摘 要

船舶载运货物出港航行的整个持续过程中，船舶装置的动力部分承载着全船的能源消耗，动力装置作为船舶的核心，核心-船舶轴系的功能能否正常稳定的得到体现，将关系到整条船舶的安危。船舶轴系动力部件在达到安装之前，运输过程中由于多种原因，包括安装过程中的人为因素、技术因素、材料质量的自身缺陷，导致船舶发生振动现象，因为这些振动现象，不能保证船舶的安全航行。

船舶载运货物后，在正常航线上的航行过程中，全船动力承受部件-轴系，动力装置运行状况的异常，对于船舶载运后的安全航行，提高安全系数具有重要意义。人为对轴系的运行状况进行有效的模拟仿真计算，对轴系的动态特性进行分析，对于船舶的正常航行必不可缺。这样才能保证航行安全，从而直接提高船舶的航行安全系数。

本文研究方向是多激励轴系振动，依赖的基础是有限元法，与此同时还有其多体动力学，运用美国ANSYS建模仿真软件建立轴-壳耦合模型，给定材料系数后对轴-壳模型进行仿真模拟计算，查看模拟仿真结果。并且就软件得到的仿真结果，运用多种对比对其特性进行合适分析，最终得出结论。

本文围绕着建立轴-壳仿真模型，进行模态分析相应激励状态下的谐响应分析，环绕着动力学特性进行展开，在ANSYS软件中完成系列操作。通过更换，选择不同的激励，正确使用ANSYS软件，进而进行动力学的一系列分析，各章的具体内容如下：

（1）在第一章引出了本文研究的研究目的，从而间接说明本文的研究意义。

（2）第二章中，介绍了作为本文建立模型的相关理论以及ANSYS软件，对本文的理论基础作了简要阐述。

（3）第三章中，简述轴系模型基本尺寸，在ANSYS中选择合适单元建立轴-壳几何模型，完成网格划分，为后续的模态分析和谐响应分析过程提供正确的模型基础。

（4）在第四章中，基于前文中建立的模型，进行了模型的模态分析和谐响应分析过程，并对结果进行对照，并对不同工况下，在模型上施加激励，对模型的横向振动进行了研究分析。

（5）在第五章中，主要对全文的研究，及其相关探索结果进行了总结，并对未来的研究做出了展望。

本文主要结论如下：

对于对螺旋桨端（轴-壳模型的小端）的三个方向，通过施加不同激励，对轴-壳模型横向振动均有影响，并且以竖直方向上的影响最大。

关键词：有限元法；多体动力学；轴系；横向振动

Abstract

During the whole course of the ship's voyage, the power part of the ship's shafting bears the energy consumption of the whole ship. The power part of the ship's shafting is also the core of the ship. Whether the function of the core-ship shafting can be embodied normally and steadily will affect the safety of the whole ship. It includes man-made factors, technical factors and the defects of material quality in the installation process, which lead to the vibration phenomenon of ships, because the vibration phenomenon can not guarantee the safe navigation of ships.

After the ship carries the cargo, in the normal course of navigation, the operation of the whole ship's power bearing parts-shafting and the abnormal operation of the power plant are of great significance to the safe navigation of the ship's shipping route. It is essential for the normal navigation of the ship to carry out effective simulation calculation of the shafting operation and to analyze the dynamic characteristics of the shafting. Guarantee the safety of navigation, thus directly improving the safety factor of navigation.

The research direction it has multi-body dynamics. Using ANSYS modeling and simulation software in the United States, the coupling model of shafting-shell is established. After giving the material coefficient, the simulation results of shafting-shell model are simulated and calculated, and the simulation results are checked. Sex is analyzed appropriately and a conclusion is drawn.

This paper focuses on the establishment of axle-shell model, Firstly, the appropriate element is selected in ANSYS software to preliminarily establish the given axle-shell model, and the simulation model is established. The menu module finds the analysis module to carry out modal analysis of the simulation model. Secondly, the propeller excitation is added to the corresponding position to rotate. The response analysis is completed by changing, choosing different incentives, using ANSYS software correctly, choosing modal analysis module for analysis, and then carrying out a series of dynamic analysis. The specific contents of each chapter are as follows:

(1) in the first chapter, the research purpose of this paper is introduced, thus explaining the significance of this paper: using the American modeling and simulation software ANSYS, to establish the axis-shell model by selecting the appropriate unit, By applying different directions of excitation to the model, a series of dynamic analysis are carried out, and a model closer to the actual working situation is established to carry out the simulation research.

