摘 要

随着人们对船舶振动噪声的要求的逐渐提高，现在已有的静态校中方法已经不能保证船舶轴系推进轴系的安全运行，这就要求在研究轴系振动的过程中要考虑不对中量对轴系产生的影响。通过对ANSYS软件的深入学习，以大型船舶为研究对象，建立船舶推进轴系的简化模型，船舶推进轴系建立有限元模型，对其动态的响应进行相应分析，通过改变不同工况下轴承的初始位移，在关键节点施加边界条件以及载荷，从而对比轴系校中前后不同轴承位置的振动特点，分析轴系校中对整个船舶推进轴系振动特性的影响作用。论文主要研究了：轴系校中前后不同轴承位置工况下振动特性的区别。本文特色：通过ANSYS建立船舶推进轴系简化模型，分析轴系校中对整个船舶推进轴系振动特性的影响作用。

关键词：软件建模；轴系校中；轴系振动

Abstract

With the gradual improvement of people's requirements for ship vibration and noise, the existing static alignment methods can no longer guarantee the safe operation of ship shafting propulsion system, which requires that the influence of non-alignment on shafting should be considered in the process of studying shafting vibration. Through the in-depth study of ANSYS software and taking large ships as the research object, the simplified model of ship propulsion shafting is established. The finite element model of ship propulsion shafting is established, and its dynamic response is analyzed accordingly. By changing the initial displacement of bearings under different working conditions, boundary conditions and loads are imposed on the key nodes, thus the different bearing positions before and after shafting alignment are compared. The influence of shafting alignment on the vibration characteristics of the whole propulsion shafting is analyzed.

This paper mainly studies the difference of vibration characteristics of different bearing positions before and after shafting alignment.

Characteristics of this paper: A simplified model of ship propulsion shafting is established by ANSYS, and the effect of shafting alignment on the vibration characteristics of the whole ship propulsion shafting is analyzed.

Key words: software modeling, shafting alignment, shafting vibration.

