摘 要

船舶推进轴系作为船舶动力设备的重要组成部分，在船舶主机动力传输方面起到了主要作用。在航行时船舶推进轴传动过程中，船舶的螺旋桨和推进轴组成的轴系会产生回旋运动。 当回旋运动的角频率与轴系的弯曲振动的固有频率吻合时, 会产生高能量的噪声辐射。本文将针对船舶推进轴系横向振动噪声问题展开研究，利用计算机软件技术建立船舶推进轴系的有限元模型，对其模型进行模态分析得出推进轴系的固有频率，然后导出边界元模型到仿真分析软件Virtual.Lab中，插入不同激励，求出在不同激励下轴系振动在场点上的声辐射，分析结构相应频率下的振型,分析轴系横振激励激起的结构辐射声场典型频率下的分布情况,比较相同参考点的结构辐射声压及结构的辐射声功率,得出轴系在中低振频时振动噪声较强，且噪声辐射沿激励传递方向递减，然后研究此类问题的规律，以达到优化结构模型，减少船舶推进轴横向振动噪声的目的。

关键词：推进轴系；横向振动；振动噪声；有限元；仿真分析

Abstract

As an important part of marine power equipment, marine propulsion shafting plays a major role in the power transmission of marine main engine. When the ship propulsion shaft transmission during the voyage, the shaft system composed of the propeller and the propulsion shaft of the ship will generate a whirling motion. When the angular frequency of the whirling motion coincides with the natural frequency of the bending vibration of the shafting, high-energy noise radiation can be generated. In this paper, the lateral vibration and noise problem of the ship propulsion shafting is studied. The finite element model of the ship propulsion shafting is established by computer software technology. The modal analysis of the model is carried out to obtain the natural frequency of the propulsion shafting, and then the boundary element model is derived. In the Virtual.Lab of simulation analysis software, different excitations are inserted to find the acoustic radiation of the shafting vibration at the field point under different excitations, analyze the vibration mode at the corresponding frequency of the structure, and analyze the typical frequency of the radiated sound field of the structure excited by the transverse vibration of the shafting. Under the distribution situation, the radiated sound pressure of the structure of the same reference point and the radiated sound power of the structure are compared, and the laws of such problems are studied to achieve the purpose of optimizing the structural model and reducing the lateral vibration noise of the ship propulsion shaft.

Key Words：Propulsion shafting； lateral vibration;；vibration and noise； finite element;；simulation analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题的意义和目的 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3本文研究方向 3

