螺旋桨的振动特性分析

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1、螺旋桨的振动特性分析a,ba,baa李泽成，刘朋，熊紫英，严斌（中国船舶科学研究中心a.船舶振动噪声重点实验室；b.江苏省绿色船舶重点实验室，江苏无锡214082)摘要：文章分别采用基于体单元的有限元法和虚质量法分析了螺旋桨在空气中和水中的固有频率和振型。计算和试验结果表明，螺旋桨桨叶振型细分为三类，第一类桨叶振型表现为桨毂基本不动而桨叶在振动，第二类桨叶振型表现为桨毂与桨叶一起作横向振动，第三类桨叶振型表现为桨毂与桨叶一起作纵向振动，而以前的计算模型和计算方法只能获得第一类桨叶振型。关键词：螺旋桨；模态；振动+中图分类号：TB535.1文献标识码：

2、A1引言螺旋桨在流场中工作时，如果螺旋桨的首阶固有频率与螺旋桨叶频、倍叶频一致时就会发生共振，急剧增加了螺旋桨直接辐射噪声，甚至会发生螺旋桨叶片折断的事故，因此计算螺旋桨的首阶固有频率是十分必要的。国内研究螺旋桨振动的文献相对较少，而且在计算模型上只考虑桨叶自身的振动，未考虑整个螺旋桨模型；在计算方法上，主要采用近似计算法和基于厚壳单元的有限元法；在边界条件处理上，在桨叶根部处施加固支边界条件。本文将分别采用基于体单元的有限元法和虚质量法分析了螺旋桨在空气中和水中的固有频率和振型。2螺旋桨在空气中的模态分析2.1螺旋桨在空气中的固有频率计算根据七叶螺

3、旋桨三维CAD实体结构建立有限元计算模型，螺旋桨一共划分了8386个二阶四面体单元，首先只考虑螺旋桨处于自由边界条件。采用有限元法计算螺旋桨在空气中的固有频率。自由边界时螺旋桨的固有频率和振型计算结果如图1和表1所示。根据固有频率计算结果和振型动画，可见图1中螺旋桨前7阶模态本质上都是桨叶的一阶振型。而且，还可以细分成三类模态，前4阶属于第一类一阶桨叶振型，表现为桨毂基本不动而桨叶在振动；第5阶和第6阶属于第二类一阶桨叶振型，表现为桨毂与桨叶一起作横向振动；第7阶为属于第三类一阶桨叶振型，表现为桨毂与桨叶一起作纵向振动，而且七个桨叶的振动同向。表1中

4、螺旋桨第8阶到第14阶模态本质上都是桨叶的二阶振型，与一阶桨叶振型类似，同样可以细分成三类桨叶二阶振型。表1自由边界时螺旋桨的固有频率单位：Hz阶数1234567频率955.92956.46956.85957.241147.71148.01185.3阶数891011121314频率1879.11879.71880.71881.61957.21958.92451.5297f=955.92Hzf=956.46Hzf=956.85Hzf=957.24Hzf=1147.7Hzf=1148.0Hzf=1185.3Hz图1自由边界时螺旋桨的振型2.2螺旋桨在空气

5、中的固有频率试验把螺旋桨模型自由悬吊在空气中，通过敲击螺旋桨叶片，采用拾音器采集敲击螺旋桨时发出的噪声，并与背景噪声比较，从而判定螺旋桨的固有频率。螺旋桨模型的响应曲线试验结果如图2所示。螺旋桨模型的固有频率试验结果如表2所示。图2螺旋桨模型的响应曲线表2螺旋桨的固有频率试验结果单位：Hz阶数1234567桨模频率954956959.59611160.511621184.82.3计算结果与试验结果比较根据计算结果（见表1）和试验结果（见表）得到两者的对比情况如表所示，因此计算结果与试验结果误差很小，表明此时的螺旋桨有限元模型是准确的。298表3螺旋桨

6、的固有频率计算结果与试验结果比较单位：Hz阶数1234567计算结果955.92956.46956.85957.241147.71148.01185.3试验结果954956959.59611160.511621184.8误差0.20%0.05%-0.28%-0.39%-1.11%-1.20%0.04%2.4边界条件对螺旋桨固有频率的影响在螺旋桨有限元模型的基础上，补充轴系结构及推力轴承纵向支撑，建立轴系系统的有限元模型，推力轴承纵向支撑与艇体相连的地方设置固定边界条件。改变推力轴承纵向支撑的刚度K，研究边界条件对螺旋桨固有频率的影响。另外，在没有轴系

7、的情况下，考虑了螺旋桨自由和和桨毂前端面固定两种边界条件。所得计算结果如表所示。由于第一类一阶桨叶振型（表4中的第1-4阶）表现为桨毂基本不动而桨叶在振动，因此第一类一阶桨叶振型的固有频率基本不随边界条件变化。由于第二类一阶桨叶振型（表4中的第5、6阶）表现为桨毂与桨叶一起作横向振动，因此该频率将随着轴承的径向支撑刚度变化。而第三类一阶桨叶振型（表4中的第7阶）表现为桨毂与桨叶一起作纵向振动，而且七个桨叶的振动同向，该频率同样随着推力轴承的纵向刚度K变化，这可以直接从表4中不同K值下的第7阶固有频率变化情况看出来。表4不同边界条件时轴系结构在空气中的

8、固有频率比较单位：Hz振型第一类一阶桨叶振型第二类一阶桨叶振型第三类一阶桨叶振型无轴系，桨自由955.929