潜艇组合型尾舵的受力分析及传动机构设计

针对一种新型带副舵的潜艇组合型尾舵,设计了一种液压驱动副舵的传动机构原型。阐述了该传动装置的结构形式、传动工作原理;通过改进该型舵的水动力模型,运用儒可夫斯基翼型绕流环量公式和库塔-儒可夫斯基升力公式对其液压传动系统的液压驱动力进行了计算分析,得到液压驱动力与副舵的弦长、形状、液压腔隔板长度以及主、副舵转动角度等参数之间的关系。本研究为具体的舵型结构设计提供参考,对于该型舵的工程化应用具有指导意义。     

内河船舶舵设备的安全检查

舵设备主要由舵叶、转舵装置、舵机、操舵装置和传动装置等部分组成。其中舵机和转舵装置安装在船尾。船舶舵设备按驱动动力分为人力舵设备、蒸汽舵设备、电动舵设备与电动液压舵设备。液压舵设备具有体积小、重量轻、转矩大、灵敏度高的特点，工作平稳安全可靠，能缓冲风浪对舵叶的冲击，运转噪音低、振动小，而且可实现无级变速，功率的范围广。     

舵空泡对船体压力脉动的数值分析

[目的]船舶航行时舵表面发生的空泡将使船体产生振动和噪声,为了研究舵空化效应引起的船体压力脉动及其影响,[方法]基于Star-CCM流体计算软件,对实船在某航速下在5°和10°舵角航行时产生的空泡进行预报,分析船体压力脉动产生的规律。[结果]分析结果表明,舵空化效应对船体压力脉动有直接影响;在5°,10°舵角工况下,舵空化对船体造成的压力脉动幅值远大于舵表面不存在空化时船体表面的压力脉动幅值,舵发生空化效应越剧烈,船体表面压力脉动的波动幅值就越大。[结论]研究结果论证了舵空化效应对船体的振动和噪声有着直接影响。     

船舵液压传动装置的振动特性分析和试验

本文构建船舶的液压传动装置数学模型,对其进行仿真分析,给出了船舶液压控制系统的结构图,并着重分析了船舶液压传动装置的振动特性。最后,设计了船舶液压传动装置的振动试验,分析了船舶液压传动装置拉杆处的振动加速度的变化曲线。     

基于模态与振动传递函数分析的低噪声液压站设计

[目的]液压油站作为液压系统的动力源,是液压系统振动、噪声产生的根源。为进一步降低液压系统的振动、噪声水平,提出一种基于模态分析与振动传递函数分析的低噪声液压油站的设计方法。[方法]建立液压油站有限元模型,在此基础上求解出油站的模态,并利用模态叠加法对油站结构及液压泵的安装位置进行优化,得到油站的最佳结构形式和液压泵最佳安装位置。基于振动传递函数分析对液压油站箱体结构进行设计,优化泵组到油站机脚的振动传递路径,进一步降低液压泵组振动噪声对液压油站的影响。[结果]油站的振动噪声测试结果表明,该设计方法显著降低了液压油站振动、噪声指标,其中液压油站振动加速度总级降低5.7 dB,空气噪声降低2 dB,[结论]为液压系统减振降噪提供了较好的方法。     

舵空化的精细流场及其非定常水动力性能数值计算

[目的]为深入研究舵空化时的精细流场及其非定常水动力性能的相关规律,[方法]针对某型船的桨、舵模型进行建模,采用结构化网格、SST k-ω湍流模型和流体体积(VOF)方法对舵空泡进行计算。针对舵空泡问题进行实船观测试验,将舵空泡的计算结果与实船舵空泡的观测结果进行对比,验证数值方法的可靠性。对舵空泡的周期性变化进行探讨和分析,并基于空化和非空化2种状态对3种舵角下的舵空泡进行计算。[结果]结果显示,当空化范围较小时,空化对舵力时均值的影响较小,随着空化范围的增加,空化对舵力时均值的影响明显变大,尤其是舵效显著降低;一旦发生空化,舵非定常力的脉动幅值将大幅增加,且空化范围越大,舵非定常力的脉动幅值越大。[结论]研究结果可为评估空化发生后舵的水动力性能及舵的优化设计提供技术支撑。     

