船舶推进轴系作为整个船舶动力装置的重要组成部分，包括从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，连接着主机和螺旋桨，它接受主机功率然后将其传给螺旋桨螺旋桨再将它收到的水的推力传递给船体，从而推动船舶航行[1]，其在实际工作过程中，会受到各种冲击载荷和周期激振力的作用，冲击载荷的作用时间短，其激起的振动往往会因为轴系结构中的各种阻尼作用而迅速衰减，而周期激振力，如主机激励、螺旋桨激励等等，因持续作用于推进轴系，使激起的轴系振动无法迅速衰减，最终将导致推进轴系的稳态振动，如轴系的扭振、纵振和回振等[2]。回旋振动又称横向振动，实质上是转轴依靠旋转力产生的进动，然而严重的弯曲应力将导致螺旋桨轴锥形大端处产生过大的回旋振动，使桨在锥部加剧振跳[3]，当这种振动超出轴系结构可接受的安全范围时，将会引发轴系结构的各种故障，甚至引起主机机体振动、船体振动等等，这些都将影响船舶的运行效率及安全。船舶的振动与噪声不仅影响船舶的舒适性和电子设备的可靠性，船舶推进装置的运行寿命，还影响周边水域的生态环境[4]。

二十世纪四十年代初期时常发生螺旋桨锥形大端龟裂折损，甚至螺旋桨掉落。Panagopulos,E(1950)和Jasper(1952)先后指出主要原因是：在螺旋桨上作用有按叶频周期变化的流体力，使螺旋桨轴系产生回旋振动共振。在这两位学者提出计算回旋振动固有频率的简化公式后，人们在设计中刻意避开了回旋振动的固有频率，从而使螺旋桨折损事故大体消除。船舶轴系振动计算的研究从二十世纪初期开始，而有限元法的基本思想出现于二十世纪四十年代初，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]，到1960年“有限单元法”这一概念才有克拉夫首次提出，有限元法是一种计算船舶推进轴系回旋振动的固有频率和振型很有效的数值计算方法[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，以陈之炎为代表的学者就对回旋振动的机理及正逆回旋产生的条件进行了研究。他们指出船舶推进轴系回旋的特点是振动角速度与轴回旋的角速度属于同一数量级,因而陀螺力矩包括哥氏惯性力矩和牵连惯性力矩两项，根据在同一截面上互相垂直的二个方向所刚得的振动信号的相位谱即可判断各次回旋的方向。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，机械结构产生的振动噪声是重要的噪声来源。目前结构产品设计过程中一般不会考虑噪声的动态特性，在产品设计生产出来后，再对其进行噪声测试和降噪处理，为此可能要产生改变产品的整体设计，大大增加研发成本和设计周期[10]。舰船水下声辐射是发生在船体结构和其周围流场中复杂的过程，庞大的船体结构致使水下辐射噪声求解规模大、计算难度高，建立精确解析的声振耦合模型难以实现，数值仿真技术是有效的计算手段，且因产生机理各异，各类辐射噪声成分往往采用不同方法作单独研究。国内外学者对舰船在单一种类激励作用下的机械、螺旋桨以及水动力噪声均开展了深入研究，且重心主要偏向于机械振动噪声和螺旋桨噪声。针对机械噪声Ouml;zden等[11]采用URANS方法计算了潜艇螺旋桨不同水流条件下的水下辐射噪声；Greco等[12]基于自由尾迹法采用BEN-RANSE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]。随着计算机和数值技术的发展，利用各种数值方法结构振动噪声成为人们解决这类工程问题的主要方法。主要使用有限元-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。目前使用较多的用于求解低频段水下结构流固耦合振动及辐射噪声特性的方法为有限元边界元方法,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仿真。声场仿真的边界元模型可通过提取机械有限元模型的表面单元来形成,由于只关心轴系外围的声场，而它由机座表面的振动量决定，故只将机械振动计算得到的机座表面节点振动速度作为声场边界元模型的边界条件[17]。声学边界元法是在频域中求解，即将机械有限元计算得到的各个频率的表面节点振动速度施加到声学边界元模型上，可求出主机周围各个频率的声场[18]。

2. 研究的基本内容与方案

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，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螺旋桨激振力引起的振动传递途径相同边界条件下,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。

[1]商圣义.民用船舶动力装置[M].北京：人民交通出版社，1985.

[2]周春良.船舶轴系振动研究[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006.

[3]周凌波，段勇，孙玉东，魏强.水面船舶推进轴系回旋振动研究综述[J].中国造船，2017.