摘 要

作为所有船舶动力系统中重要的装置，轴系，包括传动轴，主发动机.输出法兰、和三叶螺旋桨之间的轴承以及联轴器，连接主发动.机和螺旋桨。在实际工作中，它会承.受各种冲击载荷，冲击载荷作用时间短，由于轴系结构中的各种阻尼作用，周期性的振动往往会.迅速衰减。由于对推进.轴系的连续作用，激励的轴系振动不能迅速衰减，最终导致推.进轴系的稳定振动，如横向振动，纵向振动和轴系的陀螺振动。当振动超过轴系结构.可接受的安全范围时，会引起轴系结构的故障，甚至主机和船体的振动，都会影响船舶的效率.和安全性。因此，研究船舶推进轴系的振动控制具有重要意义。

本文详细.总结了国内外舰船轴系.纵向振动产生原因、控制方案.及主要差距，论述了三种轴系振动的形式及原因。同时，介绍了ANSYS软件的特点。然后，根据该轴系试验台，参照实体模型的每个部分的绘制参数，轴系试验台模型是由ANSYS建立，并且在此基础上建立了振动模拟。并基于现有的研究.对轴系振动控制技术的未来发展方向提出建议。

关键词：轴系振动、控制方案、有限元

Abstract

As an important device in all marine power systems, the shafting, including the drive shaft, the main engine output flange, and the bearings between the three-bladed propellers and the coupling, connects the main engine and the propeller. In actual work, it will withstand various impact loads, and the impact load has a short acting time. Due to various damping effects in the shafting structure, the periodic vibration tends to decay rapidly. Due to the continuous action of the propulsion shafting, the excited shafting vibration cannot be rapidly attenuated, eventually leading to stable vibration of the propulsion shafting, such as lateral vibration, longitudinal vibration and gyroscopic vibration of the shafting. When the vibration exceeds the acceptable safety range of the shafting structure, it will cause the failure of the shafting structure, and even the vibration of the main engine and the hull will affect the efficiency and safety of the ship. Therefore, it is of great significance to study the vibration control of the ship propulsion shafting.

In this paper, the causes, control schemes and main gaps of longitudinal vibration of ship shafting at home and abroad are summarized in detail, and the forms and causes of three kinds of shafting vibrations are discussed. At the same time, the characteristics of ANSYS software are introduced. Then, according to the shafting test rig, referring to the drawing parameters of each part of the solid model, the shafting test rig model is established by ANSYS, and vibration simulation is established on this basis. Based on the existing research, it makes recommendations on the future development direction of the shafting vibration control technology.

Key words：Shafting vibration, Control scheme, FINITE ELEMENT.

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 2

1.1 研究背景 2

1.2 国内外研究现状 3

1.3 研究目的和意义 4

1.4 本章小结 4

第2章 船舶轴系振动形式及原因分析 5

2.1 横向振动形式及原因 5

2.2 纵向振动形式及原因 6

2.3 回旋振动形式及原因 7

2.4 本章小结 7

第3章 轴系仿真模型 8

3.1 ANSYS软件概述 8

3.2 有限元分析的基本原理和流程 9

3.3 轴系选型 11

3.4 轴系的建模方式 12

3.5 轴系模型建立 13

3.6 本章小结 15

第4章 有限元模型建立 16

4.1 轴系材料定义 16

4.2 模型网格划分 17

4.3 参数及约束设置 20

4.5 本章小结 24

第5章 分析结果及振动控制方法 25

5.1 模态分析结果 25

5.2 受迫振动响应分析 27

5.3 控制措施 31

5.4 本章小结 32

第6章 结论及展望 33

6.1 结论 33

6.2 展望 33

参考文献 34

致谢 36

第1章 绪论

1.1 研究背景

轴系包括驱动轴和附件推力，从主输出到推进器轴承。船舶轴系的主要功能是从主发动机传递动力传递.到推进器.以旋转推进器，并且发送由螺旋桨.旋转传递至船体产生的推力，推动船只向前行进^[1]。

