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原文传递有限波分析法及其在船舶推进轴系与船体结构振动分析中的应用研究

论文题名：	有限波分析法及其在船舶推进轴系与船体结构振动分析中的应用研究
关键词：	有限波分析法;船舶结构;轴系耦合振动;模型试验;动态校中;结构声
摘要：	随着造船技术的发展，为改善并提高船员在船上的舒适度和适居性，国际海事组织(IMO)对船舶及各舱室内振动和噪声控制的要求日趋严格。减振降噪作为绿色造船技术的重要组成部分越发引起人们的重视。因此，研究结构声在船舶结构中的传递规律，以便在船舶或海洋平台设计、建造初期就选取适当措施阻抑结构声的传递具有重要的理论价值和工程应用前景。　　本文在动态子结构方法思想的基础上，结合有限元法和波分析法各自的特点，提出“有限波”分析法，改进了结构动力学分析方法。该方法根据介质连续性对船舶结构进行有限模块离散计算处理，并通过坐标变换，结合各有限模块边界条件将各离散计算单元局部坐标系下结构声振动波位移响应方程进行扩阶，得到该船舶结构在总坐标系下结构声振动位移响应的总波动方程。通过方程解耦和矩阵变换，求解出结构声波动位移响应，进而获得该系统中的能量分布。该方法在结构动力学问题求解中既克服了有限元法高频计算不稳定的缺点，也解决了传统波分析法难以分析复杂结构的局限性。　　全文围绕着基于有限波分析法研究结构声在船舶结构中传递规律这根主线，采取从有限波解析公式到常见船舶结构离散数值建模、再到舱室模型试验验证及实船中有限波分析法应用的研究路线。首先系统地阐述了有限波分析法的基本原理;然后利用该方法对结构声在船舶或海洋平台上常见的杆梁、板梁、推进轴系及加筋板结构中的传递规律进行研究;并在此基础上通过船舶机舱段舱室模型数值计算和试验测量进行比对，验证了有限波分析法研究结构声传递规律的正确性和可行性。最后，应用有限波分析法解决了某科考船艉部振动、某大型LNG船多推进系统轴系校中计算等实际问题。本文的研究工作有如下几个方面: 　　(1)从结构离散、波动表达、边界条件及本构关系、有限波方程求解等四个方面系统地介绍了有限波分析法基本原理及操作步骤，明确了该方法特点及适用范围。通过与有限元法详细比较发现:根据有限波分析法介质连续性离散原则对分析对象进行离散处理，不但可以极大减少计算单元数，提高运算速度，而且可以避免有限元法在分析高频域结构声传递过程中，因边界条件变化而导致误差增大的局限性。通过定义广义坐标系下有限波分析法位移表达式，引入波动基函数，有效解决了波动位移解高频振荡问题。同时，引入输入点阻抗分析对外部激励力处理，建立了多种结构外部激励力作用下强迫振动分析计算的新方法。　　(2)采用有限波分析法分别对杆、梁、板及其组合等船舶常见结构中结构声传递规律进行理论推导及数值分析。根据有限波分析法介质连续性离散原则及各类简单结构的特点，将其离散成各类子结构，并在其上建立局部坐标系。利用有限波位移表达原理写出各局部坐标系下各子结构中波动位移的表达式。采取坐标变换建立各局部坐标系下各子结构间波动位移的相互关系，并通过结构边界的连续性及平衡条件求得该系统在整体坐标系下全局有限波总方程，进而求解获得该结构系统位移场及能量场的分布。　　通过对桁架系统，转角结构等典型船舶结构中结构波传递随不同参数变化规律进行数值计算，研究发现:虽然阻波元件对结构波能量在理想半无限结构中的传递有很好的抑制作用，但是在有限尺度及确定边界约束的结构中，由于边界反射的影响和阻波元件的“双向阻抑”作用，其造成的插入损失并不会随频率增大而增大，而只是在高频区域趋于一个稳定值。也就是说，阻波元件对结构波能量传递的抑制在有限结构中受到驻波的限制不能达到其在理想半无限结构中的效果，其主要作用还是表现在使得共振频率发生偏移上。有限波分析法分析结构声在有限长结构中传递规律是适用的，驻波对结构声的影响比阻振质量的影响要大。阻振质量的存在仅改变结构振动模式和能量分布，避免其发生共振。　　(3)根据船舶推进系统特点，将其分解为轴段连续子系统和主机离散子系统两部分。