基于流固耦合的船舶轴-桨耦合振动特性分析

以研究螺旋桨水动力和离心力对船舶轴-桨组合振动特性的影响为本文的研究目的,基于W o r kbench平台,采用流固耦合有限元分析方法,进行船舶轴-桨组合模态分析。在CFX中计算螺旋桨敞水性能,并在Ansys中将螺旋桨叶面水压力和离心力作为预应力分析轴桨组合振动的固有频率和振型,比较轴系、螺旋桨单独模型和轴-桨组合模型在固有频率上的区别。计算结果表明,轴桨组合的固有频率远远低于轴系和螺旋桨独立模型的固有频率;轴-桨旋转产生的离心力对其固有频率影响不大;螺旋桨在流场中产生的水压力略微提高纵向振动固有频率,但影响很小,在实际应用中可以忽略。     

相似理论下的桨-轴系统振动特性分析

为更好地了解桨-轴系统的振动特性，以某桨-轴系统为研究对象，基于ANSYS Workbench平台下多个模块建立仿真分析，对缩尺模型下的桨-轴系统计入水压力和离心力的振动进行研究。桨-轴系统振动相似性的研究采用原尺寸模型与缩尺模型，分别求解其固有频率、振型及幅频曲线进行相似性验证。将验证的缩尺模型进行考虑水压力与离心力的振动特性研究。水压力利用Fluent模块对螺旋桨进行敞水计算。将计算结果采用单向流固耦合的方法进行加载。离心力模拟以设置不同的旋转速度实现。谐响应分析采用模态叠加法进行计算。研究表明，缩尺模型在固有频率、振型及幅频曲线上的结果与原模型计算结果基本一致。计入水压力与离心力的桨-轴系统固有频率会有所降低。水压力对桨-轴系统的纵向固有频率影响较大。离心力对桨-轴系统的固有频率影响不明显。     

船舶桨-轴系统双向流固耦合动力学建模方法研究

螺旋桨激励力引起的轴系及船体振动是船舶低频噪声的重要原因,目前已成为改善我国船舶振动噪声最关键的问题之一.为了掌握这类低频噪声成因,有必要从流体、桨、轴系间的复杂耦合关系着手,揭示螺旋桨激励力产生、传递机理及桨-轴系统流固耦合振动演化规律.因此急需一个桨-轴系统双向流固耦合动力学分析模型.为此,本文利用有限元法(FEM)耦合边界元法(BEM)建立了流体-弹性桨-轴系双向流固耦合动力学模型,并通过数值仿真分析以及实验研究,验证了所建模型的正确性.研究表明:本文建立的模型求解精度满足工程要求,且相比于目前广泛采用的商业软件方法具有计算速度快、对计算机性能要求低等优点,非常适合工程应用.     

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。     

带螺旋桨激振力的轴系耦合纵向振动特性分析

采用CFD方法计算目标螺旋桨的敞水性能,通过Fourier变换得到轴承激振力的频域特性。结合舰艇推进轴系的一般结构形式,建立桨—轴—艇耦合系统纵向振动动力学模型,将先前计算所得的螺旋桨激励特性与振动能量传递相结合,讨论了纵向振动形式下螺旋桨激励振动功率流的传递和振动能量传递耗散的特性,从能量角度分析纵向振动在系统耦合振动中的影响,进而基于模拟工况探讨振动能量在轴系耦合振动中的传递机理。     

船舶推力轴承纵向液压减振技术研究

针对船舶轴系的纵向振动情况,研究一种嵌入式船舶推力轴承纵向液压减振器,以隔离螺旋桨脉动激励而引起的船舶轴系纵向振动。首先,建立桨轴系统的动力学模型,分析船舶推进轴系纵向减振特点;其次,提出液压减振器模型,开展动力学分析并提出动刚度计算方法;最后开展系统减振效果验证试验,结果表明推力轴承集成纵向液压减振器后可明显降低轴系纵向振动,为船舶轴系声学设计提供方法。     