目录

第1章 绪论 1

1.1国内外研究现状 1

1.2目标 2

1.3 内容 2

1.4技术方案及措施 3

第2章 关于船舶推进轴系的轴系校中 4

2.1关于船舶轴系振动的轴系校中 4

2.2船舶推进轴系振动研究 5

2.2.1对于齿轮振动带的研究 5

2.2.2万向联轴器的振动研究 5

2.2.3船舶轴系耦合振动研究 5

2.3船舶推进轴系校中研究 6

2.3.1船舶推进轴系的弹性校中 6

2.3.2合理校中优化研究 6

2.3.3船体的变形对轴系校中的影响 6

2.4船舶推进轴系校中对回旋振动的影响研究 7

2.4.1轴承在工作的时候的实际受力 7

2.4.2轴线挠曲对回旋振动的影响研究 7

第3章 ANSYS软件介绍 8

3.1ANSYS介绍 8

3.2 ANSYS软件的特点及其使用步骤 8

3.2.1主要技术特点： 8

3.2.2ANSYS分析过程的三个重要步骤： 8

3.3关于ANSYS建模方法 9

3.4关于ANSYS模态分析 9

第4章ANSYS建模过程 11

第5章 总结与展望 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

随着近年对船舶振动以及噪声的要求一再提高，已经使用很久的静态校中方法已经显得不够实用，这就要求我们在船舶振动噪声方面逐步加入不对中量对整个振动噪声的考虑。目前广泛运用的各轴系校中的方案，都是从静力学的角度出发，把轴系设置为某种状态，以确保各个轴系获得比较好的载荷分配，使得轴段应力在设计的允许范围以内，确保轴系的强度一定满足运营所需要的要求。以上所提到的校中方法并没有考虑校中对轴系振动所产生的影响，这就要求我们加入校中对轴系振动的考虑，所以掌握校中对振动的影响的作用规律是非常重要的一个环节。从轴系的纵向振动的出发点考虑，它除了对本身产生的很大的影响之外，它还通过一系列的形式把螺旋桨所产生的脉冲力引导给艇体体身，这就引起艇体自身会产生一定量的辐射，而且这部分的辐射来自于声音所产生。我们一再控制轴系的纵向振动，归根结底我们的目的是逐步的减小整个上述的过程，让螺旋桨产生的脉冲力传递给艇体这个过程最大限度的减小，毕竟这种辐射是极其有害的，我们要尽最大努力杜绝这种现象的发生。我们现在的推进轴系的模式主要是考虑到它的整个功能模块，但是在这种情况下想通过提高它的设计是不能行得通的，因此我们必须要从控制入手去从根源解决振动这一难题。当前比较实用的方法是被动控制装置，但是这种装置不能随外界的变化而变化，很难用于防止宽带的扰动，其功效也非常的小，所以我们就要考虑运用主动控制装置来改善被控控制装置所不能完成的一些任务，它相对来说有非常强的适应性，其控制能力也要比被动控制装置好很多，这就成为了我们去解决轴系振动的最有利的武器。

1.1国内外研究现状

在国外对这部分问题的研究要早于国内。20世纪40年代，根据大量的航行实践，提出了很多降低轴纵向振动的方案。20世纪60年代GOODWIN率先把共振转换的研究用于船舶轴系振动噪声的控制过程中，同时也研究了这项研究对于解决该问题所产生的影响^[1]。1989年，LEWIS把主动控制装置实践性的运用在了轴系纵向振动控制方面，他在本来拥有的传统推进技术的基础上，加入了辅助磁力推力的技术措施，通过闭环调节的实时反馈，极大程度上减小了螺旋桨上的脉冲力的辐射作用，但是美中不足的是并不能完全的消除振动，其减振的幅度并不是很明显^[2]。在原有的推进轴系的推进方式下创造性的加入了电磁力的作用，通过电磁主动控制装置实现了低频下对船舶轴系振动控制的飞跃，同时并不影响船舶自身的推进。

国内对船舶轴系振动的研究的力度逐年加大，学者们对螺旋桨-轴系-艇体的振动声音辐射的关注度也逐年提高。二十世纪九十年代左右，许多国内的学者运用计算机在低频段下对船舶轴系振动的降低做出了很多的努力，做了大量的相关工作的研究，在经过不断的实践和琢磨，依然不能在深层次的层面上认识到螺旋桨产生的声音辐射脉冲力在水下的辐射问题。在随后的很多年里，我国的相关船舶科研工作单位以及船舶振动科学研究院就船舶轴系振动方面的问题走出了很多的努力，也开展了很多的相应的科研工作，并且通过结合国外在这个领域的科学研究成果，加之我国自主对该部分科技黑箱的进一步探索和研究，针对船舶轴系振动问题，我们得出了很有力的计算方法，也经过不懈的探索，已经突破了振动传递原理方面的相对较浅层次的认知，也在通过主动控制装置去主动控制船舶轴系振动问题上取得了空前的进展。与此同时，我国很多的高等学府院校也开展了相关的科研项目以及专业，也为解决该问题做出了很多的探索，付诸了很多努力。刘耀宗建立了有动力吸振器用于纵向轴振动的经典模型，他通过模型加之有动力的吸振器的推动作用进行了研究，其结果表明了动力吸振器只可以对与轴系共振频率相近似的频段起到有效的降低作用，并不能够作用于其他相对较远离共振频率的频段^[3]。曹贻鹏在从事船舶轴系振动的研究过程中加入了动力吸尘器相关的动力控制，从他的研究结果中表示了吸尘器的分布式的设计不仅可以脱光吸振宽带，同时也可以很大程度上降低来自于螺旋桨的脉冲力辐射的影响^[4]。李良伟用新的算法对动力减振方面的参数进行了改变，同时也研究了很多参数对整个推进轴系的振动的影响^[5]。王家盛运用离心动力的吸振装置，把这种装置运用于改善纵向轴系振动控制，通过大量的实验结果表明这个装置有很好的降低振动的作用，但是不能完成自动调节^[6]。李攀硕运用电磁的作用，对后溪振动做了自适应前馈控制，经过试验之后，其结果表出如果在机体的转速不发生任何变化的情况下，可以得到很好的控制效果^[7]。杨志荣和李清云共同设计的磁流变弹性的动力吸振器，该吸振器在于其他吸振器相比的条件下，具有更好更加明显的效果^[8]。孟浩运用声子晶体局域共振带隙的原理，在轴系上面同时加了多个局域振子，通过这样的方法，来进一步研究船舶轴系纵向振动的影响^[9]。殷永康把自己改进的模拟稳态控制的算法加之于船舶轴系纵向振动的研究中去，其结果表明了，当吸振器的刚度连续不间断的变化的时候，磁流变式半主动吸振器能够比同样情况下的其他吸振器有更好的减振作用^[10]。

