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。

薄壁四点接触球轴承-腕部关节系统接触动力学分析

在机器人实际工况中,针对含有薄壁四点接触球轴承的机器人腕部关节系统的运动稳定性问题,对腕部系统模型进行了简化设计和仿真研究。在考虑薄壁结构的弹性变形和动态接触作用耦合影响的基础上,建立了刚柔耦合工业机器人腕部关节系统模型,分析了不同受载工况和正反转驱动下的变形规律和动态特性。首先,基于多体动力学和Hertz接触理论,设计了包含薄壁四点接触球轴承和中空轴及基座的腕部关节系统刚柔耦合接触动力学仿真模型;然后,考虑薄壁中空轴、基座、轴承套圈和保持架的结构弹性变形、钢球和套圈滚道、保持架的动态接触作用,研究了机器人腕部关节系统两种实际工况对保持架和钢球角速度、保持架和薄壁基座振动位移、钢球与套圈的动态接触力的影响;最后,计算分析了两种工况下腕部关节系统的动态载荷规律和振动响应特性。研究结果表明:在相对较大的径向载荷作用下,保持架和钢球会出现打滑现象,速度呈现周期波动,保持架和基座具有更好的运动稳定性,其薄壁轴承内部载荷降低,主副接触对均承担联合载荷,轴承内部载荷稳定性也更好。该仿真模型及结果可以为薄壁腕部关节系统的动力学分析与设计提供参考。

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。

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。

弹性桨-轴系统建模与计算方法研究

弹性桨-轴与流体产生的双向流固耦合效应,显著改变了推进系统振动性能。现有研究分别针对桨叶和转轴弹性采用分离模型进行,即:流体-弹性桨与流体-刚体桨-弹性轴模型。而在实际工况中,转轴由于发生振动,使弹性桨入流条件与忽略轴系振动时的差异很大;另一方面,现有分离模型在预报时,是基于流体在桨叶振动平衡位置处界面力学关系开展的,未能真实反映流体在振动桨叶物理表面行为特征,难以满足桨-轴系统振动特性准确预报的现实需求。该研究拟针对流体-弹性桨-轴复杂系统双向流固耦合问题,基于精确的振动桨叶表面流体界面力学关系,建立弹性桨-轴双向流固耦合一体化模型并发展一套高效高精度稳定数值算法。结果表明,船舶研究者需建立流体-弹性桨-轴一体化模型,以重新评估附加质量/阻尼及轴承处激励力。建立的模型与算法和得到的结果可为低速水下航行器声振性能设计和评价提供理论和技术支持。

桨-轴-艇耦合模型轴承分布式弹簧建模方法

针对桨-轴-艇耦合模型建模中轴承简化合理性问题,研究轴承简化为弹簧单元分布和刚度的合理性和可行性.建立桨-轴-艇耦合系统尾部模型,并将轴承简化为弹簧单元,分析弹簧单元分布和刚度变化对振动响应结果的影响.结果表明:在刚度比例系数λ=1时,多排分布弹簧模型的振动响应结果与原模型结果最接近.通过简化桨-轴-艇耦合系统尾部模型中的轴承减少单元和节点数量,提高仿真计算效率.

基于有限元功率流的螺旋桨-轴系-船体耦合振动特性研究

螺旋桨推进轴系的纵向振动是船体艉部振动噪音的重要来源。推力轴承主要承受轴向推力,其动态性能直接影响船体艉部耦合振动。针对推进轴系纵向振动与船体艉部耦合振动,应用雷诺方程计算推力块4种工况下的油膜动力特性,建立轴系-基座-船体耦合系统有限元模型,运用有限元功率流方法分析推力轴承对系统振动影响,以此为基础探讨了流经传递路径的功率流与系统水下辐射噪声之间的关联。研究表明,推力轴承的动态特性会对流入各轴承的功率流产生影响,导致系统耦合振动发生相应的变化。

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。

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。

桨-轴-船艉耦合系统分布式动力吸振器多频优化

桨-轴-船艉耦合系统低频振动是舰船振动与声辐射主要来源之一,采用分布式动力吸振器对桨-轴-船艉耦合系统进行低频振动控制。首先采用有限元法计算桨-轴-船艉系统耦合振动特性,根据模态振型确定分布式动力吸振器的数量和位置。以艉部船体表面均方振速为控制目标,采用频响综合法计算吸振器作用下的系统耦合振动响应,提出基于遗传算法的分布式动力吸振器多频优化方法,控制螺旋桨垂向激励由艉轴承向船体的传递。结果表明,经优化的分布式动力吸振器可有效抑制螺旋桨垂向激励向船体的传递,进而降低艉部船体表面法向振动。此外,提出的分布式动力吸振器多频优化方法可解决单频优化参数应用于多频优化时效果变差的问题,同时频响综合法的引入可减少应用于复杂系统的吸振器参数优化时间。

科氏效应对叶片-桨毂-轴耦合系统振动特性的影响规律研究

采用几何精确模型与阶次截断方法描述叶片的空间变形,建立了考虑科氏效应与离心刚化作用的叶片-桨毂-轴耦合系统动力学模型,推导了耦合系统振动微分方程。采用Rayleigh-Ritz法进行数值离散,计算了不同刚度比、半径比、转速和叶片数下,科氏效应对系统模态频率的影响。研究表明:叶片-桨毂-轴耦合系统模态中包含耦合和非耦合两类模态,耦合模态频率在考虑科氏效应后发生明显降低;随着半径比增加,科氏效应对第1阶耦合模态频率的影响逐渐减弱,对第2阶耦合模态频率的影响逐渐增强;转速的增加会提升耦合模态对科氏效应的敏感性;刚度比处于10;~10;范围内时发生叶片模态振型转换的现象,模态振型转换后科氏效应的影响更为显著;随着叶片数目的增加,科氏效应对模态频率的影响逐渐减弱。研究结果可为旋转叶片-桨毂-轴耦合系统的动力学设计提供理论参考。

