船舶推进轴系回旋振动关键因素及机理研究

In order to meet the requirements for power, affordablitily, reliability of new ship types, marine main propulsion becomes more diversification. It brings out more complication in structure, function and performance. While common specification of IMO and IACS puts forward more stringent requirements on design and construction on propulsion shafting. For calculation circumstance and acceptance criteria are not well defined by Classification Societies Rules, there are difficulties in precise calculation on shafting vibration. This project will study complex propulsion shafting, analyze relationship between dynamic parameters of critical elements models, under external disturbance. Then project gives out characterization methods in phsical location and dynamic parameters, and methods on simulation and conversion. Mathematical models of propulsion shaft and its load elements are set up to derive modal analysis and response calculation under different circumstances. After theoretical calculation and experimental verification, project would conclude mechanism of critical factors on whirling vibration, and summarize a theory, to provide theoretical foundations for vibration of ship propulsion shafting.

为适应各种新型船舶动力性、经济性、可靠性等要求，船舶主推进装置形式更加多样化，使得推进轴系在其结构、功能及性能上更加复杂；同时，国际海事组织及国际船级社协会的共同规范对推进轴系设计、建造等提出了更加严格的要求；各国对计算环境的模糊定义及标准的尚未统一，导致推进轴系振动精确计算存在困难。项目将以复杂推进轴系为研究对象，基于轴系关键零部件模型，分析其外界扰动下的动力特性参数变化关系，构建受到扰动以及系统变化下，轴系状态的物理位置和动力学参数表征方法及相互间的转换关系。建立船舶复杂推进轴系及其载荷单元的数理模型，推导轴系不同状态下回旋振动模态及响应计算公式，通过理论计算与试验验证分析各关键因素对推进轴系振动的影响，归纳关键零部件对轴系振动影响机理，形成系统的理论体系，为船舶推进轴系振动计算提供科学的理论指导。

随着船舶工业的发展,以及国际海事组织《船上噪声等级规则》等一系列法规的生效与实施，船舶行业对船舶动力装置提出了更高的要求，使得推进轴系构成更趋复杂，推进轴系所受到的激励更加多样化，从而使推进轴系的振动特性也更加复杂；传统的推进轴系振动理论计算方法，特别是回旋振动计算方法难以满足工程设计计算的需要，因此，急切需要深入研究复杂动力装置的振动机理及振动特性，更好地为工程实际服务。项目围绕自行设计开发的状态可调的转子轴系回旋振动试验台，针对船舶推进轴系中典型零部件，综合采用数学推导、数值计算、动力学仿真和试验等手段，以挠曲轴线为研究对象，开展推进轴系回旋振动单元模型、典型零部件对挠曲轴系振动影响规律、挠曲轴系响应计算等理论和试验研究。首先从材料力学和弹性力学的基本原理入手，基于离散系统有限元算法，引入虚数特征值及虚数特征向量，推导了四自由度各向异性系统的受迫振动响应方程，建立了各零部件的单元模型，分析了零部件在轴系运行过程中的动力学特性。其次，以支承轴承、联轴器、连接法兰等决定轴系状态的关键零部件为研究对象，基于其物理位置状态，通过轴系各零部件的结构特性及受力分析，推导得出了轴承变位负荷分配计算方法，转轴不对中不平衡力/力矩模型、弹性挠曲轴段的弯曲应力模型等单项扰动模型，通过仿真分析了扰动项对回旋振动的影响。第三，轴系零部件的状态变化一般以二次激励的形式对其他零部件造成影响，使得振动情况更加复杂。因此以目前船舶推进轴系合理校中的主要调整对象轴承变位为研究对象，通过分析各零部件之间的物理位置关系，结合动力学参数模型与扰动模型，推导了轴承变位对轴线挠曲程度、转轴偏移曲折不对中情况、轴承负荷分配后的动力学参数变化等影响关系，并以试验台为原型建模，对单项扰动及完整挠曲轴系进行了理论计算与仿真分析。推导了复杂轴系挠曲状态的表征方法。第四，搭建了轴系状态可调控的多功能转子轴系回旋振动试验台，以试验台为原型建模，对台架无挠曲状态，以及三种预设轴系状态开展了试验测试，通过仿真计算结果与试验测试数据的对比，验证了项目所推导理论的正确性。最后，推导了基于轴系挠曲状态的回旋振动响应计算方法。以某船推进轴系为研究对象，建立了理论分析模型，对该轴系的固有特性与挠曲状态进行了理论计算，并开展了实船测试，将理论计算与实测数据进行对比分析，验证了理论方法的正确性。