摘 要

船舶推进轴系作为连接螺旋桨与主机的主要部件，通过传递扭矩和轴向推力，推动船舶前进，是船舶动力装置系统中不可或缺的重要部件。然而由于船体在不同工况下与波浪相互作用发生剧烈的动态变形，会引起轴系振动加剧，影响船舶运行安全。因此，研究船体变形激励对轴系振动的影响显得尤为迫切。

本文提出以船舶轴系动态特性试验平台为研究对象，通过数值建模与实验分析相结合的方法来探讨船体变形激励对轴系振动的影响规律，具体研究内容如下：

（1）第一章介绍了研究背景与意义、国内外研究现状及本文主要研究内容。对船舶推进轴系的组成、功能和引起轴系振动的原因作了简要介绍，进而说明了本文的研究意义及目的；阐述了轴系振动的国内外研究现状；最后介绍了本文主要的研究内容。

（2）第二章介绍了扭转振动研究的相关理论与方法。介绍了轴系速度变化引起振动的作用机制；以船舶轴系动态特性试验台为研究对象，建立起船舶轴系振动的理论模型，并对几种不同的条件进行了讨论；最后对测试信号频域分析理论作了介绍。

（3）第三章基于MATLAB对实验结果进行研究。以船舶轴系动态特性试验台为研究对象，对轴系进行模拟不同情况的加载，并进一步用MATLAB分析试验数据，基于分析的结果，研究不同大小及位置的载荷作用下的轴系振动响应规律。

（4）第四章开展不同加载工况对轴系扭转振动特性影响规律的研究。对轴系台架组成和实验方案分别做了介绍，从不同加载位置和载荷大小等工况开展了船体变形激励对轴系振动特性的影响规律的分析，并对实验结论进行了总结。

（5）第五章对全文所做的主要工作与相关结论进行了总结，并对后续的研究工作做出了展望。

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关键词：船舶轴系振动；推进轴系；扭转振动特性；试验分析

Abstract

As the main component connecting the main engine and the propeller, the ship propulsion shaft transfers the torque generated and the axial thrust to propel the ship forward. It is an important component in the marine power plant system. However, the severe dynamic deformation of the ship under different conditions and wave interaction will lead to the vibration of the shafting, and it is easy to threaten the operation safety of the ship. Therefore, it is urgent to study the effect of hull deformation excitation on shafting vibration.

This paper takes the test platform of ship shafting dynamic characteristics as the research object, combined with the method of numerical modeling and experimental analysis to explore the incentive effects of hull on shafting vibration deformation. The specific contents are as follows:

The chapter 1 introduces the research significance and background, research status at home and abroad, and the main research contents of this paper. The composition and function of ship propulsion shafting, and the causes of the shafting vibration are briefly introduced. The urgency of the effect of hull deformation excitation on shafting vibration is derived. Then it explains the significance and purpose of this research from the shafting vibration and the hull deformation incentive four aspects of the research status of shafting vibration at home and abroad. Finally the main contents of this paper introduced.

The second chapter introduces the theory and method of torsional vibration research. The mechanism of vibration caused by the speed variation of shafting is introduced. The theoretical model of ship shafting vibration is set up based on the dynamic characteristic test rig of ship shafting, and several different conditions are discussed. Finally, the theory of frequency domain analysis of test signals is introduced.

The third chapter is based on MATLAB to study the results of the experiment. Taking the dynamic characteristic test rig of the ship shafting as the research object, the load of the shafting is simulated in different conditions, and the experimental data are analyzed by MATLAB. Based on the analysis results, the vibration response law of the shafting under different sizes and positions is studied.

The fourth chapter studies the influence of different loading conditions on the torsional vibration characteristics of shafting. The structure of the shafting and the experimental scheme are introduced. The influence of the hull deformation excitation on the vibration characteristics of the shafting is analyzed from different loading positions and loading conditions, and the experimental conclusions are summarized.

