水中轴-壳耦合系统振动特性分析毕业论文

2020-02-19 09:02

摘要

隐身性能一直是水下航行器研究的重要内容，而提高隐身性能中一项重要内容便是噪声控制，研究耦合系统振动产生机理和振动特性对提高隐身性能有重要意义。早期研究主要是轴系或壳体子系统的振动机理研究，近几十年开始了耦合系统研究。本文通过学习现有研究机理和方法，进行了水下轴壳耦合系统的振动特性分析，并分析了轴承刚度和肋板对振动特性的影响。

首先，根据轴壳耦合系统结构特点和主要研究内容对模型进行简化，建立轴系子系统和轴壳耦合系统有限元模型，计算了不同模型的模态和受迫振动响应，并进行对比分析。发现垂向振动在轴系上轴向传递过程中没有很大变化，基座对振动传递有较大的影响，壳体的局部模态使得壳体振动响应变得复杂，更容易产生振动噪声，壳体上的纵横耦合振动现象明显。同时，分析了弹簧刚度和纵肋骨和以及横肋骨对振动特性的影响，发现弹簧刚度越大，振动传递越高。

最后，在Virtual.lab Acoustics中建立了水下轴壳耦合系统边界元模型，计算了水下耦合系统振动响应，通过对比发现水对壳体的受迫振动响应有一定的消减作用。

关键词：轴-壳耦合系统；振动特性；有限元；受迫振动

Abstract

Stealth performance always is an important part of underwater vehicle research. An important part of improving stealth performance is noise control. It is important to study the vibration generation and vibration characteristics of coupled systems to improve stealth performance. Early research was mainly about the vibration mechanism of the shafting or shell subsystem, the coupling system research began in recent decades. In this paper, by studying the existing research mechanism and method, analyzed the vibration characteristics of the underwater shaft-shell coupling system , and the influence of bearing stiffness and rib on vibration characteristics.

Firstly, according to the structural characteristics and main research contents of the shaft-shell coupling system, simplified the model and established the finite element model of the shafting subsystem and the shaft-shell coupling system , calculated and compared the modal and forced vibration responses of different models. It is found that the vertical vibration does not change much during the axial transmission on the shafting system, and the pedestal has a great influence on the vibration transmission. The local modality of the casing makes the vibration response of the casing complex and more likely to generate vibration and noise. The longitudinal and transverse coupling vibrations on the casing are obvious. At the same time, analyzed the effects of spring stiffness and longitudinal ribs and transverse ribs on vibration characteristics. It was found that the greater the spring stiffness, the higher the vibration transmission.

Finally, established the boundary element model of the underwater shaft-shell coupling system in Virtual.lab Acoustics, and calculated the vibration response of the underwater coupling system. It is found that the water has a certain reduction effect on the forced vibration response of the shell.

Key Words：shaft-shell coupling system; vibration characteristics; FEM(Finite Element Method); forced vibration

第一章绪论 1

1.1背景及意义 1

1.2 研究现状 1

1.2.1轴系振动的研究现状 1

1.2.2圆柱壳振动的研究现状 2

1.2.3轴-壳耦合系统的研究现状 3

1.3本文研究主要内容 3

第二章轴-壳体耦合系统建模及模态分析 5

2.1振动研究方法 5

2.1.1解析法 5

2.1.2有限元法 5

2.1.3边界元 6

2.2单轴系统有限元模型及模态分析 6

2.3轴壳耦合系统模型的建立及模态分析 10

2.4本章小结 15

第三章无水轴-壳耦合系统受迫振动分析 16

3.1单轴系统受迫振动响应分析 16

3.2轴壳耦合系统受迫振动响应分析 17

3.3系统参数和结构对耦合系统振动特性的影响 23

3.3.1弹簧刚度对振动特性的影响 23

3.3.2肋板对振动特性的影响 25

3.4本章小结 29

第四章水中轴壳耦合系统建模及受迫振动分析 30

4.1水下耦合系统建模 30

4.2螺旋桨位置垂向激励下耦合系统受迫振动响应 32

4.4本章小结 33

第五章全文总结 34

5.1工作总结 34

5.2 研究展望 34

参考文献 36

致谢 39

第一章绪论

1.1背景及意义

上世纪初，近现代战争中，水下航行器便得到应用，尤其在二战后，它在国土防卫和反击的出色表现，世界各国都对其十分重视，水下航行器逐渐成为海军中不可或缺的武器。自现代船舶发展以来，以其大承载量、低运价的特点，成为了远洋货运的的主要方式，极大的促进了经济发展及地区交流，成为当今世界经济发展不可或缺的一部分。