图1.1船舶推进轴系横向振动噪声仿真分析流程图 4

第2章 船舶推进轴系三维建模 5

2.1 船舶推进轴系三维模型的简化 5

图2.1船舶推进轴结构草图 5

2.2 有限元软件ANSYS简介 5

2.2.1 有限元软件ANSYS介绍和使用方法 5

2.2.2 有限元方法简介 6

2.3 基于ANSYS软件建立船舶推进轴系的三维模型 6

2.3.1 推进轴系轴段部分建模方法 6

2.3.2 推进轴系轴承部分建模方法 9

图2.4船舶推进轴轴段和弹簧模型 10

2.4 本章小结 10

第3章 船舶推进轴系自由振动特性分析 11

3.1 模态分析的介绍及作用 11

3.1.1 有限元模型振动模态分析 11

3.1.2 模态分析数据 11

表3.1 船舶推进轴振动固有频率 11

图3.1船舶推进轴系低阶模态振型云图 12

图3.2船舶推进轴系高阶模态振型云图 13

3.2 本章小结 13

第4章 基于Virtual Lab研究船舶推进轴系横向振动噪声 14

4.1 振动与噪声的关系 14

4.2 LMS Virtual.Lab软件 15

4.2.1 LMS Virtual.Lab软件简介 15

4.2.2 LMS Virtual.Lab声学边界元法 15

4.3 建立船舶推进轴系边界元模型 16

表4.3关键点位置 16

图4.1船舶推进轴系的边界元模型 17

4.4 船舶推进轴系横向振动噪声仿真分析 17

4.4.1 建立结构辐射噪声模型 17

图4.2船舶推进轴系声学结构仿真模型 18

4.4.2 场点网格的建立 18

图4.3盒场点网格模型 19

4.4.3 插入激励后的响应情况 19

表4.4.3激励节点 20

图4.5激励点A的场点声辐射 20

图4.6激励点B的场点声辐射 21

4.5 本章小结 22

第5章 全文总结与展望 23

5.1 全文总结 23

5.2 研究展望 23

参考文献 24

致 谢 25

第1章 绪论

• 1. 课题的意义和目的

我国拥有一万八千多公里的海岸线和12.3万公里的内河航运线，得天独厚的自然优势促成了我国航运业的蓬勃发展，同时船舶作为航运业的载体，随着航运业的繁荣，我国的船舶工业也快速发展起来，造船技术在国际上也越来越具有代表性。目前船舶发展的越来越大型化，船速也越来越快，船用动力设备也变得能够承受高载荷和高速的冲击，结构越来越轻量化，但同时也伴随着问题就是船舶动力推进结构的振动和噪声也越来越大，严重影响船员正常生活和船舶各种机旁设备的可靠性，同时也很难去满足使船舶动力装置的振动和噪声在承受范围内。

船舶推进轴系是船舶动力装置的重要组成部分，它是由主机输出端法兰到螺旋桨之间的传动轴、轴承以及联轴器等部件组成的，两边同时连着主机和螺旋桨，它能够接收主机的功率然后将其传递给螺旋桨，螺旋桨也能够通过推进轴系将它收到的水的激振力传递给船的主体，从而推动船舶航行^[1]，船舶推进轴系在实际航行过程中，各种冲击载荷和周期激振力一部分会作用到船舶推进轴系上，冲击载荷在短时间内激起振动，但是往往又会因为轴系结构中的各种阻尼作用而迅速减弱，而像主机激励、螺旋桨激励这些周期激振力，作用效果持续于推进轴系，激起的轴系振动无法快速减弱，结果就是导致推进轴系振动变为稳态振动，如轴系的扭振、纵振和回振等^[2]。船舶推进轴系的回旋振动又称为横向振动，指轴系在旋转时的其旋转中心与几何中心不重合，推进轴以一定的速度绕自身几何中心线旋转的同时还会产生部分弯曲。当这种振动没有在轴系结构的安全范围内时，这就会引起轴系结构的各种故障，甚至还会带动主机机体的振动、船体壳体振动等等^[3]，这些船舶推进轴系的不规律振动，会对船舶的正常航行效率以及航行安全造成不好的影响。另外船舶推进轴系的横向振动还通过尾部、中间、推力轴承座将推进轴不均匀的激振力传给壳体，会带来令船员困扰的噪声辐射，船舶航行过程中甚至会影响周围水域的生态环境^[4]。在制造船舶推进轴的过程中，会先考虑到噪声动态特性，防止在轴系制造完成后再进行噪声测试和降噪处理，这样做可能要改变产品的整体设计，不仅耗费人力物力，还加长了产品开发周期，因此在就需要在船舶推进轴系的设计阶段，就要对其振动噪声进行有效的仿真分析。

伴随着计算机技术的发展，人们主要开始利用有限元法和边界元法来解决这类问题。在船舶推进轴系这类结构中，本文采用有限元和边界元的方法可以快速有效的解决船舶推进轴系横向振动噪声的仿真分析问题。

1.2 国内外研究现状

本节将针对本论文集中在船舶推进轴振动噪声仿真分析方面，对国内外在本领域的研究现状及发展进程进行整合性的综述，主要包括以下内容：船舶推进轴系横向振动方面的国内外研究状况，船舶推进轴所产生的振动噪声国内外研究现状，关于振动噪声的仿真分析方法研究概况。

各国研究人员从二十世纪初期就开始了对船舶轴系振动计算的研究，在第二次世界大战期间，也就是从1940年起，部分商用船舶和军用舰艇在航行过程中船舶动力推进系统经常会出现螺旋桨大端出现裂纹、折损甚至会出现螺旋桨掉落这类严重的事故。