The fifth chapter summarizes the main work and conclusions of this essay, and makes a prospect for the following research work.

目 录

第1章 绪论 7

1.1船舶轴系振动研究背景与意义 7

1.2国内外研究现状 8

1.2.1 船舶轴系扭转振动研究 8

1.2.2 船舶轴系纵向振动研究 9

1.2.3 船舶轴系横向振动研究 9

1.3主要研究内容 9

第2章 实验原理 11

2.1船体变形作用机制 11

2.2测试原理 11

2.3测试信号频域分析理论 12

第3章 实验设备介绍 14

3.1船舶推进轴系的结构介绍 14

3.2测试仪器介绍 16

3.3实验方案介绍 17

第4章 实验结果分析 18

4.1加载幅值对扭转振动结果的影响 18

4.2加载位置和频率对扭转振动结果的影响 19

4.3加载转速对扭转振动结果的影响 21

4.3本章小结 26

第5章 全文总结及研究展望 27

5.1全文总结 27

5.2研究展望 27

参考文献 29

第1章 绪论

1.1船舶轴系振动研究背景与意义

船舶在海上航行时，会产生不同程度的振动，如果振动系统固有频率与振动频率一致，就会产生共振现象^[1]，危害船体。对于大功率推进装置，即使不在共振状态，由于转速和工况的变化也可能引起剧烈的振动，甚至影响船舶的运行。船舶动力装置作为船舶的动力核心，具有非常重要的地位。而船舶推进轴系作为连接主机与螺旋桨的主要部件，将前者所产生的扭矩传递给后者，同时将螺旋桨旋转产生的轴向推力传给船体，推动船舶前进，是船舶动力装置系统中必不可少的重要部件。

船舶推进轴系振动形式有扭转振动、纵向振动、横向振动以及这些振动形式的耦合形式。它们是由工作时爆发压力、惯性力等周期激励引起的。它们相互耦合作用使曲轴工作在交变负荷下，长期作用会引发曲轴断裂，导致主机发生致命性故障。轴系的振动会通过主轴承座传递给气缸体，从而由机体表面辐射出噪声，或引起机体表面安装附件的振动和噪声，研究表明，机体表面的噪声辐射占整个发动机噪声辐射声功率的 65%左右。此外，内燃机的许多附属机构都需要直接从曲轴获取动力以及正时定位，如配气机构、燃油喷射系统等，曲轴的振动会引起配气相位、供油定时、供油量、点火正时变动很大，使得各缸工作不均匀，循环变动加剧，最终加剧了整个发动机的性能恶化。因此世界各国规范要求，对于船舶推进轴系，必须进行振动校核计算，并提供相应的计算报告。

船舶推进轴系扭转振动的力主要来自柴油机的间歇性喷油与燃烧、输出扭矩的不均匀性及螺旋桨在流场中旋转产生的对轴系的不均匀激励，严重的扭转振动将会导致曲轴、中间轴等断裂。扭振振动是主机通过轴系传递功率至螺旋桨，造成各轴段间的扭转角度不相等，轴段来回摆动产生的。对扭转振动而言，由于曲轴较长，扭转刚度较小，而且曲轴轴系的转动惯量又较大，故曲轴扭振的频率较低，在内燃机工作转速范围内容易产生共振。如不采取预防措施轻则引起较大噪声、加剧其它零件的磨损，重则可使曲轴折断。因此，扭转振动是内燃机设计过程中必须考虑的重要因素。扭振振动是主机通过轴系传递功率至螺旋桨，造成轴系各段的扭转角度不相等，轴系来回摆动产生的。因为内燃机曲轴一般均采用全支承结构，弯曲刚度较大，所以其弯曲振动的自然频率较高。虽然弯曲振动不会在内燃机工作转速范围内产生共振，但它会引起配套轴系和机体其它部件的振动，是内燃机的主要噪声源。对扭转振动而言，由于曲轴较长，扭转刚度较小，而且曲轴轴系的转动惯量又较大，震动的频率较低，在内燃机工作转速范围内容易产生共振。如不采取预防措施轻则引起较大噪声、加剧其它零件的磨损，重则可使曲轴折断。因此，扭转振动是内燃机设计过程中必须考虑的重要因素。在这三种轴系振动类型中，因扭转振动产生的事故是最多最主要的。多年来，内燃机曲轴的扭转振动一直是人们为提高发动机工作的可靠性，减轻发动机零部件及整机的振动、减小发动机表面的噪声辐射而努力研究的课题。

