摘 要

轴系-壳体耦合结构在船舶海洋工程方面有着极为广泛的使用，是船舶以及潜艇、鱼雷的重要基础结构。轴-壳耦合系统的振动特性对船舶、潜艇和鱼雷的噪声产生有着很大影响。从而极大的影响其隐身性能。因此对轴-壳耦合结构的动力学特性进行研究具有着十分重要的理论和实践应用价值。轴承参数的不同将对轴-壳耦合系统的振动特性产生很大影响，从而也影响着船舶噪声的产生。选择合理的轴承参数对噪声的减小和消除意义重大，因此对轴承参数的研究在各方面均有广泛的应用。船舶推进轴系的振动计算是船舶设计和建造过程中非常重要的一个环节。利用Ansys软件的三维建模和模态分析仿真功能对轴-壳耦合系统进行建模，将连接部分的轴承进行一定的简化，再进行仿真对实际情况进行模拟。利用计算机进行模拟可以降低研究成本、减少人力物力的花费，极大的方便了研究。本文设计了不同种轴承简化形式并进行仿真分析并研究了轴承参数对轴-壳耦合系统振动特性的影响。在对轴-壳耦合系统振动特性的研究中选择合理的轴承简化形式对真实情况进行准确模拟、提高仿真分析的准确性

通过对径向轴承连接简化为不同形式的线性弹簧连接并分析不同简化形式的模态分析结果得出以下结论：不同种简化形式对低阶模态特别时首阶模态的结果有很大的影响，当达到较高阶模态、振动频率达到很高时，各组振动频率的数据结果差距逐渐缩小。因此在对轴-壳耦合系统振动特性进行有限元仿真分析时，要选择合适的轴承简化形式从而使研究结果更加准确。

关键词：轴承参数；轴-壳耦合系统；振动特性；仿真分析；

Abstract

Shaft-shell coupling structure is widely used in Marine engineering, and it is an important infrastructure for ships, submarines and torpedoes. The vibration characteristics of shaft-shell coupling system have great influence on the noise of ships, submarines and torpedoes. Therefore, its stealth performance is greatly affected. Therefore, it is of great theoretical and practical value to study the dynamic characteristics of axial-shell coupled structures. Different bearing parameters will have a great impact on the vibration characteristics of the shaft-shell coupling system, which will also affect the generation of ship noise. It is very important to choose reasonable bearing parameters to reduce and eliminate noise. Vibration calculation of ship propulsion shafting is a very important link in the process of ship design and construction. The three-dimensional modeling and modal analysis simulation functions of Ansys software were used to model the shaft-shell coupling system, and the bearings in the connecting part were simplified to some extent, and then the actual situation was simulated by simulation. Computer simulation can reduce the cost of research, reduce the cost of manpower and material resources, and greatly facilitate the research. The influence of bearing parameters on vibration characteristics of shaft-shell coupling system is studied. In the study of vibration characteristics of shaft-shell coupling system, a reasonable simplified form of bearing is selected to accurately simulate the real situation and improve the accuracy of simulation analysis.Through the radial bearing connection for different forms of linear spring connection and analysis of the modal analysis results of different simplified form the following conclusion: different kinds of simplified form of low-order modal especially when the result of the first order modal. There is, as to achieve high order modal and vibration frequency reaches are high, each vibration frequency of the data gap is narrowing. Therefore, in the finite element simulation analysis of the vibration characteristics of the shaft-shell coupling system, the proper simplified form of bearing should be selected to make the research results more accurate.