Panagopulos,E(1950)和Jasper(1952)先后指出发生这类问题的主要原因是：船舶推进轴端的螺旋桨上作用有按螺旋桨叶片频率周期变化的流体力，这种流体作用力会激起连接螺旋桨的推进轴系产生振动和支撑轴承座产生共振。在这两位学者针对此类问题经过一系列研究和计算之后得出了一个公式能够用来简化计算回旋振动固有频率，这一研究发现让人们在后来的船舶推进轴系设计过程中开始利用这一简化公式去计算并避开轴系振动的固有频率，此后螺旋桨折损这类事故出现的概率大大降低。二十世纪四十年代初有限元法开始出现在研究人员的研究过程中，1955年特纳，克拉夫，马丁和托普等在他们的著作中提出了计算复杂结构刚度影响系数的方法，并应用电子计算机进行计算分析^[5]，“有限单元法”这个概念第一次出现是在上世纪六十年代，由克拉夫教授提出，通常在计算船舶推进轴系回旋振动的固有振动频率和轴系振动型态这类问题上，使用有限元法是一种非常快速和高效的计算方法^[6]。目前为止,轴系振动特性求解主要使用传递矩阵法或有限元方法实现。在二十世纪八十年代，一些学者就开始研究正逆回旋产生的条件和回旋振动的机理，其中的代表人物是陈之炎。陈之炎还在其著作中阐述了轴系纵、横、扭振的影响因素、消减措施以及轴系振动的测量方法与数据分析,较全面的论述了轴系振动问题^[7,8]。到目前为止,国内外学者在轴系振动计算方法、计算模型选取以及边界条件简化方面做了大量的工作,J.S.Wu使用扩展传递矩阵方法求解有阻尼的多自由度轴系横、扭耦合振动,M.Behzad在其文献中较全面的研究了考虑轴系转速对轴系横向固有振动特性的影响,八十年代至今,哈尔滨工程大学搭建国内首例轴系试验台架,在轴系纵、横、扭振动计算及测量,轴系校中等方面做了较全面的工作,取得了大量的研究成果^[9]。

在工业生产中，噪声主要来自于机械结构的振动。在以前设计和生产工业产品的时候一般不会去提前考虑产品结构噪声的动态特性，往往都是在产品生产出来之后，再去测量产品的噪声分布和对其进行降噪处理，在后期产品的设计可能会因此改变，从而又增加了研发的成本以及设计的时间^[10]。船体结构振动产生的声辐射围绕其周围以及向水下辐射是一个复杂的过程，有时候船体及结构过于庞大会导致水下辐射噪声计算量大、求解难度高，难以建立比较准确的声震耦合模型，这时采用数值仿真技术是把比较高效的方法，且因各类辐射噪声所产生机理不同，研究方法也会各异。在针对船舶在单种激励下的机械、螺旋桨以及水动力噪声，国内外学者都对其进行了了深度的研究，且研究点方向要是机械振动噪声以及螺旋桨噪声。针对潜艇螺旋桨不同水流条件下的水下辐射噪声这类机械噪声，Özden等^[11]采用URANS方法计算了；Greco等^[12]采用BEN-RANSE基于自由尾迹法预报了螺旋桨的水动力及噪声性能。有限元分析是目前计算水下结构振动与辐射的最可靠方法，不仅适用于水下结构的近、远场的声压分析，还可以获得水下结构的频率特性，具有数值计算精度高，分析效率高等优点^[13]。随着计算机运算和数值技术的发展，人们对于解决振动噪声这类问题开始使用各种数值方法。主要利用的方法有限元-边界元法（FEM-BEM）、能量统计法等^[14]。C.B.Burroughs首先推导了流场中双周期加肋的无限长圆柱壳在点力激励下的远场声辐射解析表达式,用激振力来模拟肋骨、壁板及重流体对结构的藕合作用,并利用Hankel函数的渐进表达式以及稳相法求取远场声压。Laulagnet和Guyader研究了有限长圆柱壳在流场中的声辐射特性,以及结构参数对结构辐射声压的影响,在此基础上,Shigeru Yoshikawa以充液双层圆柱壳为研究对象,研究层间流场对壳体结构辐射声压的影响[15]。在使用解析方法求解有限长复杂圆柱壳的辐射噪声特性方面,华中科技大学做了大量的工作。现今有限元边界元方法较多的出现在求解低频段水下结构流固耦合振动和辐射噪声特征的过程中,使用有限元计算流固耦合振动特性,利用结构表面法向振速与表面声压的连续条件,解得流固耦合边界节点上的结构振动响应及结构辐射声压^[16]。随着商业软件的发展,有限元边界元方法成为求解复杂水下结构辐射噪声特性的最适宜方法。振动噪声的仿真分析需从机械振动和声辐射特性两个方面入手。要建立声学仿真的边界元模型，可以提取结构有限元模型的表面单元,也可以直接利用建模软件建立边界元模型。由于本文所计算的轴系外围的声场是由底座轴承的振动量决定，所以只将机械振动计算得到的轴承连接节点处的振动速度用作声学边界元模型的边界条件^[17]。声学边界元法是在频域中求解，就是在声学边界元模型上加入机械有限元计算得到的各个频率的表面节点的振动速度，可以得出推进轴系周围各个频率的声场^[18]。