船舶推进轴系纵向振动主要来自船尾不均匀伴流场工作的螺旋桨作用的交变纵向激振力（推力）以及联合动力装置速比较大的齿轮箱中齿轮啮合产生的轴向激励等，船舶推进轴系的纵向振动会加大推力轴承的附加交变负荷，甚至会产生曲轴的弯曲疲劳破坏。

船舶推进轴系的横向振动实质上是转轴的进动，即转轴一方面以某一角速度绕其自身的几何中心线（机动挠度曲线）旋转，同时弯曲的几何中心线又以某一角速度绕支承中心线旋转，推进轴系横向振动的激振力主要来自旋转质量不平衡离心力、作用在螺旋桨上的流体激振力等，严重的横向振动将产生螺旋桨轴锥形大端疲劳破坏、尾管轴承早期磨损及船尾结构局部振动等^[2]。

随着船舶大型化趋势的出现，船体主参数明显增大，船舶轴系的输出功率、传递推力、结构尺度等参数不断增大。由于在不同工况下船体与波浪相互作用会发生剧烈的动态变形，变形通过船体-轴承-轴系传递作用于推进轴系不同位置，引起轴系振动加剧，当船舶推进系统的振动超过允许的幅值时，极易引起推进系统故障，威胁船舶运行安全。由于船体的板壳结构与轴承基座相比，相对柔软，轴系振动也会通过轴系-轴承-船体传递作用于船体^[3]。振动易引起船体尾部剧烈振动，影响船舶正常使用寿命。

1.2国内外研究现状

1.2.1 船舶轴系扭转振动研究

船舶推进轴系扭振研究是船舶动力性能研究的重要方面，对于船舶的安全性、舒适性及可靠性具有重要意义，历来都是船舶设计者需要重点考虑的问题。

由于船舶的大型化，推进系统与船体两者的相互耦合、相互影响问题日益突出。在水环境中，大型船舶的船体变形与其推进系统之间的耦合影响已成为船舶领域的研究热点，引起世界上相关的专家学者及各国船级社的高度重视。目前船舶柴油机轴系扭转振动研究的方法主要是数值分析仿真研究和试验研究。轴系扭转振动的试验研究在试验结果上非常接近实际效果，但其试验成本高、难度大，尤其对于大型柴油机，试验条件很难满足。在柴油机设计阶段只能采取仿真研究，另外，仿真研究还具有周期短、成本低等优点，因而被柴油机生产厂家广泛使采用。

轴系震动计算方法主要有传递矩阵法和有限元法。

传递矩阵法是应用行列式展开求根的方法，先列出多质量自由振动方程，从而把自由振动计算归结为求特征值和特征向量的问题，具有广泛的应用。王宁等人进行了Prohl法和Riccati法两种传递矩阵法的推导，并运用MATLAB实现了算法^[7]。陈万宏通过MATLAB求解轴系振动的固有频率和主振型^[8]。郭朝义等人运用MATLAB 作为开发工具，编制了适用于船舶推进轴系扭转振动计算的工具，并着重对激励力矩的分析进行了讨论，提出了以示功图生成激励力矩矩阵的方法^[9]。周勇等人通过建立轴系扭转振动的仿真模型，介绍了扭转振动计算方法和仿真方法，并在MATLAB软件中编制仿真程序进行求解，将仿真结果与实船测试结果进行对比分析^[10]。周瑞平等人建立了船舶推进轴系扭转振动计算模型，利用MATLAB直接进行解析法计算，并开发了相应的计算软件^[11]。杨红军等人针对船舶推进轴系扭转振动集总参数模型图，使用MATLAB软件编制了扭振计算程序^[12]。