当船舶推进轴系运行时，它会被许多功率因素，如船体变形，润滑油膜，推进马达，推进器流体动力学等所影响。例如，螺旋桨在一个不均匀的流场之中旋转产生弯矩，对舵机造成干扰，然后引起船体的.局部振动甚至引起总振动。如果机械干扰的频率与系统的固有频率一模一样，则将会产生共振。一旦发生破坏性.共振，极大可能会对整个轴系本身造成严重的损坏。即便没有发生共振，只要产生振动，也会影响机器的寿命。如果这振动传递至船体，会引起整个船体环境.振动，影响电气和.电子设备的工作精度。

对于一些深潜水器，强有力的机械振动.通过船体传送到水，产生噪音的船周围，从而降低了它的隐蔽。对于一些军舰来说，这些振动经常成为敌人通信设备的目标，后果是难以想象的。因此，研究轴系.的振动和运动状态，即是为轴系.的优化设计提供了依据。 因此，开展这方面的.研究具有重要意义。

轴系振动控制.有一定的困难：一方面，轴系的.基本功能，必须绝对保证；但是在另一方面，所述轴系的抗冲击性也必须得到绝对保证。现如今研究的重点，仍然是在轴体之.上安装一些控制装置。尽管被动控制装置是简单和可靠的，它无法适应.外部激励的变化，而且十分困难适用于干扰的抑制，所以这种方法控制的效果是极其有限.的。主动控制技术目前看来已成为轴系振动..控制一个重要的新方法，由于其潜在.的优势，如适应性强，良好的控制效果。

在国外，主动控制技术所相关的研究起步相对早一些。TRINDADE^[2–3]，DALEY^[4]，CARESTA^[5]等团队开展了大量的理论与试验相结合的研究工作。而我国在轴系振动控制方面.的研究还处于初级阶段。

在以前的工作中，有限元方法被证明是处理推进轴系耦合振动的有效方法。 为此，本文建立了螺旋桨耦合约束的有限元模型。首先，根据已有的相关理论，建立了扭-横耦合系统的怠速振动和加载振动方程。在此基础上，通过实验测试和数值模拟，对轮机工程轴系进行了谐波分析和瞬态分析。进一步，将横向力作用下的仿真结果与非横向力作用下的仿真结果进行了比较，分析了横向力对性能的影响，以及船体变形对轮机工程轴系的影响。 同时，进行了相应的实验测试，以确定耦合有限元方法的准确性。

1.2 国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

在World War II期间，美国海军在航行中进行观察.试验，轴系故障的主要原因是由纵向振动引起的^[6]。20世纪60年代，Michell公司研制出一款共振调节器，装载在推力轴承的内部，之后成为多国海军的标配。1989年，美国LEWIS等人^[8–9]提出一种主动控制方法，即辅助磁推力轴承在.原始推力轴承的基础.上并联连接，但导致轴系振动控制增加，阻尼效果受限。1990年BAZ等人^[10]研究了基于气动伺服.控制的纵向.振动主动控制技术，具有在低频范围.内的显著的控制效果。北京申奥成功当年，PAN等人^[11]在桨轴系.统试验平台，发现了主动致动器.可以控制推力轴承的油膜减少由推进器的结构振动的刚性。JOHNSON^[12]设计出并联的电磁式主动.控制装置，低频减振效果显著同时对.轴系影响较小。

千禧年后，澳洲DYLEJKO等^[13–14]和MERZ等^[15–16]在研究了在耦合振动中共振转换器参数优化问题。前者分析各种参数对于船舶共振.的影响规律，获得共振转换器的设计参数。而MERZ进一步研究了分布式主动吸振器与.共振转换器.组合的混合控制系统对轴系振动的影响。