Key words: Bearing parameters; Axial-shell coupling system;Vibration characteristics; Simulation analysis;

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景和意义 1

1.2国内外研究现状分析 2

1.3基于Ansys的振动特性仿真分析简介 2

1.4论文的主要工作 4

1.5本章小结 4

第2章 Ansys软件的使用和仿真分析方法 5

2.1Ansys仿真分析工具选择 5

2.2Ansys建模方法 6

2.2.1建模方法简介 6

2.2.2定义单元和实常数 6

2.2.3设置分析模块和材料属性 6

2.2.4添加连接结构单元 7

2.3Ansys网格划分方法介绍 7

2.4Ansys模态分析方法介绍 8

2.5本章小结 9

第3章 利用Ansys软件建立轴-壳耦合系统的有限元模型 10

3.1利用Ansys建模的参数选择 10

3.2利用Ansys软件的经典模式对轴-壳耦合系统建模过程 11

3.2.1Ansys建模 11

3.2.2建模的网格划分 11

3.2.3弹簧单元的设定 12

3.3对轴承进行简化的意义 15

3.4轴承简化形式的选择 15

3.5轴承不同简化形式组合的设置 15

3.6本章小结 19

第4章 不同条件下轴-壳耦合系统振动特性影响分析 20

4.1模态分析过程 20

4.2模态分析数据结果 21

4.3分析不同形式简化对轴-壳耦合系统振动特性的影响 27

4.4本章小结 28

第5章 总结和展望 29

5.1总结。 29

5.2对未来的展望 29

参考文献 30

致谢 32

1. 绪论

1.1课题研究的背景和意义

随着社会文明的不断发展，噪声在各个方面越来越受到重视，而物体的振动情况对其噪声的产生有着不可忽视的影响。在实际情况中，物体因为存在质量从而具有惯性，而在外力作用下又会产生变形且物体具有弹性，因此会产生振动。在对实际情况的研究中，振动是不容忽视的一个环节。在力学系统中的振动一般指物体的机械振动，即物体因某种原因偏离了原来的平衡位置并在平衡位置附近做往复运动的情况。机械振动可以因是否受到外力的干扰分为自由振动和强迫振动两类，也可以根据其振动的振幅分为阻尼振动和无阻尼振动。只要系统具备了弹性和惯性，就有了产生振动的基本条件。

在实际的运动力学系统中，振动的产生难以避免，声音的产生也就难以避免，所以有必要对物体的振动特性进行分析和研究。有关振动的研究内容主要分为以下两个方面，一是分析出物体的振动规律，二是通过研究改良系统的机械结构，达到减小振动危害的目的。船舶轴系主要由螺旋桨、艉轴、中间轴、滑动轴承、推力轴、推力轴承、弹性联轴节、变速装置、柴油机以及轴系辅助等零部件组成^[1]。

轴-壳耦合结构在船舶海洋工程等领域有着极为广泛的应用，是船舶、潜艇、鱼雷等装备的重要基础结构。船舶运行中产生的噪声大小与船舶的舒适性、稳定性、安全性和作战中的隐身性能密切相关^[2]。主推进轴系作为扭矩推力的转换装置，其主要功能是将船舶主机发出的功率传递给螺旋桨，使螺旋桨产生转动，同时又将螺旋桨旋转时产生的推力传给船体，推动船舶航行^[3]。

通过相关资料显示，当水下航行器在水下靠其动力装置运行时，航行器的螺旋桨会因运动而产生噪声。这种噪声在低航速行进和高航速行进时都有很大的几率会成为水下航行器的主要噪声源^[4]。在水下航行器以较低航速行进时，因其螺旋桨运动而引起的振动会通过轴系传递到壳体。这种传递过程中引发的间接振动产生的辐射噪声远远高于螺旋桨直接振动所产生的辐射噪声^[5]。因此在对水下航行器进行声学设计时，一定要重视螺旋桨引发的轴系-壳体耦合系统振动所产生的噪声源，这种间接噪声有很大可能性会成为航行器的主要辐射噪声，如果没有进行合适的处理，将会对航行器的隐身性能产生严重的不良影响^[6]。如在水上作战中，就是通过接收目标反射回来的声波或者超声波的方法来探测目标的存在和位置。降低装备的振动和产生的声波可以使装备更好的隐蔽，提高军事性能且便于在作战中取得优势。因此减轻轴-壳耦合系统的振动来降低噪声从而提高综合性能是很有必要的^[7]。轴承是轴-壳耦合系统不可或缺的一部分，轴承参数的不同将对轴-壳耦合系统振动特性产生很大影响，从而也将影响着航行器噪声的产生。根据情况选择合适的轴承参数对水上航行器噪声的减轻甚至消除有着很大的意义。因此对轴承参数的研究在各方面都有着广泛的应用。水下航行器推进轴系的振动计算是航行器设计和建造过程中非常重要的一个环节，通过研究轴承参数对轴-壳耦合系统振动特性的影响从而选择合理的轴承参数来减轻系统的振动从而达到减小噪声提高装置设备的目的。