1.2目标

以船舶轴系试验台为算例，运用系统建模方法，验证理论计算实验数据的准确性，研究不同轴系校中对轴线状态的影响从而影响轴系振动状态，从而找出在何种轴系校中位置情况下对轴系振动影响最小，以降低轴线状态对轴系振动的影响。

1.3 内容

1.轴系校中产生的不对中激励。

2.轴系动态响应计算。

3.轴系校中对轴系振动响应影响的计算。

1.4技术方案及措施

1.船舶推进轴系各个主轴之间通过联轴器来连接，通过传力功率和扭矩，联轴器分为刚性和弹性联轴器。刚性联轴器两个法兰之间通过铰制螺栓固定，联接之后各个主轴之间仍然是同一个旋转的中心线，所以不对中量只对轴承的静态载荷分配产生一定影响。弹性联轴器两端的法兰与相应的轴段联接，因为其弹性特征的缘故，联接以后艏艉两端的轴线不会重合，这是轴系不对中的直接原因。通过ANSYS软件研究联轴器中的平行不对中和角度不对中以及这两种的组合。通过研究联轴器两侧转子的不对中激励作用体现在联轴器两端节点收到了额外的力矩来进一步的分析不对中的影响；通过研究联轴器两侧转子的不 对中激励作用体现在联轴器两端的节点受到了额外的力矩进一步分析角度不对中的影响。

2.实际转子是一个质量连续分布的弹性系统，有无限多个自由度。运用ANSYS把有限元方法用于转子动力学的时候，我们把实际的转子划分为很多个集总质量的多自由度系统。以转子轴线为基准将转子的质量以及转子的转动惯量集合到几个节点处，这些节点的位置选取也十分重要，我们选择好了节点的位置之后，要把选取的节点按照相应的顺序依次编号，轴承也一般应该安装在节点处。

3.开展轴系校重对轴系动力学响应影响的规律研究，运用ANSYS软件通过改变轴承不同的位置，可以找到不同的轴系校中状态，再计算不同校中状态之下，联轴器处的激励力，然后利用有限元法，计算出轴系在这些不对中激励作用下的响应。

第2章 关于船舶推进轴系的轴系校中

2.1关于船舶轴系振动的轴系校中

船舶的推进轴系是整个船舶在动力装置这个领域的最主要的一员，在这个基础上，轴系校中又是保证整个船舶推进轴系能够安全运行的最关键的部分，可见轴系校中的重要性，所以就要求采用一切可行可靠的办法去尽最大可能的提高轴系校中的安全性和准确性。由于近年来对船舶振动噪声部分的重视愈演愈烈，目前已经存在的静态校中方法已经不能供给船舶振动噪声的降低要求，这就要求我们将不对种量对轴系振动产生的影响也考虑在内。

轴系校中实质是最准确化的确定船舶轴承的位置。船舶轴系能否安全正常的运行，不单单取决于轴系的材料、设计和制造。同时也要取决于轴系的安装质量。通常我们所采用的校中方式为直线校中以及轴承所允许承受负荷的校中和合理校中的办法。

