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原文传递推进轴系回旋振动及其支撑结构振动特性研究

论文题名：	推进轴系回旋振动及其支撑结构振动特性研究
关键词：	推进轴系;回旋振动;傅里叶级数;弹性边界;支撑结构;振动特性;船舶动力装置
摘要：	推进轴系是船舶动力装置的重要组成部分,其与壳体耦合结构的振动与噪声预报及控制是船舶工程领域的重要研究课题。面对悬臂推进器在旋转过程中所产生的回旋力矩以及艉轴承的等效支撑刚度及支撑位置,准确建立其动力学模型,并研究其对轴系及耦合结构的影响均具有重要的理论意义及应用前景。本文围绕推进轴系的回旋效应、艉轴承的动力学特性、悬臂推进器对轴系的影响以及轴系与壳体的耦合结构振动问题展开了相关研究,具体的研究内容简述如下: 　　采用傅里叶级数展开方法建立了基于欧拉-伯努利梁(Euler-Bernoullibeam)理论的轴系回旋振动动力学分析模型。通过与文献及有限元模型所得结果的对比验证了傅里叶级数展开方法应用的正确性,并引入狄拉克(Dirac)delta函数,将轴系推进器考虑为集中质量点,并分析其回旋力矩,推导得到了带集中质量点及考虑回旋效应的轴系控制微分方程,利用三角级数的正交性推导得到了轴系回旋振动的标准特征方程,并利用数值逐步积分方法Newmark法求解简谐激励或任意激励下的回旋振动时域响应,通过与已出版文献,国标及有限元模型得到的结果进行对比分析验证了本方法具有良好的收敛性及正确性。本方法基于连续体理论,可以求解弹性支撑边界、变轴颈、多跨距轴系回旋振动固有特性及强迫响应。　　基于Reynolds方程,利用倾斜轴颈状态下的油膜厚度公式,通过阻抗关系推导得到了无限短及无限长轴承的刚度和阻尼共8个动力特性参数的计算方法,并根据适用于有限长轴承的结合了无限长短轴承阻抗表达式的一种经验阻抗关系,得到了有限长轴承的刚度及阻尼计算方法,并由此获得有限长轴承的等效支撑刚度及支撑位置。通过与已出版文献不同倾斜角度下最大油膜压力的对比验证了本方法的正确性,并分析了艉轴承润滑特性、等效支撑刚度及支撑位置与艉轴承末端下沉量及轴系转速之间的关系,进一步研究了其对轴系回旋振动特性的影响。　　采用二维的傅里叶级数展开方法建立了弹性支撑及连接边界的多跨曲梁面内自由振动模型。从能量原理出发,将曲梁面内径向和切向位移函数表示成傅里叶级数形式,并引入辅助多项式函数用以解决弹性支撑及连接边界的不连续性,采用Rayleigh-Ritz方法求解哈密顿方程,得到关于未知位移幅值系数的标准特征值问题,求解得到多跨曲梁的固有频率和振型。同时,考虑了其他分布或者集中特征量对整体矩阵的影响。通过两跨的自由、简支、固支等经典边界及弹性边界的曲梁模型结果与有限元模型所得结果的对比验证了本方法的正确性,并对曲率对曲梁振动特性的影响及两跨曲梁中间连接刚度对其固有频率的影响作了一定的研究。　　引入波传播方法解决了圆柱壳弹性支撑边界自由振动的求解问题。首先采用波传播方法研究了经典边界圆柱壳的振动特性,研究了使用相同边界梁单元波数求解圆柱壳振动波数的方法,并另辟蹊径直接通过控制方程求解波数,并应用到弹性边界条件,通过设定弹性支撑弹簧刚度为无穷大或者零来得到与经典边界相对应的结果,并与文献及有限元模型所得结果进行了对比,并研究了各个方向弹性支撑对圆柱壳振动特性的影响。　　采用机械阻抗综合法研究梁及其支撑圆柱壳体的耦合结构振动特性。首先对机械阻抗的基本思路进行了说明,求解了基于机械阻抗综合法的结构在简谐激励下的响应。其次,推导得到了多跨梁及简支边界下圆柱壳体在点激励下频域内的阻抗表达形式,求解计算了在简谐激励下的谐响应,并与有限元模型所得结果进行了对比,结果吻合良好。对双层梁、梁-壳耦合结构进行了分析,研究了质量点质量及悬臂长度对质量点-梁-壳耦合结构响应的影响。　　设计了实验台架,定量分析弹性挠曲对轴系回旋振动的影响规律。通过推进器与整个轴系的质量比相似设计、推进器当量半径与轴系主要半径的惯量比相似设计、以及轴系长度与轴系主要半径的长径比相似设计,最后设置轴承位置来实现轴系的动力学相似性,使实验台架最大限度的体现船舶轴系的特性。通过精心的垂直及水平方向位置调心保证挠曲前的轴系状态,之后通过调整艉轴承的倾斜量分析轴系产生弹性挠曲之后其回旋振动响应特性的变化,并定量研究弹性挠曲对轴系回旋振动的影响规律。
作者：	周海军
专业：	轮机工程
导师：	李玩幽
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文