University of Oulu 2014
• Subjects: Mechanical Engineering
• Online Access: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201405291589; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:fi:oulu-201405291589

Tässä työssä tutkitaan inversiolaskentamenetelmää jääkuormien määrittämiseksi jäänmurtajan akselijohdosta mitatuista jännityksistä. Menetelmän tutkinnan avuksi suunnitellaan ja rakennetaan kahden vapausasteen värähtelijää kuvaava koelaite. Jäänmurtajat aukaisevat jäätyneitä laivaväyliä ja pitävät niitä muille lavoille kulkukelpoisina. Jäänmurtajat on erityisesti suunniteltu tätä tehtävää varten keulansa muotoilulla ja rungon vahvistuksilla. Laivan akselilinja kokee avoveden aikaisen käynnin kuormitusten lisäksi jäälohkareiden aiheuttamia kuormituksia näiden iskeytyessä potkuriin. Jääkuormien stokastisesta luonteesta ja tutkimuksen vähäisyydestä johtuen, akselilinjan kuormituksia ei tunneta tarkasti. Erityisesti akselilinjan vääntövärähtelyt jääkuormituksessa ovat hyvin huonosti tunnettuja. Työn teoriaosassa käsitellään vääntövärähtelyn ominaistaajuuksien ja ominaismuotojen laskentaa, vaimennusta, impulssiherätettä sekä -vastetta, konvoluutiointegraalia ja inversiolaskentaa Tikhonov-regularisoinnin avulla. Työssä käsitellään myös yksinkertaisen akselikonstruktion suunnittelua ja mitoittamista, sekä tutkitaan konstruktiota moodianalyysillä. Mallikokeen, usealla iskuvasaran kärjen kovuuksilla saatuja mittaustuloksia käytetään inversiolaskentamenetelmän tutkimiseen sekä sen rajoitteiden ja puutteiden selvittämiseen, jotta sen luotettavuudesta laivojen akselikuormien laskemisessa saataisiin parempi ymmärrys. Mitatusta vasteesta lasketaan inversiolaskenta-menetelmällä heräte eri aika-askeleen pituuksilla ja regularisointiparametrin arvoilla. Näitä tuloksia verrataan mitattuun herätteeseen. Virheellisen impulssivastefunktion vaikutusta dekonvoluution virheeseen tutkitaan muuttamalla impulssivastefunktion vakiota ja laskemalla heräte muutetuilla arvoilla. Iskujen pituuden ja amplitudin sekä vaadittavan mittaustaajuuden ja regularisointi-parametrin välillä huomataan olevan yhteys. Käytetyistä iskuvasaran päistä kovemmilla tehdyt lyhyet iskut asettavat mittaustaajuudelle suuria vaatimuksia ja tämän johdosta niiden laskenta tietokoneella on raskasta. Liian alhaisen mittaustaajuuden tunnistaminen tai huonon regularisointiparametrin valinta ilman tietoa iskusta on myös hankalaa. Käänteislaskennassa käytettävän impulssivastefunktion tarkkuudella huomataan oleva suuri vaikutus laskettavan herätteen tarkkuuteen. === In this thesis an inverse method for ice load determination of icebreaker shaft line is studied. To further the study of the method a small-scale two degrees of freedom experiment is designed and built. Icebreakers open frozen shipping lanes and keep them in working condition for other vessels. Icebreakers are especially designed for this duty with the shape of their bow and ice-strengthened hull. The shaft line of the vessel, in addition to the forces of normal running in open water, is subjected to forces caused by ice hitting the propeller. Due to the stochastic nature of ice load and scarcity of research, the shaft line loads are not well known. The knowledge is especially lacking in the torsional vibrations of a shaft line under ice load. Natural frequencies and normal modes of torsional vibration, dampening, impulse response, convolution integral and deconvolution by Tikhonov regularization are examined in the theory section. A simple shaft structure is engineered and said structure is studied with modal analysis. The measurement data, acquired with multiple impact hammer tips of varying hardness, is used to study the inverse load determination method and to find out its limitations and shortcomings to better understand its reliability in calculation of propeller loads. Measured response is used to calculate the excitation using multiple time step lengths and regularization parameters. These results are compared to the measured excitation data. The effect of error in the impulse response function on the deconvolution is studied by changing the constants of impulse response function and calculating the excitation with the changed values. Correlation between the length and amplitude of the impact and the required measuring frequency is found. Shortest impacts done with the harder tips of the impact hammer put major requirements on the measurement frequency, leading to heavy computing. Determining whether measuring frequency is high enough or regularization parameter is correctly chosen without excitation data is also found to be difficult. Precision of the impulse response function used in the inverse method is found to have a large impact on the precision of the calculated excitation.