基于改进三弯矩法在某物探船可调桨推进轴系校中计算的应用

为使轴系校中计算模型更接近实船轴系运转工况,确保采用可调桨推进系统的船舶安全运行,在考虑螺旋桨水动力影响下,采用改进三弯矩法对轴系校中数值计算模型进行改进。并以某物探船为例,对其可调桨推进系统进行动态轴系校中计算。数值计算结果显示：考虑螺旋桨水动力等动态因素影响的动态轴系校中计算确保了采用调距桨推进轴系船舶在各种工况下的安全运转。     

可调螺距螺旋桨螺距变化对轴系振动的影响

为了研究船舶可调螺距螺旋桨螺距变化对轴系结构振动的影响,本文以某集装箱船的推进轴系和螺旋桨为例,采用有限元分析方法对其进行流固耦合仿真,分析船舶尾轴的应力与变形、振动以及模态变化。研究结果表明,螺旋桨螺距改变螺旋桨周围水域的流线运动状态,使得其受力变形更加不均匀。随着螺旋桨螺距的逐渐增大,轴系固有频率减小;船舶尾轴在一些特定频率附近会产生较大的共振幅值。为提高尾轴使用寿命,尾轴激励应避免这些频率。在一定范围内,尾轴在22°左右的螺距角下更容易产生较大的振动,可通过合理调节螺距角,以避免出现共振现象。     

船舶推进轴系纵、横、扭耦合振动传递矩阵法的研究

本文发展了传递矩阵法的理论,导出了计入回旋效应尾轴轴段的耦合振动数学模型;螺旋桨由附水质量、阻尼引起的耦合振动传递矩阵;建立了船舶轴系(从发动机到螺旋桨)的耦合振动数学模型。对大连造船厂27000t散装货船推进轴系进行了耦合振动数值计算,计算结果与实船测试相吻合。本文还进行了轴承刚度值对轴系耦合振动特性的影响的研究。     

湍流进流诱发的螺旋桨-轴系纵向振动特性研究

基于湍流统计分析和随机振动理论,以一个十叶桨以及轴系作为研究对象,对其因湍流进流而诱发的弹性振动及纵向脉动推力进行了计算和分析。基于均匀湍流的统计模型,利用条带理论及相关分析求取作用在桨叶表面上的压力谱,然后将该压力谱映射到螺旋桨有限元模型加载面的节点上。基于模态叠加的随机振动分析方法,求得螺旋桨-轴系系统的随机振动响应。对弹性桨及刚性桨在纵向脉动推力传递中存在的差异以及系统动力学参数对于脉动力传递的影响进行了分析,得到的结论可为桨-轴弹性振动及声辐射控制提供思路。     

推力轴承轴向刚度对船舶轴系振动响应的影响

采用ANSYS有限元软件对某型舰船轴系进行相似建模,并计入螺旋桨激振力,研究不同推力轴承轴向刚度下的轴系振动特性,分析螺旋桨激振力通过轴系的传递状况。计算结果表明,增大推力轴承轴向刚度能有效衰减振动沿着纵向振动经过船体结构的传递,有一定减振降噪的作用。     

支撑参数对船舶轴系-轴承-基座系统振动特性影响研究

针对支撑参数改变轴系振动特性问题,建立轴系-轴承-基座系统分析模型,研究轴承支撑刚度、基座支撑刚度等支撑参数对系统振动固有特性、振动传递特性的影响规律,并提出轴系减振设计参数控制方向。分析结果表明：轴系横向振动模态频率对轴承刚度、基座刚度在某些区间较为敏感;轴系横向振动部分稳定模态频率不随支撑参数改变;螺旋桨轴承强基座刚度、弱轴承刚度,有利于降低螺旋桨横向激励力通过轴系向螺旋桨轴承的传递;舱内油润滑轴承支撑参数改变对降低螺旋桨轴承处的振动传递影响较小。     

