基于动刚度法的水面船舶桨-轴-船体耦合系统

为分析在低频段内船体两侧螺旋桨激励相位差对船体振动的影响,基于动刚度法建立水面船舶桨-轴-船体耦合系统的横向振动3梁耦合模型。将动刚度法的计算结果与有限元法进行对比,表明动刚度法具有良好的精度。分析桨-轴-船体耦合系统的垂向固有振动特性。在低频段内该系统主要表现为船体梁的振动,推进轴系对船体梁的固有特性影响较小。对左右双桨分别施加不同相位差的单位垂向简谐力,计算由各轴承位置输入至船体梁的功率流。结果表明,双桨激励相位差的增大会使输入至船体梁的功率流变小。因此,在对桨-轴-船体耦合系统的横向振动控制方面,应重点关注双桨激励相位差较大时的工况。

轴-壳体系统耦合振动的建模与分析

耦合振动建模与分析是振动控制的基础。针对末端带有集中质量的轴与加筋壳体的耦合系统,分别利用解析法和有限元法计算轴系导纳和加筋壳体导纳,并将艉轴承与推力轴承作为子结构连接单元,通过频响函数综合进行模型合成,得到整个系统的频域描述模型。在此模型基础上,分析了系统振动固有特性及其随轴承刚度的变化规律,并讨论在轴上实施纵向振动控制的可行性。结果表明,推力轴承刚度改变轴系纵振频率,对纵振能量传递有明显影响;轴系纵向振动不仅会引起壳体纵向共振,还会引起壳体弯曲振动,形成轴-壳体纵横耦合模态;轴的纵向振动控制可以减小耦合系统振动。

螺旋桨低频振动声辐射特性研究——水母效应

[目的]螺旋桨“水母模态”被激发可诱导出强烈的低频窄带声辐射。在此基础上,分析“水母模态”的第2种机制:由纵振传递引起的艇体结构振动声辐射−我们称之为潜艇的“水母效应”。[方法]基于等效声源法建立螺旋桨直发声偶极子模型;根据耦合有限元/边界元方法建立桨-轴-艇系统振动声辐射数值模型。[结果]研究表明:螺旋桨“水母模态”被激直发声因偶极子叠加而显著增强;螺旋桨低频弹性模态将桨-轴-艇系统的动态力传递显著放大,使纵振辐射水平大幅提高成重要声特征;横向激励与螺旋桨重频模态关联。[结论]研究揭示的潜艇“水母效应”概念内涵及发声机理,可为低噪声螺旋桨设计及舰船推进系统噪声控制提供基础理论,具有重要的理论和工程价值。

舰艇桨-轴系-船体耦合振动测试实尺度试验台设计

为获得舰艇桨-轴系-基座-船体的振动传递规律,分析桨-轴系-船体耦合动力特性数值计算的合理性,考核轴系各项减振措施的减振效果,搭建了基于减振降噪设计且与实舰较吻合的桨-轴系-船体耦合振动测试的实尺度试验台。通过基座阻抗特性、轴系和船体振动响应、轴系模态等试验和各项减振措施测试,获得了耦合系统纵向振动频响传递函数、船体结构响应特性以及为修正耦合动力特性数值计算所需试验数据,考核了各项减振降噪措施。

实尺度船用推力轴承动态参数识别方法研究

推力轴承动刚度决定了桨-轴-船体的纵向振动传递特性,对于其动力学分析尤为重要,当前缺乏实船轴系运行工况下推力轴承动刚度数据。本文建立桨-轴-船体的解析模型,基于达朗贝尔定理分析推力轴承与船体基座动刚度的耦合关系,推导推力轴承动刚度的计算公式。然后,搭建实尺度船体模型实验台架,采用随机激励法测量10-100 Hz频段螺旋桨至推力轴承对应轴段及推力轴承基座的纵向振动传递函数,根据测试结果计算推力轴承动刚度。最后,分别以推力轴承动刚度计算值和传统方法中将推力轴承动刚度视为恒定值作为桨-轴-船体系统有限元模型的输入,分析螺旋桨传递至船体基座的振动响应特性。结果表明:推力轴承动刚度在频域上具有较强的非线性,传统上将推力轴承动刚度视为常数的方法会带来较大的计算误差。

