基于FEM/CFD方法的桨-轴系统双向流固耦合特性数值模拟研究

船舶航行时螺旋桨产生的激励力会引起推进轴系振动,而轴系振动也会对螺旋桨产生反馈,引起复杂空间运动,桨-轴系统中存在着双向流固耦合问题。为了研究这种复杂动力学特性,本文基于有限元(FEM)和计算流体力学(CFD)方法,建立能够模拟轴系多自由度振动与螺旋桨粘性流场耦合的数值模型,在流场求解器中进行二次开发实现双向耦合的迭代求解,并进行多个算例的模拟来研究流体激励与振动响应的变化规律。结果表明:本文提出的方法具有实用价值,采用该方法进行双向流固耦合分析时收敛性与精度满足工程要求,求解速度较快且无需附加的计算资源;双向耦合效应与质量不平衡对轴频处的幅值有较大影响,而非均匀来流对叶频处的幅值有较大影响。

含中介轴承波纹度的双转子系统振动特性分析

针对双转子系统中存在中介轴承波纹度的问题,以含变截面外转子的双转子-轴承系统为研究对象,考虑中介轴承滚动体和内、外圈滚道波纹度,基于有限元法建立了双转子-轴承系统的动力学模型,采用四阶Runge-Kutta数值解法求解方程,分析了波纹度激励对系统频谱特征和幅频响应曲线的影响。结果表明:内、外圈滚道存在波纹度时系统会出现内、外转子转频和保持架转频的组合频率,滚动体存在波纹度时系统会出现偶数倍的滚动体自转频率;考虑转子不平衡激励,外圈滚道波纹度会增大外转子主激励的共振区域的振动,且随着波纹度幅值的增加,系统的振动会在整个转速范围内增大,而内圈滚道波纹度与不平衡激励两者的振动响应会在内转子主激励的第二次共振区域出现近似同频反相的现象,系统的振动会随着波纹度幅值的增加而降低,在其他区域的振动会增大,相对于高转速区域,滚动体波纹度对低转速区域的振动特性会有较大影响。

项目经理式培养法:学生科技创新能力培养的新途径

基于高校理工科学生科技创新的特点,提出了项目经理式学生科技创新培养方法.项目经理式培养方法就是通过学生担任研究任务的"经理",把学生学习和工作的积极性充分调动起来.主要步骤是:立题及选题→确立研究方案→实施方案→结果评审→成果总结.通过轮机工程专业本科生4年的培养实践表明,该方法可以充分调动学生自主学习的积极性,形成勤于思考的习惯,提高学生分析问题和解决问题的能力,使学生获得知识的同时,创新能力也同步提高.

弹性板结构封闭声腔的结构-声耦合特性分析

对弹性板封闭声腔结构-声耦合机制、耦合特性、耦合作用对系统固有频率和模态的影响以及影响结构-声耦合程度的系统物理参数进行了深入的理论与数值仿真分析,并导出了耦合系统固有频率估计式。结果表明：强耦合系统具有较强的闭环反馈系统特征,弱耦合系统具有较强的前馈系统特征；正是由于反馈环节的存在,改变了结构、声腔系统的固有特性和固有频率；发现了规则结构-声腔模态簇耦合的特性；并且发现模态间的簇耦合机制决定了整个结构-声腔系统的耦合作用；任何一簇的结构或声模态仅独立影响其同一簇的声或结构模态以及其耦合后的模态固有频率,而对其它簇的模态没有影响；模态间的簇耦合作用不仅能改变系统固有频率,还会改变耦合系统模态次序和板奇奇模态的模态形状。