船舶桨-轴系统弯扭耦合振动特性

船舶桨-轴系统在运转过程中经常出现异常振动和噪声,影响着系统运转的稳定性,威胁着水下航行器的隐蔽性和安全性。为有效解决该问题,以大型船舶桨-轴系统为研究对象,基于Timoshenko梁-轴单元建立系统在螺旋桨质量偏心作用下的弯扭耦合模型。对桨-轴系统的瞬态响应进行分析,得到外激励力和旋转频率对桨-轴系统弯曲振动和扭转振动响应特性的影响规律,为提高船舶桨-轴系统的稳定性和故障诊断提供理论依据。

计入轴倾斜的曲轴-轴承系统动力学摩擦学耦合分析

以柴油机曲轴-轴承系统为研究对象,建立了计入主轴颈倾斜时弹性曲轴-轴承系统的动力学摩擦学耦合分析模型;采用ADAMS和Matlab联合仿真,在额定工况下进行了弹性曲轴动力学和主轴承摩擦学耦合分析;着重分析了计入曲轴主轴颈倾斜时,主轴承摩擦学行为和曲轴动力学响应之间的相互影响。计算结果表明:计入曲轴主轴颈倾斜,主轴承最小油膜厚度大幅度下降,最大油膜压力大幅度升高,曲轴轴承系统动力学特性以及响应也发生变化。

轴-轴承系统动力学摩擦学弹性力学耦合分析

采用动力学仿真软件ADAMS和有限元分析软件ANSYS,结合手工编程的方法,研究了变载荷作用下轴-轴承系统动力学、摩擦学、弹性力学(轴的刚度和强度)耦合分析问题,重点讨论正弦载荷作用下轴-轴承系统的共振响应和考虑动态油膜压力分布时的轴颈表面动应力计算。计算结果表明,动应力在轴颈表面沿轴向和周向的分布与油膜压力沿轴向和周向的分布密切相关;动应力随时间的变化与轴-轴承系统的动力学响应密切相关。

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。

计入曲轴倾斜时曲轴-轴承系统动力学摩擦学和弹性力学耦合分析

采用动力学仿真软件ADAMS和有限元分析软件ANSYS,辅以手工编程相结合的方法,研究了计入曲轴倾斜时某4缸柴油机曲轴-轴承系统动力学、摩擦学和弹性力学(曲轴的刚度和强度)耦合分析问题。根据耦合特点,先解决曲轴-轴承系统动力学、摩擦学和刚度耦合析问题,再解决曲轴动应力计算问题的解耦方法。研究结果表明:计入曲轴颈倾斜,主轴承最小油膜厚度大幅度下降,最大油膜压力大幅度上升,曲轴动力学响应也发生变化,曲轴疲劳寿命下降23.24%。

齿轮-轴系耦合系统振动特性有限元分析

以某机组齿轮传动系统为研究对象,根据转子动力学基本理论和齿轮啮合原理,建立了某齿轮传动系统的齿轮-轴系耦合系统振动有限元模型。分别对该系统未耦合齿轮转子系统和齿轮-轴系耦合系统进行了弯曲模态和弯扭耦合模态进行了对比分析,分析了啮合刚度对耦合转子临界转速的影响。在此基础上,对未耦合和耦合齿轮系统进行了不平衡响应研究。研究结果为齿轮-轴系耦合系统的动力学设计提供了一定的理论参考。

齿轮-轴系耦合系统动力学特性有限元分析

采用三维实体单元有限元法,建立了某齿轮-轴系耦合系统动力学有限元模型,计算了考虑齿轮啮合接触的齿轮系统的固有频率和模态,分析了内部激励作用下耦合系统的非线性动力响应,研究了耦合系统的位移、速度和加速度响应。结果表明,耦合系统的第1阶固有频率远高于齿轮传动系统的工作频率,耦合系统中出现了多阶派生耦合振型。功率频谱呈连续分布,转子系统呈现典型的非线性振动特征。系统位移的最大值出现在1阶固有频率附近,而速度和加速度的最大值出现在高阶固有频率附近。

叶片-轮盘-轴系统的耦合振动分析

介绍了以叶片-盘-轴系统为研究对象,用模态综合技术分析转子的耦合振动特性,建立准确而经济的计算方法和相应的软件包。充分运用模态综合技术,将整个转子系统划分为两个层次的子结构:主层次为叶片-盘系统及轴,次层次为单个叶片和盘扇形区。通过计算分析导出一些通用结论及规律,可供工程中转子系统设计及耦合振动固有模态分析时应用。

轴-板耦合系统振动主动控制

在推进轴系中,轴系横向振动通过轴承传递至壳体结构并诱导其产生声辐射。为降低壳体声辐射,采用主动作动器抑制轴系横向振动传递。不失一般性,基于哈密顿原理建立轴-板耦合系统动力学模型,对该系统进行功率流分析,识别振动传递主要路径。通过数值仿真,计算该系统的干扰通道和控制通道频响函数,研究该控制方案可行性。采用自适应控制算法,计算主动作动器对板振动抑制效果。仿真结果表明,控制后轴通过轴承向板流入的功率减小,轴-板耦合系统中的功率流方向改变,并且板振动通过主动控制被有效抑制。