(2) in the second chapter, the ANSYS software, which is the finite element theory of the model, is introduced, and the theoretical basis of this paper is briefly described.

(3) in the third chapter, based on the basic size of shafting model, the geometric model of axis-shell is established by selecting the appropriate element in ANSYS, and the material is set up in the system, and the model is established with constraints. At the same time, the finite element software is introduced from various angles, including the modal analysis of the geometric model by using the menu module, and the verification of the established model, which is the follow-up modal analysis. Harmonic response analysis and other analysis processes provide the correct model basis.

(4) in the fourth chapter, based on the model established above, a series of dynamic research characteristics of the model, harmonic response analysis, are carried out, and the results are compared, and the results are compared under different working conditions. The deformation caused by the forced degree of the model is studied and analyzed, and then the input of excitation and the output of response are established on the model, and the transverse vibration of the model is studied and analyzed.

(5) in the fifth chapter, the research and results of the full text are summarized, and the future research direction is described.

The main conclusions of this paper are as follows:

For the three directions of the propeller end (the small end of the shaft-shell model), the transverse vibration of the shaft-shell model is affected by different excitations, and the vertical direction is the most important one.

Key words: finite element method; multi-body dynamics; shafting; transverse vibration

目 录

摘要 I

Abstract III

第一章 绪论 1

1.1 船舶旋转轴系仿真研究背景与意义 1

1.2 轴系横向振动的研究现状 2

1.3 主要研究内容 3

1.4 本章小结 3

第二章 基本理论以及ANSYS软件介绍 4

2.1 横向振动的相关理论 4

2.2 多体动力学 4

2.3 ANSYS相关介绍 5

2.3.1 有限元理论简介 5

2.3.2 ANSYS动力学基本理论 6

2.4 拟采用技术方案 6

2.5 本章小结 7

第三章 轴-壳仿真模型的建立 8

3.1 仿真分析工具选择 8

3.2 轴-壳几何模型建立过程 8

3.2.1 各部件材料属性选定 9

3.2.2 轴-壳的建立 10

3.2.3 模型轴承简化为弹簧单元的建立 12

3.3 轴-壳模型网格划分 15

3.4 本章小结 16

第四章 ANSYS仿真的轴壳特性分析 17

4.1 模态分析方法介绍 17

4.2 轴-壳模型模态分析 18

4.2.1 模态分析数据结果 19

4.3 轴-壳模型的谐响应分析 20

4.4 不同激励轴-壳响应分析 22

4.4.1 轴-壳模型轴小端添加激励 22

4.4.2 轴-壳模型壳小端添加激励 27

4.5 本章小结 31

第五章 总结与展望 32

5.1 全文总结 32

5.2 未来展望 33

参考文献 34

致谢 36

第一章 绪论

1.1 船舶旋转轴系仿真研究背景与意义

在船舶载运货物出港航行的过程中，船舶装置的动力^[1]部分作为全船的能源消耗点，与此同时船舶轴系，亦是全船的重要部位之一。船舶动力部分，同时也是船舶安全航行的重要保障，作为重要动力装置，其船舶轴系的所有功能，能否正常得到稳定发挥，其结果，将关系到整条船舶的安全。运输过程中由于多种原因，包括安装过程中的人为因素、技术因素、材料质量的自身缺陷，导致船舶发生振动现象。简而言之，即自由振动或者是受迫振动等因素将可能导致船舶发生振动现象，因为这些振动现象，从而不能保证船舶的安全航行。

载运货物航行工作运行中，动力装置的轴系部分，因为不同工况会承受多种形式的负荷，再加上难以预测的海上情况，可能会导致船体变形，船体变形的同时，也将会导致其动力学特性改变。除此之外，在实际运行中各部件之间的磨损，也会产生难以预知的变化，这些原因，都将会导致船舶发生振动现象。船舶正常航行过程中，由于螺旋桨的回转运动，在运动的过程中，回转运动能够引起其轴系发生多种复杂的振动形式^[2]。现有研究根据其多种复杂的振动形式。由螺旋桨回转运动引起的这些不同形式的振动将导致曲轴断裂、中间轴断裂、弹性轴断裂等问题。这些回转运动将可能使船舶动力系统出现一系列问题，严重时甚至失去作用。换句话说也就是会瘫痪。为了应对这种情况的发生，研究船舶轴系多种复杂的振动，合理的对振动进行平衡，从而保证正常的航行，这将尤为重要。