随着国家实力的不断提升，海洋强国战略进一步落实与发展，发展海军及海运成为近几十年的一项重要任务。潜艇凭借其强隐蔽性和发起突击的特点，在国防事业中起着不可或缺的作用；海运又是全球货运的主要形式，是国家经济发展的重要推手。潜艇执行突击任务要求较高的隐蔽性，良好的隐蔽性也可以为潜艇提供生存保障，因此隐蔽性是潜艇性能的重要评价指标之一。由于声音在水中传播衰减慢，因而根据声学特性来寻找水下潜艇成为如今反潜技术中的主要方式，而潜艇不可避免的会产生振动，进而引起噪声，严重威胁其隐蔽性。在货运船舶中，振动会使机器设备的工作状态变差，振动噪声也会影响工作人员的工作状态及身体健康，在海洋环境中也会威胁到海洋生物生存与繁殖.综上所述研究轴系振动、壳体振动、水下轴-壳耦合系统振动，无论对于舰艇设计研究，还是对于海员生活工作条件改善，以及海洋环境保护都有着重要的意义。

1.2 研究现状

1.2.1轴系振动的研究现状

轴系横向振动问题的研究开始的较早，在船尾不均匀伴流场中运转的螺旋桨，会产生按叶频周期变化的流体力，使轴系产生横向振动。其次，螺旋桨的不平衡离心力、螺旋桨偏心质量也会引起轴系横向振动。陈之炎^[1]在其著作中较全面的论述了轴系振动问题，给出了轴系纵、横、扭振动的计算方法，在此基础上，提出了轴系振动的影响因素、消减措施。李文龙^[2] 改进了傅里叶级数，并运用于梁的横向振动分析；周海军^[3]将多跨距变轴颈推进轴系简化成任意弹性边界条件的多跨梁，在李文龙的方法上，计算了其横向自由振动特性。刘志刚、王传薄^[4]等人对轴系横向振动进行了一系列的研究。目前对轴系的横向研究还是比较深入的。

轴系纵向振动的计算方法主要有传递矩阵法、有限元法. Lee^[5]用计算梁的假设模态法，将其运用于计算轴系振动上，结合哈密尔顿原理，计算了不对称轴模型的纵向振动，周瑞^[6]等人利用传递矩阵推导了轴系纵向振动自由振动特性，孙洪军等采用有限元法进行了推进轴系的振动响应特性研究。

轴系振动除了横、纵、扭的振动外，还存在他们之间的相互耦合振动，即扭转纵向耦合振动、弯扭耦合振动、纵向横向耦合振动、扭转纵向横向耦合振动。

1.2.2圆柱壳振动的研究现状

最早的研究是从无限长圆柱壳开始，研究表明浸在水中的圆柱壳的固有频率将大幅度降低。

Forsberg^[7]对有限长壳体的振动研究，比较完备，研究了边界条件和加强筋对柱壳振动的影响。Bernbit^[8]研究了加强筋间距的对圆柱壳体的声辐射的影响，结果表明环肋间距会影响共振频率。

国内学者对圆柱壳的振动和声辐射研究也取得了一定成绩，刘涛^[9]等人研究了水中无限长圆柱壳体的声辐射问题，汤渭霖、何兵蓉^[10]用解析法分析了水中有限长加肋圆柱壳振动和声辐射。陈美霞^[11]采用Helmholtz波动方程、壳体表面的边界条件和Fourier变换推导了有限长加筋双层圆柱壳的环形流场和外流场的声压表达式。殷学文^[12]采用近似法和解析法研究了有内部结构的复合材料壳体的振动和声辐射间题，深入分析复合材料壳体的水下振动和声辐射特性。

1.2.3轴-壳耦合系统的研究现状

对耦合系统的研究刚刚开始，国外对此类问题的研究较国内开展的要早。Missaouil^[13]等建立了结构的变分方程，用弹簧模拟结构耦合。Guo^[14]研究了内部结构对结构振动的影响，Jie Pan^[15]等展开实验法，测试了螺旋桨脉动推力激励下的轴系轴向振动，在此基础上，A.James^[16]测试了轴向力激励下圆柱壳的振动特性。

在国内，哈尔滨工程大学最先开始了对轴壳耦合系统的研究，曹贻鹏^[17]和张文平建立带有推进轴系的潜艇艉部有限元模型，用FEM/BEM方法研究了轴系纵向振动横向振动下艇体艉部声辐射效应，并分析了螺旋桨激励力的传递路径对振动和声辐射的影响；谢基格^[18]采用梁模型对艇体结构进行建模，计算并比较了螺旋桨的纵向、横向激励力下的响应特性，并提出了振动控制措施。