分别采用有限波分析法和多体动力学法对其建模，获得连续子方程和离散子方程。并通过两子系统连接处的边界条件求得推进轴系振动位移的全局方程，从而计算获得整个轴系的位移及应力分布。在理论推导研究过程中，不但考虑了轴系横向振动、纵向振动及扭转振动相互耦合的关系，而且对结构声在Z型推进系统中的传递规律进行深入的研究。同时，考虑啮合齿面油膜刚度等因素影响改进了推进轴系振动数值计算模型。基于有限波分析法对传统轴系数值计算模型和理论方法进行改进，并通过数艘实船推进轴系数值计算验证该新理论方法及改进模型的优势。　　通过理论推导研究及数值计算发现:采用有限波分析法避免了传统迁移矩阵法在分析复杂分支轴系振动过程中，因分支结点位移为零而导致的“丢根”现象。并以某挖泥船带复杂分支推进轴系为例，对其挖泥工况下推进轴系扭转振动进行数值分析和计算。另外，通过考虑减速齿轮箱啮合齿面间油膜刚度，改进了轴系振动模型。并对某LNG船推进轴系扭转振动进行分析，由数值计算结果得出随着齿轮箱齿面间油膜刚度的增加，推进轴系扭转应力峰值向低转速区域偏移的重要结论，并为船舶轴系转速禁区划分提供了重要参考价值。通过对推进轴系进行耦合振动分析发现:与纵—弯耦合振动相比，弯—扭耦合振动引起的轴截面的合成应力值远大于轴系材料许用应力值，从而导致轴系该部位断裂。同时，耦合振动产生的交变应力会引起推进轴系相应截面产生应力疲劳而导致断轴事故。　　(4)通过将加筋板上每块离散计算板在单元局部坐标系下结构声振动位移响应进行坐标变换，得到整块加筋板结构计算单元局部整体坐标系下结构声振动位移响应。再进一步通过坐标变换，获得整个加筋板结构系统在总坐标系下的结构声位移响应，从而得到整个加筋板结构系统内的能量分布。同时，通过在艉轴前轴承处隔舱舱壁及中间轴轴承支撑处建立的结构声在推进轴系与船体底板间的传递模型，改进了全船强迫振动计算模型。在此基础上，针对某科学考察船艉部振动事故，采用有限波分析法对该船船体艉部进行数值计算，得到该船船体艉部固有频率与螺旋桨激振频率过于接近，两者产生共振的结论。并且通过实船测量结果验证了基于有限波分析法对结构声在该船加筋板结构中传递规律理论计算的正确性。同时，对该船艉部部分板结构加强后的振动响应进行了预报计算。　　(5)通过舱室模型相似试验，分别对船舶机舱段板梁结构模型进行冲击试验和扫频强迫振动试验，验证了结构声基于有限波分析法在板梁结构中的传递规律研究的正确性。通过数值计算结果与试验测量结果比较发现:试验测量结果很好验证了有限波分析法理论数值计算结果，证明了有限波分析法研究结构声传递规律的正确性和可行性;在低频域范围内，有限波分析法及有限元法数值计算结果在低频域范围内与舱室模型结构声测量结果较为接近;在中高频域内，有限波分析法数值计算结果更接近试验测试结果，从而体现出有限波分析法在中高频域结构声传递规律研究及应用的优越性。同时，通过分析各频域内结构声传递过程中误差产生原因，为将来改进试验验证手段指明了方向。　　(6)将有限波分析法与迁移矩阵法相结合，建立了有限波位移响应下的迁移矩阵方程。在考虑船舶艉部复杂流场水动力、船体变形等动态因素对船舶轴系校中的影响的基础上，改进了轴系校中数值计算模型。考虑螺旋桨水动力影响下，对某采用双推进系统大型LNG船进行动态轴系校中计算。数值计算结果表明:受螺旋桨水动力的影响，仅对船舶推进轴系进行传统的垂直方向轴系校中计算是不合理的，必须同时对船舶推进轴系进行水平方向轴系校中计算，以避免螺旋桨轴艉轴承处因不良的轴系校中计算产生轴承磨损或烧瓦事故的发生。尤其是对于具有多推进系统的船舶，必须考虑大舵角转弯情况下螺旋桨水动力对轴系校中计算的影响。　　该论文的研究不仅为研究结构声在船舶结构中传递规律提供了新的分析方法，而且该方法通过实船应用及舱室模型试验验证了其在声学预报的有效性，从而为船舶及海洋结构物减振降噪提供了新措施。
作者：	杨勇
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	唐文勇;马捷
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文