由此可见，国外对船舶轴系振动控制的研究目前看来已进行了许多，主要的控制核心思想大多是在轴系上加减振附件。

1.2.2国内研究现状

90年代初，国内学者在计算船体的.低频弯曲振动方面.进行了一些理论工作。近年来，科研单位.结合国、内外的有关资料，.以及实际中遇到的轴系.振动问题，研究了轴系耦合振动，在轴系振动许多方面取得了许多进展^[17–19]。国内也开展了振动控制..的研究。曹贻鹏^[20]研究了基于动力吸振器的轴系纵向振动控制，结果表明，利用分布式设计的减振器可以扩大振动吸收带宽，能大幅衰减轴系.纵向振动。刘耀宗^[21]建立装配有动力吸振器.的纵向振动力学模型。发现动态吸振器只能抑制轴系共振频率附近.的峰值。王家盛^[22]设计了离心式动力吸振装置。此装置具有良好效果，但自动调节不足。李攀硕^[24]采用电磁作动器对轴系纵向振动进行了.自适应前馈控制，结果表明在螺旋桨转速不变的情况下，获得了较好.的效果。李良伟[23]采用优化算法对动力减振器参数优化，反映了各参数对轴系纵向振动的影响。杨志荣^[25]和李清云^[26]设计磁流变弹性体的动力吸振器，结果表明，整体振动吸收性能优于被动阻尼器。殷永康^[27]将改进的拟稳态控制算法.应用于纵向振动控制，吸收器的刚度连续变化会使磁流变半主动减振器取得更好的效果。

1.3 研究目的和意义

本文主要的.研究内容是基于现有船舶轴系.振动控制方法.进行研究。在振动控制领域，存在用于不同振动的各种控制方法。本文将通过建立仿真模型的方法模拟得出样本轴系的特性，从而分析适用的控制方法。具体的工作内容如下：

（1）完成文献的查阅之后，归纳现有的轴系振动控制方法；

（2）通过建立仿真建模的方法得到轴系模型，然后通过对轴系模型.进行有限元的计算，最终得到轴系特性分析；

（3）通过有限元计算结果，总结现有的振动控制方法，选择合适的控制方法进行研究。

1.4 本章小结

本章首先对现如今的.研究状况进行了介绍，然后详细.叙述了国内外对轴系振动.控制的研究现状，总结出现有技术的不足；最后根据存在问题，以及自身相应的学习情况，明确了本文的研究.目的和意义，为之后的工作做下铺垫。

第2章 船舶轴系振动形式及原因分析

2.1 横向振动形式及原因

2.1.1 横向振动形式

横向振动.特性，它可以被看作是几个集中质量和无质量扭簧具有多个固有振动频率的离散系统。气缸中的气体的力和通过连杆通过曲柄销上的柴油发动机动作的往复部件产生和惯性力可以被分解成多个具有不同频率，振幅和相位切向谐波的力。螺旋桨.也产生周期性的非均匀流场.中的切向激励力。当激励频率.与推进轴系的一部分.的横向振动的固有频率相同.或接近时，产生轴系的横向振动。

轴系横向振动的激励力矩，主要是柴油机推进轴系上的气体力和涡轮螺旋桨叶片上的二次支承力和电力推进轴系。

2.1.2横向振动原因

存在针对轴系.的横向振动主要有两个原因：1、轴系的惯性和弹性.确定其自身拥有的固有自由振动；2、作用于轴系的.周期性变化的激发扭矩.使轴系的横向振动。

轴系横向振动.的产生因素繁多，如部分气缸熄火或者是气缸不均匀点火，主机类型和“分支系统”的工作状态，轴系的种类，螺旋桨的原始设计等。

轴系.横向振动的主要因素有：

(1) 间歇燃料喷射和燃烧，以及柴油发动机输出.扭矩具有非均匀性；

(2) 船舶轴系部件安装.不在.中心，加工不精确以及自身质量的. .不均衡；

(3) 推进器在船舶的非均匀流动场旋转产生不均匀的激发到轴系。

2.1.3横向振动危害

由横向振动引起的.振动扭矩/应力是.交替的。当轴系在较大扭矩/应力的共振速度或非共振速度附近运行时，轴系部件将疲劳失效。严重的横向振动可能导致：

(1) 曲轴，中间轴，凸轮轴，推力轴，传动轴和尾管轴扭曲，甚至断裂；

(2) 减速齿轮的齿面点蚀、或者齿轮的齿间冲击以及断齿现象；

(3) 零部件在发动机之中会存在.磨损加剧的现象；

(4) 框架的纵向振动，双层底的垂直振动，船体的垂直振动，基础和上部结构的纵向振动，局部振动等。

2.2 纵向振动形式及原因

2.2.1 纵向振动形式

在柴油机周期性轴向力.激励和螺旋桨轴承力作用下，船舶轴系沿轴向出现往复运动现象，叫做纵向振动。

船舶的推进轴系的纵向振动特性可以被看作是几个集中质量和无质量弹簧纵向具有若干固有的纵向振动频率的离散系统。的气体力的气缸，并通过连接杆由曲柄销上的柴油发动机动作的往复部件所产生的惯性力在，它可以被分解成不同的频率，振幅和相位的许多径向谐波力。当激发频率.相同或接近的推进轴系.的纵向振动固有频率时，即会产生轴系的纵向振动。