认识并了解船舶轴系振动，由于这些振动产生多种不一样的破坏方式，及其带来的危害。通过各种途径，现已经对船舶轴系振动研究现状有了一定程度的了解。以计算机为工具，通过利用模型仿真，对轴系的一系列动态特性进行研究，利用计算机强大的计算能力进行精确分析，从而满足相关轴系工作性能，通过试配，对船舶轴系研究发展要求的满足，继而满足船舶产业发展要求。

随着近年来船舶制造的大型化，智能化的趋势^[3],船舶行业对轴系工艺和技术质量要求也会越来越严苛，同步提高制造效率将会被提上日程。计算机仿真模拟技术，将会代替了传统的手工计算，这些替代性的相关措施，从而也能一定程度上缩减船舶制作周期。与此同时，由于对计算机的强大计算能力的理解，通过模型仿真也可以深化对轴系的特性分析理论。利用仿真技术结合计算机强大的计算能力，进而来解决船舶行业上遇到的难点，可而有效满足日益提高的现代化造船要求。

1.2 轴系横向振动的研究现状

英国等国家通过研究，提出一系列的关于船舶关键部位的假设和相关计算法则。随着国家经济的发展，人们需要的，传统的制造方向，由于社会的飞速发展已经不能满足人们的需要。总的来说船舶大型化，智能化将成为未来的大方向。船舶关键部位上制造要求的不达标，或者说是追求快速发展的经济模式下，船舶制造行业现存的与追求高效率初衷的不统一，将导致现在服役的主流船舶，在振动上固有频率的相对下滑。目前采用的计算模型，在处理这些问题时显得较为吃力，再加上很多不同形式振动的不确定因素的影响，使得结果的数据精度往往也难以得到保证。 
通过阅读夏建芳^[4],刘俊^[5]和郑建荣^[6]相关资料得出，目前通用的计算方法有两种。现在存在的传递矩阵，它采用的算法是MP法，这种计算方法表达简单,计算结果可以作为参考。与此同时也对计算机硬件要求条件不高，但是运用传递矩阵算法时，高的固有频率时得到的系统频率往往不稳定，频率会发生不规则的跳动。这种所谓的跳动也就是数值不稳定现象，那么最终计算得到的结果也就失去了参考意义。最新的RMP计算法，在算法上它结合了R算法和MP算法各自的优势,新的计算方法各取所长，进而能够准确的计算，来实现横向振动的计算。学者陈之炎^[7]在他的序列著作中介绍了轴系横向系列振动的计算理论，并给出了详细的关于振动计算的相关公式。陈锡恩^[8]科学家通过大量样本数量，通过比照船舶横向固有频率进行了探索，提出了通过测量频率值的方法，间接来反映调整轴系的参数，从而进一步得到固有频率的实测值。在得到的实测数据大范围不失真的情况下，与理论计算结果基本对应。刘刚^[9]等通过研究模拟建立了轴系横向的混合模型，并详细分析和解释了算法。蔡双利^[10]等通过分析计算大量实例，进一步验证了传递矩阵法。并利用计算机程序MATLAB，相对应的编写了计算程序，为了使结果可信度得到提高，同时结合王滨^[11]，王宏志^[12]的理论计算分析了轴承刚度值（实际本文中轴壳模型中的轴承利用弹簧单元模拟）。对李维嘉^[13]，周靖^[14]，张永根^[15]等科学家对船舶振动模型进行的研究分析，建立系列模型，并且结合有限元分割法，利用计算机替代人工的思想开发了计算软件，帮助更好地进行一系列相关计算。

1.3 主要研究内容

本章以船舶振动模型为研究的对象，通过ANSYS建模软件，建立相关轴-壳模型，并且对模型进行基于有限元分割法的系列研究，详细的研究内容如下：

（1）全文的第一章中为全文做了铺垫，介绍了相关背景，以及下文将要谈到的，研究轴系振动的现实意义，以及船舶制造未来的发展趋势。通过国内外近年的研究现状，利用已有的数据进行比对。通过对研究背景的介绍，从而佐证本文的研究意义，进而进行一系列仿真研究。

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