摘 要

多支撑回转轴系作为重要的动力传输装置，在船舶中得到了广泛应用。其运转时的振动情况对回转轴系的工作性能及船舶整体系统的正常工作有着十分重要的影响。但船舶的大型化及多推进轴系的出现，使得多支撑回转轴系固有频率降低，轴系面临着临界转速落入运转速度范围之内的危险。鉴于多支撑回转轴系的重要性，需要对其性能进行更深一步的分析研究。本文以船舶推进轴系为原型进行多支撑回转轴系设计与仿真分析，并对影响多支撑回转轴系临界转速的因素进行讨论。具体内容有：

1. 参照我国钢制海船建造规范，结合《机械设计手册》完成多支撑回转轴系结构设计。并通过力矩分配法对该轴系进行合理校中。
2. 利用Ansys有限元软件对该轴系进行了静力学和模态仿真，求解得到该轴系的前六阶固有频率和振型。通过传递矩阵法建立该轴系横向振动简化模型，编写用于传递矩阵法求解横向振动的MATLAB应用程序。
3. 将影响多支撑回转轴系固有振动特性的因素分为两类，分别讨论了它们对于该轴系固有振动特性的影响幅度，并给出该轴系固有频率变化数据，对多支撑回转轴系横向振动的进一步研究打下基础。

关键词：回转轴系；横向振动；有限元仿真；传递矩阵法

Abstract

As an important power transmission device, multi-supported rotating shafting has been widely used in shipbuilding. The vibration of the rotating shafting has a very important influence on the working performance of the rotating shafting and the normal operation of the ship's whole system. However, with the upsizing of ships, the appearance of multi-propulsion shafting reduces the natural frequency of shafting significantly, and the shafting is faced with the danger that the critical speed falls into the operating speed range. In view of the importance of multi-support rotating shafting, its performance needs to be further analyzed and studied. Based on the prototype of ship propulsion shafting, the design and simulation analysis of multi-support rotating shafting are carried out in this paper, and the factors affecting the critical speed of multi-support rotating shafting are discussed. The main content of the paper is as follows:

1. The structure design of multi-support rotary shafting was completed by referring to the Code for Construction of Steel Ships in China and combining with the Machinery’s Handbook, and the shafting was reasonably calibrated by the method of moment distribution.
2. The first six natural frequencies and modes of the shafting are obtained through the static and modal simulation of the shafting with Ansys. The simplified model of the shafting's transverse vibration was established by the transfer matrix method, and the MATLAB application program for solving the lateral vibration by the transfer matrix method was written.
3. The factors affecting the natural vibration characteristics of multi-supported rotating shafting are divided into two categories, and their influence amplitude on the natural vibration characteristics of the shafting is discussed respectively, and the natural frequency change data of the shafting is given, laying a foundation for further study on the lateral vibration of the multi-supported rotating shafting.

Key Words：Rotary shafting; Lateral vibration; Finite element simulation; Transfer matrix method

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文研究内容 3

第2章 多支撑回转轴系设计 5

2.1 推进轴系设计简介 5

2.1.1 推进轴系组成及作用 5

2.1.2 推进轴系设计流程 6

2.2 多支撑回转轴系设计 7

2.2.1 传动轴设计 7

2.2.2 推进轴系强度校核 8

2.2.3 轴系合理校中 10

2.3 本章小结 15

第3章 多支撑回转轴系建模与仿真 16

3.1 横向振动简介 16

3.1.1 横向振动基本概念 16

3.1.2 横向振动回旋效应 17

3.2 多支撑回转轴系有限元仿真 18

3.2.1 软件简介 18

3.2.2 静力学仿真 18

3.2.3 模态仿真 22

3.3 传递矩阵法横向振动分析 23

3.3.1 传递矩阵法 23

3.3.2 简化模型与矢量定义 23

3.3.3 元件传递矩阵 25

3.3.4 固有频率及振型求解 28

3.3.5 计算机辅助求解 30

3.4 本章小结 32

第4章 多支撑回转轴系固有振动特性分析 34

4.1 轴系本身特性 34

4.1.1 轴承间距 34

4.1.2 轴系校中状态 35

4.2 轴系计算偏差 35

4.2.1 轴承支承点位置 35

4.2.2 螺旋桨附水效应 36

4.2.3 支承系统刚度 37

4.2.4 陀螺效应 38

4.3 本章小结 38

第5章 总结与展望 39

参考文献 40

致谢 42

第1章 绪论

1. 课题研究目的及意义

多支撑回转轴系在船舶上广泛应用，也称推进轴系。随着几十年来船舶工业的快速发展，船舶数量和造船吨位都在不断增长，船舶的性能因此得到了国内外研究人员的广泛关注。推进轴系作为船舶动力装置的核心，其性能极大程度上反应了船舶质量的好坏，人们从推进轴系的设计、制造和检测等角度出发，开展了一系列的研究。与传统机床的回转轴系不同，船舶的推进轴系具有长跨距、多支撑和结构复杂等特点，这虽然可以增大推进轴系传递的动力，但也导致船舶的推进轴系更容易因自身重力发生弯曲变形，其回转精度差，使用寿命低，每年船舶在推进轴系上所耗费的成本也在逐步增加。

传统对于船舶性能的研究仅限于速度、航行时间和油耗速率等参数，但随着生活水平的提高，船舶的航行安全、舒适、环保和节能等其它性能也受到了各船舶部门的重视。在船舶航行过程中，受到各种复杂海况和来自柴油机激励的影响，船舶的推进轴系的动力学特性会发生难以预知的变化，轴承所受的载荷会因船体的变形而增大，甚至出现中间轴、推力轴断裂，轴承快速磨损等情况，并且推进轴系的共振一般发生在轴系低转速时，当发生共振时，柴油机噪声加大，系统振动加剧，支撑的轴承会加速磨损，船舶舒适性降低，寿命急剧减少，故障频发。上述的问题都与推进轴系有密切的联系，因此以船舶推进轴系为原型对多支撑回转轴系进行建模和性能分析具有重要意义。