十字形和X形艉舵航行体的水动力特性对比

[目的]对于水下航行体的艉布局而言,相较十字形艉布局,X形艉布局具有不超宽、降低舵卡严重后果等优点。由于X形艉布局及其操纵较为特殊,其水动力特性与十字形不同。以SUBOFF为原型,通过数值计算对比十字形和X形艉布局航行体的操纵性水动力特性。[方法]首先,对比十字形艉布局线性水动力的数值计算与模型试验数据,确定数值计算的网格参数;其次,对全动舵面积相同的X形艉布局航行体线性水动力进行预报,并与十字形艉布局进行对比;最后,采用体积力模拟螺旋桨抽吸,对比研究两方案操纵性水动力特性的差异。[结果]结果表明:在相同全动舵面积下,相较十字形艉,X形艉布局航行体水平面静不稳定系数略小,垂直面静不稳定系数略大;受相邻两舵干扰影响,X形航行体垂直面、水平面舵力特性具有较为明显的不对称性,舵导数减小约27%;抽吸显著改变了十字形和X形艉布局航行体的水动力,舵导数增大约15%～18%。[结论]研究成果可为水下航行体操纵性设计提供一定的借鉴。     

后艉轴承刚度对潜艇结构振动与声辐射的影响

[目的]为了研究后艉轴承刚度对潜艇结构振动与声辐射的影响,[方法]针对螺旋桨不定常激振力诱发的艇体结构辐射声,以SUBOFF潜艇为原型,建立了包含螺旋桨和轴系实体结构单元的潜艇整艇模型,采用通用有限元程序NASTRAN计算其在真空中的振动特性,同时采用附加质量附加阻尼算法计算其在水下的振动和声辐射特性,对潜艇整艇结构在螺旋桨垂向激振力作用下的振动与声辐射特性进行分析,并着重考虑了后艉轴承刚度对潜艇整艇结构振动与声辐射的影响规律。[结果]研究指出,降低后艉轴承刚度使潜艇结构振动与声辐射的能力主要向其第2阶整体弯曲振动模态频率处集中,且第2阶整体弯曲振动模态频率逐渐向低频移动;在第2阶整体弯曲振动模态频率以上频段降低后艉轴承的刚度能够有效降低潜艇整艇结构的振动和声辐射。[结论]所得结果可为声学设计阶段潜艇关键部位结构参数的选取提供参考。     

舵系统流激振动影响因素及规律的理论与试验研究

流激舵系统引起的振动对水下航行体隐蔽性产生较大影响。为深入研究其振动特性,根据舵系统的结构组成进行简化,建立系统二元线性颤振数学模型,确定低速颤振的产生条件,并获得低速颤振的主要影响因素和作用规律。此外,在重力式水洞中开展舵模型流激振动试验,重点研究了支撑刚度、扭转刚度、质心和刚心位置等参数变化对舵模型流激振动的影响。结果表明:在流体载荷激励下,舵系统结构设计对流激振动特性有较大影响,通过对升沉运动与扭转运动频率之比、结构质量与附加质量之比、刚心、质心与弦中心的相对位置等参数进行匹配设计,能够有效抑制舵系统流激振动。     

船舶艉部激励耦合振动噪声机理研究进展与展望

[目的]船舶减振技术经过几十年的发展,降低艉部激励引起的桨—轴—船体振动辐射噪声成为我国现阶段船舶声隐身的紧迫任务。[方法]针对船舶艉部激励耦合振动噪声问题,从船舶螺旋桨激励力特性、桨—轴—船体耦合振动噪声特性及其控制方法 3个方面对当前研究进展与发展趋势进行综述,[结果]得到了船舶艉部激励与桨—轴—船体系统振动噪声的映射关系,并提出了针对低频振动噪声的控制方法。[结论]在此基础上对在螺旋桨非定常力测试、艉轴承摩擦诱导振动机理和桨—轴系统横向振动控制等方面提出进一步开展研究的建议。     

降低舰用舵的振动烈度

介绍在舵板上开孔以降低舵的振动烈度。实验表明采用此种方法可降低舵的振动烈度6－7dB，此方法对原有舵的流体动力特性未产生影响，不会改变舵整个功能的有效性。     

Vibration characteristics analysis of ring-stiffened conical shells based on power series method北大核心CSCD