1.3本文研究主要内容

早期研究学者主要对轴-壳耦合系统的研究为分离系统分析，大多单独分析单轴系统振动特性或者壳体子系统振动特性，对于耦合系统的综合分析较少；近几年在轴-壳耦合系统振动分析上有学者开始进行综合分析，对振动传递分析及振动控制方法有了一定成果。本文研究主要是在前期学者的研究基础上，学习其研究分析思想和结果分析思路，然后自己进行轴-壳耦合系统有限元模型的建立，进行模态计算和受迫振动，进行结果振动分析，总结振动传递特点和影响因素。

本文以轴系-壳体耦合系统为研究对象，建立建立单轴系统和轴-壳耦合系统有限元模型，对轴向子系统和耦合系统进行模态计算和受迫振动计算，讨论分析轴-壳耦合结构的振动特性和振动传递特点；在Virtual.lab Acoustic里建立水下耦合系统边界元模型，分析系统水下振动特点。具体工作分为以下五章：

第一章介绍轴-壳耦合系统的振动研究意义，学习本课题中单轴系统、壳体子系统和耦合系统的国内外研究现状，研究成果。确定本文主要研究内容及分析线路。

第二章介绍振动研究的一些方法，根据分析的内容对轴系系统和壳体进行模型简化和单元替换，建立单轴系统和无水轴-壳耦合系统有限元模型，对不同的模型进行了模态计算并加以分析。

第三章在在不同模型的螺旋桨位置施加垂向激励，根据振动的传递路径，提取不同点的振动响应曲线，进行对比，分析振动传递特点；改变弹簧刚度，分析轴承基座对垂向激励振动响应的影响；对模型增加肋骨，分析周向肋骨和轴向加强筋对垂向和轴向激励振动传递的影响。

第四章先在ANSYS里建立流固耦合表面网格，导出耦合模型模态结果和流固耦合表面网格，导入到Virtual.lab Acoustics里建立水下耦合系统模型，计算水下激励响应，并和无水耦合模型激励响应进行对比，分析流体对激励振动响应的影响。

第五章对本文轴壳耦合系统振动分析的内容和结果进行总结，指出分析设计的不足。

第二章轴-壳体耦合系统建模及模态分析

2.1振动研究方法

2.1.1解析法

解析法是一种将结构振动问题转化为数学物理问题，列出系统运动方程并求解其运动的方法，是解决结构振动问题使用最早的方法，解析法由于概念定义清晰、便于将系统拆分组合、能将复杂问题分解分析、便于揭示振动特性的影响因素等优势一直受到国内外学者的重视。但解析法对于复杂模型推导繁琐甚至无法建立，常常在实际工程中无法得到解析解；解析式建立过程的一些假设常常不够合理；模型不当的简化也会忽略掉部分重要影响因素：这些原因也使得解析法的适用性及准确性受到了一定的限制。

对于振动问题，常将模型简化为杆、梁、板、柱壳以及球壳等简单、规则的结构及其组合进行推导，常用的具体方法包括傅里叶级数展开法、模态叠加法、变分法等。

2.1.2有限元法

有限元法（FEA）最早提出于十九世纪六十年代，随着学者的不断改进以及计算机的快速发展，有限元法已经成为目前应用最广泛的方法、最有效的振动分析方法。

有限元法相对于其他方法有其独特的特点。首先，有限元法对各种几何结构普遍适用；其次，它对于弹塑性问题、动力问题、屈曲问题以及流体问题、热传导问题等都可以普遍应用；再次，有限元方法是建立在严格的理论推导之上的，可靠性较高；最后，有限元方法在计算机中实现较为容易。应用较广的有限元软件包括ANASYS、ABAQUS，NASTRAN等。

2.1.3边界元

边界元法（BEM）是解决积分形式线性偏微分方程的一种数值解法。边界元法由有限元法发展而来，因此同样可以适用于流体问题、声学问题、电磁学问题等工程和科学领域。

边界元与有限元使用范围相似，但是边界元法只在研究系统的外部边界上划分出单元，不用关心内部特征，并用函数控制其边界条件，因此边界元法划分单元的数量相对较少。对于带有小平面（体积）比的模型，边界元法常常比包括有限元法在内的其他数值方法更加有效；除此之外，边界元更适用于无限域问题的求解，是分析系统声辐射的有效工具。