时至今日，我们所运用的轴系校中方法都与静态校中密切相关，以静力学理论知识为基础，把轴系设定为某种状态，确保载荷在各个周轴段的均匀分配，使得各个轴段所承受的应力分配都在可控范围内，确保船舶轴系的最低安全强度在可控制的范围之内，因此要熟练的掌握校中是如何控制振动这一客观的规律。刚性联轴器和弹性联轴器连接在一起组合成为船舶推进轴系，如果考虑到静力学校中法的轴系安装方式，联轴器两侧法兰有不对中量，因为联轴器的类型有所不同，则因此产生的不对中影响作用也有所不用。刚性联轴器所在处的不对中作用只对轴承的静载荷起到约束作用，而弹性联轴器处的不对中可以造成激励力，导致轴系振动，这样的激励力的幅值和频率与刚度和不对中量有着很大的关系。对弹性联轴器位于不同位置的不同受力情况的研究，我们可以得出：对于齿轮啮合传动、万向轴的传动等对轴系振动的影响，建立相对复杂的轴系耦合振动模型和混合动力振动模型，在这个基础之上，得出了关于解决轴系振动的一些措施；通过大型船舶弹性联轴器的计算办法，得出了船体变形对整个轴系校中的变化规律，创造了轴系振动分析软件，解决了一系列的振动计算分析中出现的校中问题。在理论研究基础上，通过进行推进轴系振动测试和校中检验的方法，制造出了能够满足校中和轴系振动综合要求的检测仪器。如果船舶推进轴系振动与不安全或者不会的轴校中方法结合在一起，可能给海上船舶航行带来巨大的危害和安全隐患。目前的船舶建造日渐趋于大型船舶发展，因为船体形态变大而导致整个船体的刚度会有所降低，但是船舶的轴系刚度会有所增加，由于这样的原因就导致校中的难度大幅度增加。

轴系校中质量的意义对于整个船舶航行的安全进行极为重要。校中质量主要影响：保证轴承负荷处于正常范围之内；能够改善尾部轴承 的磨损情况；通过校中来减少螺旋桨振动和船体的振动；保证减速齿轮啮合正常以及主机的功率传递。目前，多采用合理校中的方法，这种校中方式的优点是能够保证轴所承受的应力以及施加在轴上的负荷不光能够负荷安全的规定而且也能均匀的合理分布，同时校中计算是还要计算螺旋桨，轴承的温度等。下面本文将具体阐述关于船舶推进轴系的技术研究和对轴段的振动校中方法。

2.2船舶推进轴系振动研究

2.2.1对于齿轮振动带的研究

齿轮箱的推进轴系在整个功工作过程中，会通过其内部和外部产生两种不同对于激励作用的响应。在现有的带有齿轮箱传动的扭转振动计算之中，把齿轮箱等效成转动惯量和刚度带入到标准多自由度振动方程中，把齿轮副的啮合刚度当作准刚体，不考虑实时变化。在通常实际的工作过程中，齿轮副啮合刚度尽管特别大，但是却不是刚性传动，目前已经有的计算方法中把齿轮副刚度假定为无穷大进行振动计算和实际轴系振动特性不相符合。为了让推进轴系扭转振动计算和轴系实际转动的状态尽可能的相对应，提出了在齿轮系统基础上齿轮副啮合循环中变化的刚度的推进轴系扭转振动数学模型。齿轮副实时变化啮合刚度运用了有限元法计算，并通过直接计算的方法或者经验公式的方法得到了刚度的实变值，不过其过程相对冗杂。