有限元法是根据变分原理求解数学物理方程的数值计算方法，它将轴系离散为若干单元，靠节点连接、承载及传递载荷，可较真实地模拟复杂轴系，计算精度较高，但存在耗时长、占用资源大、编程复杂等缺点^[13]。谈微中等人基于多体动力学耦合理论结合有限元理论，建立船舶推进轴系的刚柔耦合多体动力学仿真模型，对大型低转速推进轴系在工作中的扭振特性进行研究^[14]。

1.2.2 船舶轴系纵向振动研究

随着船舶大型化的趋势，主机功率相应增大，尤其是对于联合动力装置，在长轴系布置时，由柴油机引起的有害的纵振临界转速有可能落入转速范围内，这一点已为国外柴油机制造厂重视，并较早开展了对柴油机推进轴系纵向振动的研究。

轴系纵向振动与扭转振动，不管是离散系统模型还是分布系统模型，都具有相似的数学模型，只需把扭振动力学参数改换为相应的纵振动力学参数，则扭转振动中有些公式都可以用到纵振分析中来。张阳等人通过有限元分析软件Patran仿真分析被动式动力吸振器和主动控制方法对轴系纵向振动的控制效果^[15]。Zou Donglin等人进行了船舶推进轴系的耦合纵向振动研究^[16]，并分析了具有几何非线性的船舶推进轴系的强迫振动^[17]。Y.Chen等人进行了由流入湍流引起的船舶螺旋桨轴系纵向振动研究^[18]。秦春云等人通过建立轴系的有限元模型，提出用动力消振的方法对船舶轴系的纵向振动进行抑制^[19]。

1.2.3 船舶轴系横向振动研究

随着船舶大型化的发展，使得船体特别是船尾的刚度有所下降。为了获得较高的推进效率，通常采用多段推进轴系，这样除了在船体横截面中心线上的轴系外，其余的轴系通常有较长的部分远离船体伸入水中，船体外的这部分轴段由舷外托架支承，它们的刚度一般要比船体内支承刚度低，此外，这类轴系相邻轴承间的距离较长，这些都会导致轴系横向振动固有频率降低。另一方面，这类船舶的螺旋桨有五或六个桨叶，其转速也较高，这就使作用在螺旋桨上流体力的频率（叶频）有可能接近于下降的横向振动频率，使轴系有产生共振的可能性^[2]。在大功率船舶中，即使没有出现共振，由于螺旋桨的激振力增加，也有可能使横向振动响应大到不可忽视的程度。因此，推进轴系的横向振动受到广泛关注。

一般来说，船舶轴系横向振动（横向振动）的计算方法主要有传递矩阵法和有限元法。J.R.Banerje等人通过传递矩阵法分析了弯扭耦合梁的横向自由振动^[20]。沈永凤等人利用有限元软件ANSYS分别建立正常轴系和挠曲轴系横向振动的计算模型，对轴系的固有频率变化进行分析^[21]。

1.3主要研究内容

本文提出以船舶轴系动态特性试验平台为研究对象，通过数值建模与实验分析相结合的方法来探讨船体变形激励对轴系振动的影响规律。

（1）第一章介绍了研究背景与意义、国内外研究现状及本文主要研究内容。对船舶推进轴系的组成、功能和引起轴系振动的原因作了简要介绍，引出了开展船体变形激励对轴系振动影响的迫切性，进而说明了本文的研究意义及目的；分别从轴系振动及船体变形激励等方面阐述了轴系振动的国内外研究现状；最后介绍了本文的主要研究内容。

（2）第二章介绍了船体变形激励与轴系振动研究的相关理论与方法。阐明了船体变形激励引起轴系振动的作用机制；以船舶轴系动态特性试验台为研究对象简单阐述了实验方案。

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