基于复合建模方法的船舶轴系振动计算及减振措施研究

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1、上海交通大学硕士学位论文基于复合建模方法的船舶轴系振动计算及减振措施研究硕士研究生：闫菲学号：1120109190导师：车驰东讲师申请学位：专业硕士学科：船舶与海洋工程所在单位：船舶海洋与建筑工程学院答辩日期：2015年1月授予学位单位：上海交通大学DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterVibrationCalculationBasedonaCombinedModellingMethodandVibrationReductionofShipProp

2、ulsionSystemCandidate：YanFeiStudentID:1120109190Supervisor：CheChidongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：NavalArchitectureandOceanEngineeringSchoolofNavalArchitecture,OceanAffiliation：&CivilEngineeringDateofDefence：Jan,2015Degree-Conferring-Institution：Shan

3、ghaiJiaoTongUniversity上海交通大学硕士学位论文基于复合建模方法的船舶轴系振动计算及减振措施研究摘要随着主机功率的提高和特殊用途的船舶发展，船舶轴系振动问题愈发突出，过大的轴系振动不仅会造成推进装置的磨损及故障，而且通过基座将轴系的振动传递至船体，使得船舶整体噪声水平的提高，设备损坏以及人员不适。因此提高船舶轴系振动计算准确度保证船舶设计性能和研究船舶轴系减振措施尤为重要。基于这样的背景，本文提出了一种船舶轴系复合建模方法，该方法将船舶轴系分为连续子系统和离散子系统。推进轴段如螺旋桨轴、中间轴、螺旋桨及法兰划分为连续子系统，柴

4、油机曲轴端划分为离散子系统。分别应用波动理论和多自由度动力特性分析，得到连续子系统和离散子系统的控制方程，同时通过边界条件将两个子系统动态刚度矩阵连接，推导出船舶轴系扭转振动全局控制方程，并推广至纵向振动和弯曲振动连续轴段，得出振动方程解。以某型实船轴系扭转振动计算为例，对这种船舶轴系复合建模方法进行了仿真分析，并与传统的连续轴段传递矩阵法和离散化传递矩阵法进行比较。传统的建模方法在计算低阶固有频率时较为精确，但是在计算高阶模态时，采用复合建模方法和连续轴段传递矩阵法的计算结果较为相近，而采用离散化的传递矩阵法与复合建模方法的计算结果存在差异，随

5、着轴段离散为质量单元的数量增加，其计算结果逐渐接近复合建模方法计算结果，理论上来说，当离散化质量为无限时，其结果应与连续轴段传递矩阵法的计算结果基本一致，也就是接近复合建模方法的计算结果。因此，复合建模方法计算更精确，更接近真实振动状态，同时在保证相同计算精度的情况下，复合建模计算方法相较传递矩阵法的计算时间和计算资源占用少，相对更为简便。复合建模方法克服了当模态节点集中于轴段时，传统建模方法由I上海交通大学硕士学位论文于将轴系等效为一至两个质量单元而引起的节点偏移所带来的误差，这在实际船舶轴系计算特别是长推进轴和刚度较低的轴系中具有重要意义。将

6、复合建模方法推广至复杂分支轴系，推导出复杂分支轴系的系统方程，并进行仿真分析，与成熟商业软件比较。复合建模方法保证低阶模态计算的准确性，提高高阶模态的准确性，更重要的是复合建模方法是对传递矩阵法在船舶轴系扭转振动计算中漏根局限性的改进和补充。在复合建模方法计算轴系的过程中，为了更准确地计算弹性单元特别是弹性减振器的工况，同时探究船舶轴系的新型减振措施，本文提出了变刚度隔振系统的思路，并对变刚度隔振系统的时域和幅频特性进行了仿真分析。变刚度减振系统可以较好地有效利用刚度，具有较好的负向限位的作用及抗冲击性能。基于变刚度隔振系统的思路，将之应用于船舶

7、轴系的扭转振动、纵向振动，同时提出可行的方案。一方面，变刚度隔振系统可以更好地模拟实际运行情况下的隔振器非线性变化刚度，提高了仿真计算的准确性；另一方面，对于一些特殊工况，特别是易受冲击力情况运行的船舶变刚度隔振系统具有较好地抗冲击性。本文提出的变刚度隔振思想和可行性机构旨在提供具有工程指导意义的减振措施。综上所述，本文通过对于船舶轴系复合建模方法和变刚度隔振系统的减振措施的研究，可以有效地提高船舶轴系振动计算特别是高阶模态的准确性，改进补充了传递矩阵法计算分支轴系漏根局限性，更好地模拟了实际工况下的弹性减振器的刚度变化，提高轴系振动计算精度的同

8、时使得船舶轴系减振系统具有更好的抗冲击性能，提高船舶推进轴系的可靠性和安全性。关键词：轴系振动，复合建模，波分析法，多体动力学分析，变刚