基于可调频亥姆霍兹共振器的封闭空间噪声自适应半主动控制

针对实际中声场激励频率可能发生变化的情况,研究采用自适应频率可调的亥姆霍兹共振器吸声器来跟踪激扰频率从而控制封闭空间噪声。建立了封闭声腔与亥姆霍兹共振器耦合的频域模型与时域控制模型,并给出了三种频率调谐控制算法,即亥姆霍兹共振器开口处声压幅值最小和内部声压幅值最大,以及判断内部声压幅值和开口处声压幅值的点积值趋零(点积值法)。理论分析和数值计算结果表明点积值法调频效果明显优于其它两种算法。采用并设计一种颈部面积可调的可调频亥姆霍兹共振器,利用点积值调频算法进行了单频和带宽信号激励下封闭空间噪声控制仿真和单频激励下实验研究,结果表明:点积值调频算法具有较好的频率调节性能和调节精度,并取得了理想的噪声控制效果,验证了理论模型正确性及调频算法的有效性。

多级离心泵整机流场三维非稳态湍流压力脉动特性分析

为了探究离心泵内部非稳态流动引起的压力脉动现象及其特性,以某型多级离心泵为对象,建立了流场三维有限元网格.采用Fluent仿真技术,选用RNG k-ε湍流模型对离心泵流场进行非稳态数值计算,通过设置监测点,得到了不同位置处在每个时间步长下的压力值.运用FFT方法,对叶轮及蜗壳等主要流道监测点的压力脉动进行频谱分析,结果表明叶轮和蜗壳内的压力脉动主要集中在叶频及其倍频处,并且叶轮与蜗壳之间动静干涉对压力脉动有较大的影响.

基于传热系数反求法的船用柴油机组合活塞热分析

建立了柴油机组合活塞的2D有限元模型,并利用传热系数反求法对该模型进行热分析。在仿真分析中,将活塞头部外表面传热系数定义为设计参数,实测温度与仿真温度的差值定义为目标函数。通过仿真计算得到了活塞头部外表面传热系数的分布,并利用反求法得到的传热系数对有限元模型进行热分析,仿真结果与实测温度吻合;传热系数反求法收敛迅速,可以有效用于活塞及其他内燃机零部件的温度分布和热负荷分析。

动载荷识别时域方法的研究现状与发展趋势

与动态载荷识别的频域方法相比,时域方法不仅适用于线性系统,还适用于非线性系统以及能有效处理瞬态冲击激励的识别问题,近年来时域方法愈发受到学者们的关注。目前广泛应用的几种时域方法主要有—反卷积法、计权加速度法、函数逼近法、卡尔曼滤波器和递归最小二乘法、逆系统法以及新兴的智能方法等等。在对各方法研究现状的概述与总结中,分析了各自的优缺点。从研究对象、研究方法、应用领域三方面分析,非线性系统、线性时变系统将成为分析研究的重点。结论显示,与现代智能算法相结合的逆系统方法将成为新的研究热点,将其相应的载荷识别方法应用于机械设备的故障诊断也将成为今后发展的新趋势。

不同叶片数对离心泵流场诱导振动的影响

为了研究离心泵不同叶片数对振动的影响,在保证泵体和叶轮几何参数不变的情况下,将叶轮叶片数分别设计为6和7,从试验与数值计算2个方面就叶片数对离心泵流场诱导振动进行研究.采用RNG k-ε模型分别对2种叶片数的离心泵进行全流道稳态及非稳态数值模拟,分别获得2种叶片数离心泵的稳态速度、压力及非稳态压力脉动特性,对其进行对比分析,并试验测量了2种叶片数下模型泵机脚的振动信号,对振动信号数据进行了处理,从而验证数值计算结果的正确性及改变叶片数所产生的振动影响.结果表明:6叶片的叶轮及蜗室内各个监测点压力脉动较小,机脚振动在轴频下响应较小;叶片数为7时,轴频的二倍频与叶频的低倍频峰值变大,而叶频的高倍频幅值有所降低.结果对建立低振动低噪声离心泵水力设计方法具有重要的参考意义和指导作用.

