1．目的及意义

1、 1、目的及意义

1.1目的及意义

随着世界经济的发展，各个国家之间的交易在稳步上升，而目前这些交易货物总额的80~90%都是通过航运来完成的。据文献统计^[1]，在船舶机械类结构破坏的案例中，推进轴系的问题占比四分之一，仅次于主机。动力装置是船舶的心脏，推进轴系则是船舶动力装置的核心部分，它将主机的功率传递到螺旋桨，并将螺旋桨的推力传递到船体，推动船舶前进。推进轴系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。轴系在运转过程中，会受到许多因素的影响，如主机处产生的激励、轴系自重引起的弯曲变形、螺旋桨产生的阻力矩和推力作用等等，将会不可避免的引起轴系振动。与此同时，船舶对其机械系统和主推进系统的要求越来越高，船舶整体和局部的振动及其控制问题显得日益突出^[2]。

船舶的整体运动问题是指船体结构在六个自由度的位移和转角，也就是在流体条件下的船体变形^[3]。而在船舶主尺寸不断增加的情况下，需要采用高强度结构材料来减轻船体构件的整体质量，导致船体结构刚度相对减小，其固有频率也随之降低，致使船体的变形情况尤为严重^[4]。由于载荷和船体结构的交互作用，解决船体变形问题的实质是研究流固耦合问题^[5]。船舶的局部运动主要包括其推进系统的振动，在适应船体结构和船舶用途的基础上，轴系逐渐变长、轴径增大，导致其设计、检验等工作变得极其复杂^[6-7]。由于船体的柔性增加，轴系旋转质量的不平衡严重威胁着船舶的航行安全，考虑到推进轴系的振动形式复杂，为了保证其安全、长久的工作，推进轴系的振动研究显得更为重要^[8-9]。目前推进轴系存在三大振动问题：扭转振动、纵向振动和横向振动（又称回旋振动），当轴系的振动达到一定程度时，将会导致轴系及主机等的故障、降低动力的传递效率^[10-11]，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航行性能和安全运行^[7]。而随着现代水面船舶向大型化发展，推进轴系具有大跨度、多支承的特点，一方面船体艉部的刚度降低，另一方面推进轴系趋于长跨度和多支点的设计布置，导致轴系横向振动固有频率下降，而螺旋桨叶片数的增加又使螺旋桨叶频有可能接近横向振动的共振转速区间；另一方面主机功率的提高使得推进轴系传递的扭矩和推力增加，使螺旋桨的激振力大大增加，横向振动响应已上升到不容小觑的程度。因此研究船舶推进轴系的横向振动特性具有十分重要的意义。

1.2国内外的研究现状分析

目前横向振动是最为突出的一个难题。关于它的研究，相对于扭转振动和纵向振动的研究而言，不论是在文献发表的数量上还是在研究深度上都是^[12]最不足的。20 世纪50年代，美国“自由”轮因推进轴系横向振动导致螺旋桨轴锥部大端龟裂折损，造成螺旋桨掉入海中，引起人们对推进轴系横向振动的关注。随后 Panagopulos 和 Jasper 提出轴系横向振动共振现象，并给出轴系固有频率计算 Panagopulos 和 Jasper 简化公式^[13]，这对当时轴系设计中避免横向振动有重大的指导作用，然而上述简化公式是在刚性支撑简单轴系模型的基础上建立的，针对船舶推进轴系横向振动问题进行的研究大多着眼于轴系本身，重点关注轴系的临界转速、轴承负荷和弯曲应力，分析和校核横向振动对轴系校中的影响以及由此而引起的轴系破坏或轴承磨损等^[14-18]。但是随着目前现代水面船舶大型化发展，出现了散货船和大型、超大型油轮等大型船舶，这类船舶通常是通过增大轴系与螺旋桨的直径来保证扭矩的传递，而船体是一薄壁腔体结构，其刚度不会随着轴系刚度同等比例增大，这就使得轴系刚度相对增大，结果导致轴系刚性对船体变形极为敏感，随之而引起的横向振动问题更加复杂严重，上述简单公式已不再适用，这促使人们对轴系横向振动特性计算方法进行进一步的研究。

目前推进轴系横向振动的计算通常是在轴系校中之后进行的，计算方法主要有三类^[19]：近似公式法、传递矩阵法和有限元法。其中，近似公式法包括简单估算公式、Jasper公式、Panagopulos公式及其修正公式、Rayleigh 公式^[20]；传递矩阵法包括 MP（Myklestad-Prohl）传递矩阵法^[21]、Riccati传递矩阵法^[22]、RMP（Riccati-Myklestad-Prohlfa）传递矩阵法^[23]；有限元法一般采用商业有限元分析软件，如 ABAQUS、ANSYS、SAMCEF Rotor 等。本文仅讨论传递矩阵法和有限元法的发展情况。传递矩阵最原始的算法是MP法，此法优点是表达式简单、对计算机内存要求不高、易于编程，但是由于此法在计算较高固有频率时，得到的系统频率行列式接近于病态，即系统的剩余量为两个接近的大数之差，这将使得系统剩余量发生不规则的跳动即数值不稳定现象，最终使得固有频率的计算值失准，同时固有振型的计算亦因为计算机字长的舍入误差累积而出现严重失真。随后出现的R法是在MP法的基础上发展起来的，R法有效地改善了MP法的数值不稳定现象，提高了固有频率及振型的计算精度，即R法弥补了MP法的缺陷，但是R法在计算过程中存在矩阵求逆的过程，这使得剩余量曲线中存在奇点（即负号为无穷大间断点），当零点与奇点极为相近时，将导致在搜索求根时出现“漏根”现象。最新的RMP法结合了R和MP法各自的优势，能够准确的实现横向振动的计算。我国学者陈之炎^[24]分别介绍了三种传递矩阵法在轴系横向振动自由振动和强迫振动计算中的应用，并给出了详细的推导公式；陈锡恩等^[25]针对10余艘船舶的横向振动固有频率进行了研究，利用实测固有频率值来调整理论计算公式中相关的计算参数，使得固有频率的实测值与理论计算值一致，并给出了相关计算参数；刘刚等^[26]建立了轴系横向振动集总-分布参数的混合模型，并详细分析了轴系横向振动计算的传递矩阵法；蔡双利等^[27]等利用传递矩阵法对某电力推进轴系的横向振动自由振动进行了计算研究并用MATLAB 编写了相应的计算程序，同时计算分析了轴承刚度值、尾轴后轴承支撑点位置以及陀螺力矩对轴系临界转速的影响情况；Wifried Schiffer^[28]基于有限元法开发的计算软件能够提供轴系的三维模型，同时能够进行轴系的横向振动、校中以及纵-扭耦合计算。本文采用有限元法分析。
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2. 研究的基本内容与方案

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2、研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1研究内容

本文主要通过详细了解船舶轴系横向振动产生的原因和特性，建立船舶轴系横向振动有限元计算模型，利用有限元分析软件对船舶轴系横向振动有限元计算模型进行模拟仿真，根据仿真结果分析船舶轴系横向振动分布规律、振动特性及传递途径等。

2.2研究目标