1.2国内外研究现状分析

从20世纪70年代中期开始，一系列有关于推进轴系纵向振动特性计算和测量的要求被中国和国外的船级社陆续推出，有一些船级社现在已经明确制定把轴系竖向振动特性的计算和测量作为船舶分类和分级的重要指标之一^[8]。

因为船舶的推进轴系系统纵向振动的基本原理和推进轴系的扭转振动基本原理相同，因此从20世纪80年代前期以来，慢慢出现了利用与计算扭转振动方法相同的办法来计算纵向振动的研究^[9]。在关于离散系统模型和分布系统模型的研究中，推进轴系的纵向振动和其扭转振动均拥有很相像的数学模型^[10]。只需要将扭转振动的动力学属性变换成与之相对应的纵向振动的动力学属性即可直接使用计算扭转振动的数学公式对纵向振动做相应的计算。

近年以来，对壳体动态响应领域的研究趋势以研究壳体二点自由振动为主。当前国内外对于圆柱壳体从有限壳体到无限壳体，从单一壳体到复合壳体等各个方面都已经展开了深入的研究。对于轴系的研究同样也进行的很透彻，从轴系的弯曲、扭转、纵振到弯矩和纵矩的振动都由大量的研究成果。但是，在过去的研究中许多研究往往将轴、壳分离作为单独的个体进行研究，而在轴系壳体作为一个耦合的系统进行研究的文献较少。对于轴-壳耦合结构，系统的动态特性与单一部件的特性有所区别，目前对轴-壳耦合系统的研究并不深入^[11]。

1.3基于Ansys的振动特性仿真分析简介

在实际情况的操作中，为了便于分析和计算,往往需要对轴系-壳体耦合系统的真实结构进行简化、抽象和提炼,从而得到适合于计算分析使用的简化力学模型。根据不同类型的计算方法需要应用不同种类的力学模型,如传统的Holzer表法应用了集中参数的轴系模型,基于商用软件的有限元法则应用了分布参数的离散化模型^[12]。根据历年的理论研究成果和工程实践结果证明,轴系力学模型的简化方式对轴系振动特性的计算分析结果有着非常大的影响。轴承作为轴系壳体耦合结构的支撑，其动力学特性对转子系统的分析研究也表现出了越来越重要的影响，轴承本身的固有属性刚度和阻尼特性对转子临界转速、不平衡响应等都有着重要的影响^[13]。

轴承参数可以分为轴承刚度和轴承阻尼两类，而轴承刚度又可以区分为轴承的轴向刚度和轴承的径向刚度，轴承的阻尼亦可以分为轴承的轴向阻尼和轴承的径向阻尼^[14]。而轴承的径向参数对主轴系统的低阶模态有很大的影响，轴承的轴向参数则主要影响着主轴系统的高阶模态^[15]。轴承支撑刚度参数对于高速主轴系统动力学参数存在很大的影响，这种影响在振动特性中有着极为明显的体现，轴承的径向参数对主轴系统的径向变形情况有着很大的影响，因此也影响着模态结果。而轴承的轴向则对轴的弯曲形变有很大的影响^[16]，也改变着系统的模态分析结果。本文主要研究轴承径向参数对轴-壳耦合系统模态分析的影响。壳体结构作为螺旋桨、轴系组合系统的弹性边界条件，会经过轴承的作用而改变着轴系的振动特性，振动特性的改变将会影响轴系振动的固有频率使固有频率发生偏移，也作为连接结构实现轴系壳体系统的耦合^[17]。在对轴承接触问题进行分析时，