[目的]旨在利用解析法求解环肋圆锥壳的振动方程,对环肋圆锥壳的振动特性进行理论研究。[方法]首先,对圆锥壳分段处理,将圆锥壳沿母线方向、环向和法向的位移分别写成幂级数解的形式,并推导出幂级数项前系数的递推关系式;然后,采用梁模型模拟不同环肋数对圆锥壳振动响应特性的影响;接着,将圆锥壳分段及其环肋边界条件、位移和内力矩阵进行组装求解,得到在外部简谐力激励下圆锥壳的振动响应特性,并将所得结果与ANSYS有限元数值方法的计算结果进行对比,验证所提计算方法的有效性。最后,运用所提理论方法进行环肋圆锥壳的振动特性分析。[结果]结果显示,圆锥壳安装的环肋可明显抑制圆锥壳的振动,具体表现为响应幅值降低、固有频率升高,且在相同频段内共振峰数量减小;增大壳体厚度会引起壳体振动响应幅值降低以及固有频率升高;此外,增大半锥角、轴线长度和环肋数均可降低环肋圆锥壳的振动响应幅值。[结论]研究表明,所用方法对环肋圆锥壳振动的理论研究具有一定意义。     

基于ADAMS的水下扩展机构动力学仿真

为了分析水下扩展机构在不同驱动条件下的动态响应特性，本文建立了水下扩展机构的运动学模型和动力学模型，并利用ADAMS进行动力学仿真。通过仿真得到了水下扩展机构分别在恒速驱动与恒力驱动下，扩展臂的运动参数动态响应曲线，以及机构组成杆件运动副处的约束力随时间变化曲线。结果表明：在恒速驱动下，机构运动时间较长，到位时角速度较小机构能快速稳定；在恒力驱动下，机构动作较为平稳且运动时间短，但角加速度变化复杂，到位时角速度较大，到位后有震荡运动产生。本文的研究为后续驱动控制系统的设计提供理论基础，具有重要的工程实际价值。     

油缸缓冲装置结构参数对缓冲性能影响分析

液压驱动机构启闭噪声是影响船舶机械设备振动噪声性能的重要因素之一,通过增加缓冲结构可有效降低驱动机构开闭过程中的冲击振动。本文针对圆柱形变节流面积缓冲装置,推导了含负载条件下缓冲腔压力、活塞速度与活塞位移的函数关系,分析掌握了单边间隙、缓冲套大端直径、圆锥段长度、锥角等结构参数对缓冲性能的影响,得到了缓冲装置优化设计方案。研究表明,单边间隙对缓冲性能的影响最大,缓冲套大端直径、锥角的影响次之,圆锥段长度的影响最小;缓冲装置优化后活塞在行程终点前的速度下降达98%,可有效降低液压驱动机构的启闭噪声。     

潜艇伴流场对螺旋桨激振力的影响北大核心CSCD

[目的]潜艇附体结构会显著影响桨盘面处的伴流场,进而影响螺旋桨的激振力特性。掌握伴流场特性对激振力的影响规律有助于潜艇和螺旋桨低激振设计。[方法]基于Suboff潜艇模型和INSEAN E1619螺旋桨,采用RANS方法对不同附体伴流场下艇后螺旋桨的激振力进行数值模拟,并使用谐调分析方法对桨盘面处伴流场进行定量表征,然后再结合螺旋桨瞬态流场的分布特性,揭示线谱激振力的产生机理。[结果]结果显示,伴流场谐调分量各阶数的分布情况与单叶片激振力线谱的分布一致,且单叶片激振力主频处的相对幅值与七叶片螺旋桨基本相等;周向对称的艉舵对伴流场谐调分量的影响主要集中在4阶和8阶,对七叶螺旋桨激振力的影响较小;围壳影响伴流场各阶的谐调分量,对七叶螺旋桨激振力起主要作用。[结论]艉舵对激振力的影响小于围壳,为改善螺旋桨激振力特性,应重点对潜艇围壳进行优化。     