2.2.2万向联轴器的振动研究

在船舶推进轴系中，万向联轴器的作用是连接两个轴，而且要确保两个轴在轴线处的夹角发生变化的时候能够正常地传递转矩。万向联轴器有传递扭矩达、寿命长、效率高等特点。在之前的船舶轴系扭转振动的研究中，通常将其模型进行简化，在实际的计算和分析中不难发现，万向联轴器的实际工作状态下易产生再次的激励，且伴随主从动件速度不同步的特殊情况。考虑到单十字万向联轴器，通过改变坐标对其进行分析。用一类拉格朗日求得非线性方程，能够得到固有频率的影响方程，若通过二类拉格朗日方程可以求得其振动方程。其结果表明了，若不考虑十字轴的万向联轴器的扭转振动分析，若夹角的改变程度很小，直接忽略因为夹角而引起的联轴器的扭矩波动问题。若要研究其扭转振动，不论是什么类型的轴的夹角发生何种改变，整个系统必然是稳定的状态，同时随着从动和中间轴的夹角就会越大，因此轴系要到达稳定状态需要花费的时间就越久，同时伴随着振幅的降低。

2.2.3船舶轴系耦合振动研究

推进轴系要根据其本身的振动性质划分成轴向振动、回旋振动以及扭转振动三种。由于船舶推进轴系日渐趋于复杂化的原因，轴系的受力情况更为复杂，所以在真正的工作运行过程中可能出现其中的2-3种不同的振动形式，并且这些振动形式相互耦合。为了方便研究轴系耦合振动，通常把连续的圆截面梁单元作为我们的研究对象，另外的元部件则为圆柱状态或者我们可以通过一些列方法把其等效成圆柱模型，所以选择梁单元更有利于我们的研究。

2.3船舶推进轴系校中研究

2.3.1船舶推进轴系的弹性校中

弹性校中所运用的计算模型也是相对于传统轴系校中方法更加贴合实际的模型，计算的复杂程度也相对较高，所以通过弹性校中的计算方法计算出来的结果更加具有综合性、安全性以及准确性，更能便于我模拟最真实情况下的船舶轴系校中的实际情况，能便于我们更好的计算和分析。

2.3.2合理校中优化研究

轴承的位置分布特点对于船舶推进轴系至关重要，在整个船舶轴系的设计过程之中要严格把控轴承之间的间距，保证其合理，也要严格把控轴承的数量来保证轴承的位置分布相对合理。在轴系安装的过程中，我们要通过在垂直位置上调整轴承的位置，使得轴系上个轴段的轴承所承受的负荷在安全的范围之内，进而满足规定的要求，这也是轴系的合理校中概念。轴承的位置是优化设计过程中重要的变量，以轴承位置的最大间距和最小间距为条件；把目的放在通过改变轴承的位置降低轴段上各个轴承的负荷；运用最优的方式去计算，进而选定轴承的最佳位置。轴承合理化校中，一般用各个轴承的位置作为设计变量来做到对轴承位置的优化，在各个轴承的负荷不超过规定范围为最主要的限制条件。在标准优化里，通过层次分析的方法来确定各种因素的权重问题，运用多个目标公共优化的方法，进而确定轴承的最佳垂直位置的变位值。

2.3.3船体的变形对轴系校中的影响

船体的变形对轴系校中的影响不同状态下，因为载荷的不同，船体的变形程度也不尽相同。通常情况下，船体的变形对轴系轴段上轴承的垂直位置造成一定程度上的影响，也可能导致轴承的垂直的位置发生变化，同时也对推进轴系的工作安全产生很大程度上的影响。考虑到船体强度的因素，仅仅通过估算船体变形的方式是极为不准确的，并不能保证船体强度在实际运行过程中能在安全范围之内。通过对轴系校中和传统变形的分析，运用ANSYS软件通过有限元法提取出各种工况下轴承的垂直方向的变形，能够得到轴系中心的垂直结构对变形值合理计算的影响，找到理论的中心线，轴系中心线的垂直变形值是根据中心线的概念来进行确定的，不仅仅是垂直方向上的变形情况，包括在轴系中心线方向的变形都要在计算分析过程中考虑进去。船体在超负荷的状态下其体部的变形程度必然会变大，可以在这种过负荷状态下进行对推进轴系进行轴系校中，例如满载或者压载情况。轴系的后部艉轴支承点难以精准确定，在通过不同的润滑形式以及作用的方式下，大概估算一个预计的范围，并且根据这个范围进行轴系校中的合理计算分析，但是不能准确的反应出各个轴段在工作过程中实际状态下轴承所承受的负荷状态。所以，让所建立的计算模型能够尽可能的接近实际工作状态下轴承的情况，把尾部的轴承和轴之间的接触等效成多支承点进行校中计算。要简化后部艉轴承的方式就是采用多支承点的方法，使得后部艉轴承有很多个不相同的弹性支承点，所以节点处轴承的支承性质通常与一般轴承的不相同。通过对艉轴管的多点计算研究，从合理校中的理论基础出发，利用三弯矩方程法，可以准确的计算出轴系不同截面支点的多种数据。