当前，计算机技术发展十分迅速，随着硬件的更新和软件的不断优化，计算机的算法和计算水平都较以前有了质的飞跃。应用现代的先进技术已经完全可以用计算机来解决众多计算量大、计算过程繁琐的复杂问题。凭借先进的计算机技术，各个国家设计研发了众多的应用程序来对有限元问题进行分析和求解^[18]。因为Ansys具有优秀的有限元分析能力，可以进行线性和非线性分析。系统之间的接触分析包括在非线性分析中，故接触分析的定义、约束和求解方法都在非线性分析的适用范围内，因而使用Ansys有限元分析软件做接触分析是可行的^[19]。

有限元分析方法的基本思想是把需要研究的对象划分成有限个基本单元，即有限个小的分割体。各个单元之间通过节点进行连接并组合为网格，共同组成一个大量单元的组合体来模拟出原来的实际结构。当单元组合成的连续体因受到外力的影响而产生变形时，各个节点会受到力的作用发生位移从而使节点构成的单元发生变形。有限元法是将节点的位移当作未知量，同时建立节点力和节点位移之间的力学关系，取得一组以节点位移作为未知变量的运动方程，通过求解节点位移的每个分量，最后使用插值函数运算的方法来确定单元组成整体的场函数^[20]。

在使用Ansys的APDL经典模式对径向轴承模型进行建立的过程中，可以将径向轴承简化为线性弹簧的连接，只需要在需要连接的节点选择合适的弹簧单元并赋予弹簧单元合适的刚度，并自动进行有限元分析^[21]。在对轴承进行参数化建模与分析系统的过程中，首先要对轴承的属性进行设置，采用不同种线性弹簧的组合来模拟轴承支撑，之后根据研究的需要可以选择在有限元模型的基础上设置边界条件和手动施加载荷。然后调用Ansys软件进行分析并通过数值求解和计算，取得最终的数据结果^[22]。最后在Ansys的后处理模块中可以查看分析的结果和振型云图、图表等结果信息。可以运用创建关键点并连线，之后利用旋转切割的操作在关键位置创建节点建立有限元3D模型再进一步做各种力学分析。用这种方法具有可以自由控制网格的大小、网格形状，并人为的设定关键节点的位置，快速进行载荷和约束的施加，大大的降低了操作的难度和分析求解的时间^[23]。

1.4论文的主要工作

本文的主要工作是将对轴承参数对轴-壳振动特性影响进行仿真分析，利用Ansys软件建立推进轴系与壳体耦合系统的结构分析模型，并对轴-壳连接的径向轴承进行不同形式、位置的各个方面的简化。根据轴承参数设置的不同模拟出不同情况下的振动特性。从而分析振动由轴系到壳体的传递规律以及振动产生的机理，并在此基础上对振动传递影响较大的设计形式、参数及影响规律进行分析。论文的主要内容如下：

（1）第一章中介绍了毕业设计论文研究的目的和意义、对近年以来国内外研究现状进行了汇总，介绍了论文研究应用的仿真分析软件的基本功能并引出了论文主要工作。

（2）第二章中介绍了本文仿真研究工具Ansys软件的基本功能和本文选择APDL作为二次开发工具的原因。Ansys主要的建模、网格划分和模态分析方法。

（3）第三章中描述了本文对轴-壳耦合系统进行建模的参数选择、建模方法。网格划分方法的处理以及对径向轴承连接的建模处理方法。介绍了对轴-壳耦合系统连接处径向轴承进行简化的意义和简化方法的选择以及不同简化形式的设置。

（4）第四章介绍了模态分析的过程以及得到的数据结果，并根据各组模态分析的数据进行了总结和归纳，得出了不同种简化形式对轴-壳耦合系统振动特性的影响。

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