X舵欠驱动AUV凯恩动力学建模

X舵欠驱动AUV结构复杂、舵片与本体之间相互作用力增多,对其进行动力学建模变得非常困难。为了克服相互作用力对建模过程的影响,引入凯恩动力学的相关知识,推导出X舵欠驱动AUV的凯恩动力学模型。以广义坐标为基础,推导出力的作用点处的广义速度、偏速度、偏角速度的计算公式,给出了计算广义主动力和广义惯性力的方法,展示了凯恩动力学的建模步骤。通过水平面和垂直面的仿真结果,验证了该建模方法的有效性。该建模方法可以避免相互作用力的计算,清晰地展示出力对动力学模型的贡献。     

基于统计能量法研究肋骨对双层圆柱壳声辐射特性的影响

[目的]潜艇的主要结构形式是环肋圆柱壳,目前关于肋骨对圆柱壳声辐射特性影响的研究大多集中在中、低频,但是振动声学问题涉及到更宽的频率范围。[方法]采用统计能量法研究宽频范围内肋骨对圆柱壳声辐射特性的影响。首先,分析圆柱壳增加肋骨后统计能量参数的变化;然后,研究耐压壳、外壳分别增加肋骨、改变肋骨间距、改变肋骨形状对圆柱壳声辐射特性的影响;最后,分析激振力作用在不同位置时,环肋圆柱壳声辐射特性的差异。[结果]得到了肋骨影响下双层圆柱壳在500 Hz～100 kHz范围内的统计能量参数和辐射噪声变化规律。[结论]研究结果对合理选用肋骨降低潜艇的振动与辐射噪声有一定参考作用。     

复合材料舵与钢质舵振动特性对比试验研究

对复合材料舵和传统钢质舵的振动特性进行试验研究和对比分析.通过设计相关试验模型,对复合材料舵和钢质舵的前三阶固有振动模态及10 Hz~1 kHz频段内结构的动态响应进行测试,并对试验结果进行对比分析.研究结果表明:复合材料舵与钢质舵的模态振型基本相同,但复合材料舵所对应的固有频率高于钢质舵;同时,在白噪声激励载荷作用下,10 Hz~1 kHz频段内,复合材料舵整体加速度总级较钢质舵降低可达15 dB,且复合材料舵在局部壳板振动抑制方面明显优于钢质舵.本文研究将为复合材料舵的优化设计和工程应用提供参考和指导.     

Hydrodynamic characteristics of underwater vehicle with X-rudder configuration coupling with incidence and rudder angle北大核心CSCD

[目的]X形艉布局的水下航行体及操纵策略特殊,受主体姿态角影响的X形艉舵特性与十字形艉布局的不同。[方法]基于SUBOFF模型的X形艉布局方案,通过数值计算分析变单舵、变单舵耦合攻角以及变单舵耦合漂角时的操纵性水动力特性,并按照现有的船标推荐公式,对舵角/姿态角耦合下的操纵性水动力特性进行拟合研究。[结果]结果表明,X形艉水下航行体变单舵时,舵与主体间存在较强的相互作用,使得两个正交平面内的水动力(矩)存在差异;区别于无主体姿态角时的X舵水动力特性,耦合主体姿态角后的X舵水动力特性明显受到主体的影响。在研究的姿态角及舵角范围内,右上舵和左下舵舵效分别随姿态角的增大而减小和增大。舵导数相对变化量值最大达16%。[结论]研究结果可为X形艉水下航行体操控及仿真评估分析提供参考。     

复合材料舵与钢质舵振动特性对比试验研究

对复合材料舵和传统钢质舵的振动特性进行试验研究和对比分析。通过设计相关试验模型,对复合材料舵和钢质舵的前三阶固有振动模态及10 Hz~1 k Hz频段内结构的动态响应进行测试,并对试验结果进行对比分析。研究结果表明:复合材料舵与钢质舵的模态振型基本相同,但复合材料舵所对应的固有频率高于钢质舵;同时,在白噪声激励载荷作用下,10 Hz~1 k Hz频段内,复合材料舵整体加速度总级较钢质舵降低可达15 d B,且复合材料舵在局部壳板振动抑制方面明显优于钢质舵。本文研究将为复合材料舵的优化设计和工程应用提供参考和指导。