2.2.2 纵向振动原因

轴系的扭转振动导致曲柄纵向变形，其交替时间..与扭转振动的谐波次数一致。大型低速二冲程柴油机曲轴纵向刚度比较小，轴系纵向振动固有频率下降，所以很有可能因为这种情况而产生纵向振动。

纵向振动的主要因素.如下文所示：

(1) 作用于船舶尾流场的螺旋桨具有大的交替纵向激振力（推力）所引起；

(2) 对于一些并联动力.装置中，速度比较大的齿轮箱.中齿轮相互啮合引起的轴向激励会引起纵向振动；

(3) 柴油发动机（与柴油发动机和轴系系统的布置）的气缸内的气体激发力比组合马达的前两个激励的气体激励力小得多；

(4) 轴系的扭转振动，当扭转振动频率.与纵向振动固有频率吻合时，会发生纵向扭转耦合振动极其明显的现象；

(5) 纵向振动也有可能由轴系.的摆线振动引起，这是由螺旋桨以及.齿轮箱的耦合引起的。

2.2.3 纵向振动危害

严重纵向振动.会导致以下故障.和振动现象：

(1) 交变弯曲应力和拉应力会产生于曲柄之中，甚至会使曲轴.弯曲或疲劳失效；

(2) 传动齿轮加速.磨损，齿轮齿表面.甚至损坏；

(3) 柴油燃烧机的机架的纵向振动。通过双层底部的船体梁或基础和上部结构的垂直振动或纵向振动；

(4) 可能造成双层底板、机舱构件和船体梁的局部振动，以及推力轴承引起的基础和上部结构的振动。

2.3 回旋振动形式及原因

2.3.1 回旋振动形式

在横向力矩在螺旋桨或旋转轴上旋转的作用下，旋转轴围绕其静态平衡曲线旋转。这被称作轴系的.旋转振动。

螺旋桨在不均匀的流场时，产生.周期性的弯曲力矩作用在螺旋桨轴上，激励力简谐次数为v_p = iZ_P ( i =1，2，…)， Z _P 为叶片数。

再者，螺旋桨的叶片材料分布不均匀，或者轴系本身的扭曲等问题，一般只有一次谐波。然而，如果轴系具有作用于它的两个主轴线不同截面模量，将产生的二次谐波的激振力。用万向接头的轴产生第二谐波的激振力。

2.3.2 回旋振动原因

通常，随着轴速的增加，回旋加速器振动的幅度增加，并且在最大速度时，回旋加速器振动的幅度也是最大的。通过底座和轴承的外部激励，也可能导致轴向旋转振动作用在螺旋桨上的不稳定横向激振力和轴系的不对中是主要的激励因素。径向轴承（特别是船尾轴承）的动态特性和轴系的对中状态是影响摆动振动传递的最重要因素。

2.3.3 回旋振动危害

严重的轴系回旋振动将导致下列机械故障和振动现象：

(1) 尾管后面的轴承过热或加速磨损，导致衬套腐蚀的现象；

(2) 螺旋桨轴，特别是锥端的键槽前部区域，具有额外的交变弯曲应力，甚至疲劳失效，如开裂和断裂；

(3) 引起轴承反应的动态放大，然后引起船尾结构的振动；

(4) 尾管密封装置漏损，甚至过早损坏。

2.4 本章小结

本章主要阐述了纵向振动、横向振动及回旋振动这三种轴系振动方式，以及形成的原因，还有它们分别的危害。

第3章 轴系仿真模型

船舶轴系.是结构较为简单的复合体，主要由中间轴、连接法兰、联轴器、艉轴、艉轴管、螺旋桨组成。为了便于分析，选择利用ANSYS进行建模。本章主要介绍轴系仿真结构的参数选择以及建立方式。

3.1 ANSYS软件概述

ANSYS是由美国ANSYS公司.开发的大规模通用有限元分析软件。可与大多数计算机辅助设计.软件交互式共享数据。它是一种集结构，流体，电场和磁场.于一体的有限元分析软件。

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