详情

原文传递大型船舶轴系多向耦合振动建模与试验研究

论文题名：	大型船舶轴系多向耦合振动建模与试验研究
关键词：	大型船舶;推进轴系;复杂振动;结构耦合;船体变形
摘要：	船舶是发展水路运输和维护海洋权益的重要装备。随着船舶吨位和结构尺寸的逐渐增加，作为推进系统关键组成的主机功率相应变大，造成推进系统在复杂运行条件下的故障次数逐渐增多。其中，船舶轴系作为动力装置的重要组成部分，其可靠性和稳定性是船舶安全航行的重要保障。特别是在不同形式、大小的外部载荷条件下，流体-船体耦合动力学问题导致的船体变形作用于推进轴系，对其环境适应性和系统耦合性等提出了更高的技术要求。船舶在运行条件多变且工作模式复杂等情况下的动态变形对推进轴系影响的难题急需解决，通过改善推进轴系的可靠性来提升船舶运行性能的理论方法也亟待探索。　　以船舶推进轴系为研究对象，通过流体-船体结构耦合动力学理论研究，揭示流体与船体变形的交互作用。在此基础上，建立不同船体变形条件下的推进轴系多向耦合振动的计算方法，解决轴系复杂振动影响动力系统安全性能等关键技术的重要问题，为船舶在复杂环境下航行的可靠性提供理论支持。主要的研究工作和结论如下：　　（1）建立流体-船体结构耦合动力学的理论基础和计算模型，综合考虑了初始条件、边界条件、船体质量和刚度等不同的影响因素，通过对模型的数值计算，得到了耦合作用下的船体位移、压力与应变等动态响应，初步探讨了不同模型参数对耦合系统响应，即船体运动规律的影响。结合在拖曳水池进行的流体-船体动态试验测试，验证了该理论模型有效性的同时，总结了在船体结构曲线和材料强度等设计、建造过程中的基本规律。　　（2）建立基于集中质量法轴系扭转-纵向耦合振动理论模型，考虑了转速、耦合刚度系数、外部激励、阻尼等条件下的理论建模，同时考虑了转矩加载和纵向力加载等不同船体变形输入，通过高阶龙格库塔方法进行了模型的求解计算，通过数值计算得到了轴系在扭转和纵向振动的频域和时域响应，结合对试验测试结果的分析，验证了该计算模型的有效性，通过对不同耦合刚度系数的误差讨论，为推进轴系的结构尺寸等参数设计提供了理论指导。　　（3）在分析推进轴系结构特点和运行特征的基础上，利用有限单元法分析了推进轴系横向-纵向耦合振动的理论模型，在考虑边界条件、耦合约束、转速、截面偏心距等不同参数的同时，计入了横向载荷模拟船体垂荡的变形量，通过数值模拟得到了轴系在不同工况下的峰值频率和极限幅值，结合对应条件下的试验测试，验证了该模型的适用性，最后，讨论了不同偏心距对于推进轴系横向-纵向耦合振动的影响，为推进轴系截面特征的设计提供了技术支持。　　（4）开展船舶推进轴系扭转、纵向和横向等多向耦合振动的试验研究，测试了在不同加载位置进行单独加载和综合加载等不同载荷条件下的轴系动态响应，同时分析了运动过程中轴心轨迹的变化状态，系统讨论了船体变形对于推进轴系复杂耦合振动的影响，为船舶推进轴系的高效运行提供了实际保证。　　综上所述，本文结合流固耦合理论，对流体条件下的船体变形等动力学响应进行了分析。在此基础上，分别从理论分析和有限元计算的角度研究了船舶推进轴系的扭转-纵向耦合振动和横向-纵向耦合振动，并进行了复杂加载工况下的轴系三向振动试验。系统分析了船舶轴系耦合振动峰值频率和极限幅值，为船舶推进轴系的优化设计等提供了技术支撑。
作者：	黄千稳
专业：	轮机工程
导师：	严新平
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文