基于分布式压电传感器的结构表面体积速度测量实验研究

以简支矩形薄板为研究对象,首先在波数域内对结构振动体积速度与辐射声功率的关系进行分析,推导出反映结构模态对体积速度贡献规律的数学表达式。在此基础上,结合PVDF压电薄膜的电荷输出方程,利用三角函数的正交性,给出一种新方法来设计体积速度传感器,并针对具体模型进行了结构体积速度测量实验研究。结果表明,所设计的分布式体积速度传感器具有较好的传感精度,进而说明了方法的正确性。同时还发现PVDF压电薄膜制作工艺与粘贴位置的偏差对其传感精度在一定频带内有较大影响,并且对不同位置激励下传感的影响程度不同。

考虑轴挠曲的船舶艉轴承混合润滑分析

为准确描述船舶艉轴承的润滑状态,建立了船舶艉轴承考虑表面粗糙度的混合润滑模型,利用位移叠加法计算了轴在螺旋桨重力及油膜力、微凸体接触力共同作用下的挠曲,同时分析了定载荷下,艉轴挠曲、微凸体接触力、摩擦系数随转速的变化规律;采用轴承设计参数对该混合润滑模型进行了验证.计算结果表明,艉轴挠曲使润滑油膜压力的分布发生变化,也使得混合润滑状态覆盖的转速区域变大,并通过Streibeck曲线分析了挠曲对摩擦系数的影响.

离心泵进水口形式设计及其对振动噪声的影响

为了研究离心泵进口形状对振动噪声的影响,在保证泵体和叶轮几何参数不变的情况下,改变离心泵进水口形式,从试验与数值模拟2个方面对进水口诱导离心泵振动进行研究.采用RNG k-ε模型分别对进口改进前后的离心泵进行全流道稳态及非稳态数值模拟,分别获得2种进口形式离心泵的稳态速度及非稳态压力脉动特性,对其进行对比分析,并测量了不同进水口形式下模型泵机脚的振动信号,对振动信号数据进行处理,以验证仿真结果及修改离心泵进水口所产生的振动影响.结果表明:改进离心泵进口,对其进口及叶轮蜗壳内压力速度分布有一定改善,直进式离心泵比预旋式离心泵对流场影响更小,叶轮及蜗室内各个监测点压力脉动也有所减小,经试验验证机脚振动响应减小了约5 d B.

设备载荷识别与激励源特性的研究现状

概括国内外动载荷识别技术的主要研究方法与应用。针对普遍使用的频域法和时域法的研究现状及优缺点进行评述,并对载荷识别领域的研究方向作展望,指出与工程实际模型相结合、提高载荷估算精度、简化测试和估算过程将是今后研究的主要方向。

船舶齿轮箱半主动吸振试验研究

传动齿轮箱是船舶振动与噪声的主要来源之一.半主动吸振器通过改变励磁电流,可以改变吸振器的固有频率.安装半主动吸振器前后,分别对齿轮箱进行振动测试.在齿轮箱输入不同转速的情况下,相应调整半主动吸振器的励磁电流,齿轮箱的振动明显降低,而且具有一定的跟随性.试验验证了半主动吸振器对齿轮箱减振的合理性,对船舶齿轮箱振动的控制具有重要的指导意义.

短路工况下柴油发电机组轴系扭振计算方法及特性研究

采用逐步积分法计算了正常运转时柴油发电机组轴系扭振的时域响应,并与传统的系统矩阵法对比,结果显示计算结果一致。采用发电机与柴油机同时激励作为短路工况下的激励,得到了更合理的结果。最后讨论了飞轮惯量、联轴器刚度和联轴器阻尼对冲击扭矩下轴系扭振响应的影响,给出了优化方案。研究结果表明:发生短路故障时,综合考虑柴油机激励和发电机激励时,曲轴的应力最高达43MPa,远大于仅考虑发电机激励时的8 MPa:增大一定量的联轴器刚度、阻尼或是飞轮惯量均可以减小曲轴的应力,但增大了联轴器的扭矩,需均衡考虑。