考虑船舶轴系校中与弯曲振动的轴承优化布置

船舶在航行过程中,螺旋桨所受到的激振力通过船舶轴系传递给船体并引起尾部振动和噪声,给船舶的乘坐舒适性和安全性带来危害。本文利用传递矩阵法分别建立船舶轴系校中数学模型和弯曲振动数学模型,并使用拟定常法得到螺旋桨叶频和二倍叶频的激励力幅值比值,成比例输入到轴系系统当中,设置轴承间距和轴承标高为变量,以尾轴后轴承受力幅值最小为目标函数。在满足船舶轴系校中标准下,对轴承位置的轴向和径向进行双向优化,得到实例的最优布置方案,通过比较优化前后的尾轴后轴承受力响应幅值,可以发现优化效果明显,对船舶轴系设计与布置具有一定的指导意义。     

潜艇艉轴及电机激振对电机基座加速度的影响

电机振动为潜艇噪声的重要振源,掌握其特性对于优化艇体结构设计有着重要的意义。采用结构有限元耦合流体边界元的附加质量阻尼算法,对潜艇的2种不同位置激振的工况进行水下振动计算,并对数值计算结果进行了比较和分析。从离散频率的加速度值和功率两个层面上初步讨论了低频段内艉轴激振力与电机激振力对电机基座上加速度的影响。结果表明：在艉轴激振力比电机激振力大一个数量级的情况下,艉轴激振力对电机基座加速度的影响远小于电机激振力对其的影响,因而可以忽略。在实艇航行中,当艉轴与电机激振力同时存在的情况下,确保了电机振动特征信号测量的准确性。     

推进器激励船舶振动辐射声计算方法

文章在铁木辛柯梁的基础上,建立螺旋桨、轴系及船体耦合振动的数学物理模型,采用声极子模型计算各船体截面振动引起的辐射声压。计算分析了激励力直接作用到船体和经螺旋桨、轴系激励船体振动产生声辐射的差别,指出轴系振动对螺旋桨激励力激起船体振动并产生声辐射有着关键的影响作用。     

船舶艉轴承的工作特性分析

根据某近海拖轮的推进系统,将其轴系进行分析和简化,并利用有限元软件ANSYS建立轴系横向振动的有限元模型,并分析船舶艉轴承发生磨损的原因。如果艉轴承支撑位置安装不当以及螺旋桨激励力的影响,会使轴承负荷分配不均,引起超负荷轴承的过度磨损。而艉轴承的过度磨损则会引起其支承长度的变化,不同位置轴承支承长度的变化对轴系固有振动特性的影响也不同。     

螺旋桨激振力作用下船体振动及水下辐射噪声研究

利用有限元法和边界元方法分析比较了螺旋桨激振力三个方向分力(轴向、横向、垂向)分别作用以及同时作用时引起的船体结构振动与水下辐射噪声。结果表明,船体结构在螺旋桨激振力作用下在轴频、叶频、一倍叶频、二倍叶频以及船体固有频率处振动响应出现线谱;横向螺旋桨激振力引起的船体水下辐射噪声最大,垂向力其次,最小是轴向力;三个方向激振力同时作用时船体最大辐射声功率出现在叶频处,主要由横向力引起,其次是轴频处,主要由轴向力引起。分析其原因主要是横向激振力在叶频时最大,而且与船体固有频率接近,产生共振,轴向力在轴频处次之。     

转速对油膜刚度与螺旋桨轴振动影响研究

通过数值方法研究轴的转速、油膜刚度对螺旋桨轴振动的影响关系,由计算结果得到如下结论:随着螺旋桨轴的转速增加,轴承的油膜动态刚度降低,螺旋桨轴的振动频率降低,且在低速区这种影响关系更为明显。     

推进轴系回旋振动对船体尾部振动影响分析

船舶在航行过程中,螺旋桨在不均匀的伴流场中工作产生周期性的弯曲力矩作用在螺旋桨轴上,使推进轴系在螺旋桨或转轴上旋转的横向力矩作用下,旋转轴绕其静平衡曲线产生振动,从而出现回旋振动现象,而严重的轴系回旋振动引起轴承反力的动力放大而引起船体尾部结构的振动.本文对一艘尾部结构振动严重的船舶进行了推进轴系回旋振动计算分析及实船振动测量验证,分析了推进轴系回旋振动对船体尾部结构振动影响,通过更换尾管前轴承、调整中间轴承的位置,解决了轴系回旋振动引起的船体尾部结构严重振动问题,为解决类似船体尾部振动问题分析提供参考.