桨-轴系-船体耦合振动频响函数子结构综合建模方法验证与分析

提出桨-轴系-船体耦合系统振动响应的频响函数子结构综合建模方法。搭建基于减振降噪设计的桨-轴系-船体耦合振动测试的实尺度试验台,开展轴系运转状态下的振动传递测试。利用测试结果,验证频响函数子结构综合建模方法的最大幅值误差在主要频率点处不大于2.0 dB;并对结合数值模拟对测试得到的传递特性进行分析,得到结论为:低频主要峰值为模拟桨的同相振动、模拟桨和轴系耦合1阶纵振模态;推力轴承是模拟桨和轴系耦合1阶纵振模态的有效传递通道。

可控基础激励轴系推进实验系统研究

为解决因波浪导致的船体柔性变形及船体刚性运动等情况下的推进系统实验研究,对一种以垫升船舶为设计原型的实验系统进行了结构设计和控制策略研究.实验系统采用空气弹簧为弹性支承模拟波浪环境,通过电路设计对空气弹簧进行位移控制,实现了对柔性基础的激励控制,模拟了波浪对船体的变形影响.利用该实验系统,进行了实验系统基础中拱变形状态和轴段的振动测试.实验结果表明:该实验系统能够以可控激励实现模拟波浪激励对船体的影响.

螺旋桨激励力下轴系—艇体耦合系统低频声辐射特征分析

针对某轴系—艇体缩比试验模型,首先进行动力学建模,并利用试验数据对模型参数进行修正。在此基础上将振动模型利用直接边界元法进行进一步延伸分析,对螺旋桨纵、横激励力作用下壳体的声辐射特征进行预测,得到两种激励力下典型模态的壳体表面声压和远场声压分布特性,并从能量角度对耦合系统的声辐射特性进行分析,给出轴系—艇体耦合系统水下声辐射特性。

小水线面双体船桨-轴-船体耦合振动和声辐射分析

针对小水线面双体船螺旋桨-轴系-船体耦合系统,利用耦合有限元方法建立了水体-螺旋桨-轴系和船体-水体子系统的耦合动力学模型,进行谐响应计算得到各个子系统轴承连接点处的导纳,把轴承作为弹性连接单元,通过频响综合得到整个系统的频域响应,再由边界元计算得到声场响应。该方法可考虑流固耦合螺旋桨的弹性、螺旋桨轴系与船体的耦合效应。结果表明螺旋桨激励下船体辐射声功率的特征峰值主要有轴系的一阶纵振和螺旋桨的第一、二阶同向振动湿模态,即辐射噪声谱的特征体现在轴系和螺旋桨。因此,针对螺旋桨激励下的桨-轴-船耦合系统部分的噪声,隐身设计的重要内容是螺旋桨和轴系参数的优化。该方法可对桨-轴-船体耦合系统中螺旋桨和轴系的参数分析提供高效的分析手段,从而为隐身优化设计提出明确的指导方向,具有重要工程意义。

轴-艇耦合系统自由振动特性建模与分析

为了探究水下航行器结构间的振动传递规律,本文基于能量变分原理,以梁-组合壳作为轴-艇耦合系统结构的简化,建立理论计算模型并对其自由振动特性进行分析。引入改进傅里叶级数构造梁结构及组合壳结构的位移函数,得到各自结构的动能和应变能;分别利用耦合弹簧组和边界弹簧组将结构之间的位移连续条件和边界约束条件转换为对应的耦合弹簧势能;对系统能量泛函进行变分求解,得到耦合系统的固有频率及模态振型。通过与有限元软件的对比,验证了本文计算模型的准确性,并对不同壳体边界条件下耦合系统固有频率变化规律进行计算分析。研究结果表明:耦合系统低频段存在解耦模式,振动模态可等效于刚体结构上的多跨梁弯曲振动;壳体边界约束增强会导致耦合系统大部分固有频率随之增大并最终趋于稳定,但不会对解耦模式的固有频率产生影响。

基于动刚度法的桨-轴-壳耦合结构振动特性

桨-轴系统是水下航行器壳体振动与声辐射的主要激励源之一。文章建立桨-轴-壳耦合系统的动力学模型及分析方法,基于分块化建模思想,将耦合结构划分为桨-轴轴系及耦合壳体部分。在桨-轴部分中包含螺旋桨、轴以及轴承基座,分别用质量块、实心杆单元和弹簧-质量-阻尼系统模型,根据子单元连续条件,推导轴系部分动刚度矩阵。耦合壳体部分系统包含锥壳、圆柱壳、环肋板等构件,基于经典薄壳理论建立耦合壳体的动刚度模型。将轴承基座直接与组合壳体中艉部支撑端板连接,承载来自螺旋桨的纵向载荷,计算分析纵向载荷作用下轴系-艇体耦合结构的动力学响应特性。与有限元法计算结果相比较,验证了建模方法的正确性及可靠性。