1.3本文研究方向

课题主要研究船舶推进轴系的横向振动噪声，利用ANSYS系统对推进轴承进行三维建模，对于弹性支承系统的轴承可采用弹簧单元进行模拟，通过简化处理并进行相应设置得到有限元模型，对推进轴进行模态分析求出船舶推进轴系的固有模态，构建边界元模型，另外基于Virtual.Lab软件，建立船舶推进轴系的边界元模型和场点。对所建模型插入不同激励，求出在不同激励下轴系振动在场点上的声辐射，分析结构的固有频率以及相应频率下的振型,分析轴系横振激励激起的结构辐射声场典型频率下的分布情况,比较相同参考点的结构辐射声压及结构的辐射声功率,研究此类问题的规律，以达到优化结构模型，减少船舶推进轴横向振动噪声的目的。

利用ANSYS和LMS Virtual.Lab声学仿真模块对船舶推进轴系横向振动噪声进行仿真分析的流程图，如图所示：

图1.1船舶推进轴系横向振动噪声仿真分析流程图

第2章 船舶推进轴系三维建模

2.1 船舶推进轴系三维模型的简化

某船舶推进轴系由推力轴、中间轴、艉轴、螺旋桨、艉轴承、舯轴承、艏轴承、推力轴承、高弹性联轴器等结构组成，当对该轴承进行回转振动计算时，可将模型简化，其中连接法兰可看作轴段的一部分，可以不特别建出外形，轴段和轴承可视为等截面同密度的实心柱体，高弹性和联轴器可以采用提供垂直、水平、扭转、纵向和弯曲刚度的弹簧单元模拟。

本文所涉及的船舶推进轴简化模型如图所示：

图2.1船舶推进轴结构草图

其中轴长度，轴半径，模型中共设有三个径向轴承，刚度均为，将轴分为长度分别为0.8m、0.6m、0.9m、0.9m的四段，推进轴的材料密度为，杨氏模量，泊松比。基于以上数据，利用ANSYS软件对船舶推进轴系进行三维建模。

2.2 有限元软件ANSYS简介

2.2.1 有限元软件ANSYS介绍和使用方法

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，能与多数计算机辅助设计软件接口，实现数据的共享和交换，同时也是融合结构、流体、电场、磁场、声场、分析于一体。ANSYS功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件。本课题研究所用到的ANSYS分析类型为结构动力学分析，对船舶推进轴系进行模态分析。ANSYS软件的处理过程主要分为前处理模块、分析计算模块和后处理模块。同时前处理是由实体建模、网格划分、施加载荷组成。

在建模的方法上利用ANSYS一般有两种建模方法,一种是自顶向下的方法，当用这种方法进行实体建模时，需要先定义一个模型的基元比如球体和柱体，建成后程序会自动生成面、线和关键点这些基本要素。用户可以直接开始构造几何模型。另一种自底向上的建模方法，使用者需要从最低级向高级结构建造，首先定义结构的一些关键点，然后就是连接关键点成线，选择封闭的线生成面，选择面可以生成体。无论使用哪种建模方法，使用者都能利用布尔运算来组合数据集，然后生成一个三维实体模型。ANSYS软件提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。另外ANSYS程序还能对CAD模型进行高效精准的网格划分。如果要将几何模型分解成简单的几部分，选择适当的单元属性和网格控制生成映像网格就需要用到映像网格划分法，如果要将二维网格延展成一个三维网格可以用到延伸网格划分法。自由网格划分器可对复杂模型自动生成网格，减少了用户对各个部分分别划分然后组装时又会发生各部分网格不匹配的情况。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：