摘 要

随着主机功率的增加和专用船舶的发展，船舶轴系振动问题日益突出。 轴系的振动通过底座传递给船体。 导致船舶整体噪音水平增加，设备损坏和人员不适。因此，这要求我们加大对船舶轴系振动特性的研究。

出于对轴系的复杂结构考虑，本文以8530 TEU集装箱船作为研究对象，使用有限元方法来对船舶轴系进行建模与振动特性分析。根据各零部件参考图纸在ANSYS WORKBENCH中进行三维建模。其次，计算船舶轴系的横向振动，纵向振动和扭转振动固有频率，得到各阶固有频率下的振型。随后，对船舶轴系进行受迫振动分析，分析船舶轴系运行工况尾部载荷作用下横向振动、纵向振动、扭转振动特性。根据计算分析可知，在相同加载力情况下，横向振动的位移量最大，且与纵向振动和扭转振动之间有着相互耦合的关系。

关键词：大型船舶；轴系振动；自由振动分析；受迫振动分析

Abstract

With the increase of the power of main engine and the development of special ships, the vibration of ship shafting is becoming more and more serious. The vibration of the shafting is transmitted to the hull through the base. Causes the ship overall noise level to increase, equipment damage and personnel discomfort. Therefore, it requires us to study the vibration characteristics of ship shafting.

Considering the complex structure of shafting, this paper takes 8530 TEU container ship as the research object and USES finite element method to conduct modeling and vibration analysis of ship shafting. Conduct 3d modeling in ANSYS WORKBENCH according to each component reference drawing. Secondly, the natural frequencies of transverse vibration, longitudinal vibration and torsion vibration of ship shafting are calculated, and the vibration patterns of ship shafting at different frequencies are obtained. Then, the forced vibration analysis of ship shafting is carried out to analyze the transverse vibration, longitudinal vibration and torsion vibration characteristics of ship shafting under the influence of the rear load of ship shafting operating condition. According to the calculation analysis, under the same loading force, the lateral vibration has the largest displacement and is coupled with the longitudinal vibration and torsion vibration.

Key words: large ships; Shafting vibration; Free vibration analysis; Forced vibration analysis

目录

摘要 2

Abstract 3

1.1课题背景和研究意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1船舶轴系振动及其特性研究 1

1.2.2 ANSYS系统的应用 3

1.3主要研究内容、目标、采用的技术方案和措施 4

1.3.1研究目标 4

1.3.2研究内容 4

1.3.3采用的技术方案和措施 4

第二章 基本理论介绍 6

2.1 船舶轴系振动理论 6

2.2 ANSYS相关介绍 7

2.2.1有限元法概述 7

2.2.2 ANSYS软件简介 8

2.2.3模态分析相关理论 8

2.2.4 固有频率的几种计算方法以及方案流程 9

2.3本章小结 10

第三章 主要研究对象及建模 11

3.1 8530TEU集装箱船概况 11

3.2 基于ANSYS的船舶推进轴系的建模 13

3.3本章小结 15

第四章 船舶推进轴系振动特性分析 16

4.1船舶轴系自由振动的计算以及分析 16

4.2船舶轴系受迫振动下的计算与分析 25

4.3 本章小结: 29

第五章 总结与展望 30

5.1　总结 30

5.2　展望 31

参考文献 32

致谢 33

第一章 绪论

1.1课题背景和研究意义

近年来，在船舶轴系振动中出现的问题愈发的明显。因此对于船舶轴系振动特性这一块来说，加强相关的研究变得愈发的刻不容缓^[1]。及到三方面的内容： 首先，自20世纪以来，船舶的主要规模不断增加，使用高强度钢材来减轻船体结构的重量。壳体的结构刚性降低，壳体变薄，因此振动和噪音问题比过去更加突出; 其次，为了提高转速，不断增加主机和推进器的功率，机器功率不断增加，转速逐渐增加;第三，出于为了适应一些可能会出现的新的使用方向，需要研究出新的船舶结构^[2]。

　　船轴系统是由推力轴，中间轴，尾轴以及各种轴承和联轴器所构成的复杂系统。在船舶航行途中，会有扭曲振动出现，并对船舶顺利航行产生不利影响。 船舶轴系振动有三种类型：由于旋转轴不平衡引起的横向振动可能是竖直或平行水平线的，这可能导致尾管泄漏。 情况严重时，螺旋桨推力不均造成的纵向振动会导致推力轴承撞击，曲轴箱可能破裂。另外，从主机经轴转移至螺旋桨上的动力会导致轴段前后摆动。 结果，产生扭转振动。因此，在对船舶进行设计的过程里，有必要对轴系进行振动补偿计算^[3]。

1.2 国内外研究现状

1.2.1船舶轴系振动及其特性研究

在船舶推动设备中，将驱动轴与推动设备从主机操作要求的的所有设备连接到中部轴单元被称作是船舶轴系。它主要由传动轴，传动装置和别的附加件所构成。船舶轴系的功能是将船舶主机的动力传递给螺旋桨。由螺旋桨旋转产生的轴的推力通过轴系传递到推力轴承，推力轴承直接作用于船体，使船舶前进或后退。

船舶轴系是该船电厂的重要组成部分之一。一方面，竖井系统的工作将直接影响船舶的推进特性和正常航行。 它也直接影响船主的正常运行。假使对轴系的设计上出现了质量问题，则会导致震动，传动系统故障，轴承上的损耗量过大，更有甚者会有轴断裂这样的危险发生。所以，有必要推进对轴系的进一步探究，便于更好的设计，创造和检查。另一方面，近年来船舶结构的振动和控制问题越来越受到造船业的关注，业界对船舶减振降噪提出了更高的要求。特别是对大型油轮的要求越来越严格，表面船体结构对船舶机械系统和主推进装置影响很大。因此对于推进轴系的建设，创造和检查需求日益重要。