2.4船舶推进轴系校中对回旋振动的影响研究

2.4.1轴承在工作的时候的实际受力

轴承在工作过程中的实际受力情况是非常复杂的，除了要考虑的轴承本身自重所带来的影响以外，同时必须考虑到因为螺旋桨的重量不均匀使船体产生变形而产生的其他惯性力，还有多种力矩来自轴系回转比并且是在弯曲状态下，由于轴系回转的速度的不同而引起整个轴系油膜支承力随之发生改变，且会影响到船舶推进轴系支承状态，以此方式来控制对外部的振动响应、各向异性、交叉耦合以及油膜轴承处的流体力学特性。在船舶推进轴系里面所使用的大型油膜轴承，我们用有限元法，三弯矩方程法和传递矩阵的方法来对轴承在校中过程中所承受的负荷进行计算，在把计算的结果根据雷诺方程，依据负荷的输入，求得油膜轴承的偏心率、欧克魏克数，计算出其他动力学的特定性质；根据负荷变化来求得近似解，把求得的最终结果结合轴系回旋振动状态下的实际模型中，来分析对轴承状态对于回旋震动的影响作用。

2.4.2轴线挠曲对回旋振动的影响研究

经过合理校中以后安装的推进轴系每一个支承变位都有所不同，这就导致在直线状态下相对均匀布置的载荷集中在一起，引起了轴线变化，逐渐变成弯曲状态，在法兰连接联轴器的时候不能做到对中，极易形成质量偏心、转轴弯曲，产生系统以内的不平衡力和不平衡力矩，让整个在轴系的工作状态发生不好的改变。通过轴段的中心平衡位置和轴段集合中心线、转轴质心各个点的瞬时位置的位置和角度关系，对节点的运动方程进行研究，能够求得不平衡力和不平衡矩的最大和最小值，再通过有限元法，能够在一定范围内反应挠曲不平衡对回旋振动的影响。

第3章 ANSYS软件介绍

3.1ANSYS介绍

ANSYS软件结合了结构、流体、电场、磁场、声场、分析于一体的有限元分析软件。非常广泛的用在土木业、石油开采、机器制造业、医学医疗、软件开发、新能源开发、电子信息科技、国防军事制造业、航天模拟、水利水电工程、造船业、汽车交通、海上交通、土日用家电等各种工业制造业以及科学研究领域。ANSYS软件不断的进行革新，同时也注重提升软件本身处理实际问题的能力，包括：高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。软件主要包括：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块是一个强大的实体建模以及网格划分工具，使用者可以很方便的构建有限元模型；分析计算模块包含了结构分析（可以进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、声场分析、压电分析以及电磁场分析和多物理场的耦合分析，可以模拟多种物理介质之间的相互作用，具有很灵敏的分析以及优化能力；后处理模块可以把计算结果通过彩色等值线显示，梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上单元类型，用于模拟工程中不同结构和材料。ANSYS有许多不同的版本，分别可以运行在从个人机到大型的多种计算机设备上，例如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。

3.2 ANSYS软件的特点及其使用步骤

3.2.1主要技术特点：

·强大的非线性分析功能

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