船舶艉轴承混合润滑性能仿真分析

通过建立考虑润滑表面形貌、微凸体接触的船舶艉轴承混合润滑模型,分析了艉轴下沉量、润滑表面粗糙度、转速等因素对艉轴承润滑性能的影响,同时给出了长轴等效油膜支撑刚度随各润滑参数变化的规律。结果表明,轴的下沉使艉轴承的润滑产生边缘效应,加剧轴承磨损;在转速较小时,由于轴的下沉,使轴承部分区域处于混合润滑状态,此时油膜力和微凸体接触力共同起到支承作用,在润滑计算中应考虑润滑表面粗糙度的影响;转速、下沉量及润滑表面的粗糙度等参数都对油膜等效支承刚度有明显影响。

提高轴系扭振信号时频转换精度的方法

为了高精度地对扭振信号进行测试和处理,针对脉冲计数式扭振信号时频转换中的误差原因,提出了对扭振信号进行等时间间隔二次采样和对扭角计算公式进行修正2种方法来提高扭振信号时频转换精度。通过在整周期和非整周期标准扭振信号的时频转换中进行对比,证明2种方法对提高扭振信号时频转换精度均是有效的,而且利用修正的扭角计算公式所得的扭角信号为等时间采样信号,免去二次采样的过程,既能够保证时频转换的精度要求,又不会影响计算速度。此外,通过研究发现平顶窗对减小扭振信号截断所带来的泄露误差效果最好,增多齿盘的齿数或使用高精度的编码器会提高扭角时频转换的精度。

通过辐射模态研究封闭空间结构声辐射及其有源控制

通过辐射模态研究了封闭空间的结构声辐射及其有源控制问题.分析了辐射模态的数学和物理意义并揭示了辐射模态与声腔模态之间的内在耦合关系,并通过声辐射模态建立了弹性封闭空间结构声辐射有源控制模型.针对辐射模态在有源控制中的应用实现问题,给出了一种新的控制策略,即将辐射模态按对应辐射效率或耦合强度从大到小排列,使前k阶声辐射模态声势能最小化.采用压电陶瓷作动器作为控制力源进行了封闭空间结构声辐射有源控制数值计算与分析研究.结果表明,辐射模态与声腔模态的耦合具有严格的选择性,各阶辐射模态的形状和与相耦合的主导声模态在耦合面上的形状非常相似;在低频范围内,一般只需最小化前三阶辐射模态声势能,在更低频或声模态频率附近,只需最小化前一阶最有效辐射模态声势能,便能和总声势能最小化策略控制效果基本一样.

含有皮带驱动附件的船舶柴油机轴系扭振分析

按照造船规范,船舶柴油机轴系扭振计算中,皮带驱动部件可不予考虑。在测试中发现,1台含皮带驱动附件的柴油发电机组轴系扭振固有频率测试值多于计算值。在传统计算模型上增加皮带驱动部件后,并根据实际布置形式建立带分支的扭振计算模型,轴系固有频率的计算与测试结果吻合。分析表明:皮带系统对轴系的扭振存在不可忽视的影响,而且若皮带及驱动设备的参数选择不当,可使轴系扭振固有频率在机组额定转速附近,威胁轴系安全运行。

基于虚拟仪器的轴系扭振监测与诊断系统研制及应用

以预测维修为目的,利用LabWindows/CVI软件为开发平台,配合USB6211数据采集卡研究开发了一套集扭振测试、扭振分析与测试的附加扭转应力计算及扭振重要参数指标监控于一体的数字式轴系扭振监测与诊断系统,该系统利用内燃机轴系扭振测试简单、信息量大的优点,以实现对内燃机轴系的连续监测、状态分析及诊断功能。利用东南大学的NB-1型扭振标定器进行标定试验,并且在大型空压机扭振测试试验及柴油机曲轴扭应力测试试验中进行应用,验证了该系统测试、分析和计算结果准确可靠,运行快速稳定,抗干扰能力强,使用方便快捷。