摘 要

本文以某大型TEU船推进轴系为研究对象，运用有限元理论和转子动力学理论进行轴系动力方程建立与分析。借助于ANSYS有限元软件，本文分别进行了螺旋桨缺损工况对轴系振动特性影响，以及转速调整、尾轴承刚度波动等影响下陀螺效应对轴系回旋振动特性影响仿真。本文的主要研究工作和结论如下：

（1）研究螺旋桨缺损工况对轴系振动特性影响，建立SOLID实体单元模型，通过对桨叶不同程度缺损、缺损不同位置桨叶、不含螺旋桨这三种工况进行模态分析，得到不同工况下的固有频率及振型，并对数据进行了对比分析。

研究结果表明，当某一桨叶缺损越严重时，其轴系各阶的固有频率增加，反之亦然；相邻2桨、间隔2桨、对称2桨的缺失都会引起轴系各阶固有频率的增加，但这三种缺失工况下固有频率相差并不大；当螺旋桨掉落时，轴系各阶固有频率明显增加。

（2）研究螺旋桨陀螺效应对轴系回旋振动特性影响，建立BEAM梁单元模型，通过模态分析计算其额定转速下的轴频、叶频和倍叶频的临界转速；分别改变转速、后尾轴承垂直和水平刚度，进行含科氏力的模态分析和谐响应分析，并对结果进行了比较分析。

其主要研究结果表明，当轴系后尾轴承某一方向上的刚度降低时，在螺旋桨陀螺效应作用下，相对于不计陀螺效应的横向振动而言，逆回旋固有频率进一步降低，但正回旋固有频率对此变化不敏感，只体现出陀螺效应的影响；当后尾轴承某方向上刚度单独降低时，该方向上的最大响应位移远远大于刚度各向同性时该方向上的最大响应位移。

本文的特色：在研究螺旋桨缺损工况时，对螺旋桨进行选型设计，并进行了精确建模，而不是用圆盘或者质量单元进行简化；在研究陀螺效应对回旋振动特型影响时，把轴承刚度视为各向异性，这与之前把轴承视为刚性或者各向同性有很大突破。

关键词：船舶轴系；回旋振动；陀螺效应；有限元；转子动力学

Abstract

This paper takes a container ship as the research object, using the finite element theory and the rotor dynamics theory, establishes and studies the shaft power equation. with ANSYS finite element software，this article is mainly to study the influence of propeller defect conditions to the characteristics of ship shafting vibration and the gyroscopic effect to characteristics of whirling vibration of ship shaft under different rotational speed and the bearing stiffness of tail bearing. The results have certain reference significance for ship shafting design and navigation operation. The main research work and conclusions are as follows：

(1)When studying the propeller defect conditions, model of SOLID element model is established. By varying degrees of blade defects、missing blades in different positions and with or without propeller, the modal analysis was conducted, the inherent frequency and vibration mode under different working conditions were derived, and the data were compared and analyzed.

The main conclusions of this article are as follows, the more serious when a blade defect, its shafting natural frequency increases and vice versa; when 2 adjacent paddles or 2 interval paddles or 2 symmetry paddles are lacked, each order inherent frequency increases, but inherent frequency difference of this three conditions is not large; when the propeller fall, shafting natural frequency increases obviously.

(2)When studying the propeller gyroscopic effect, BEAM element model is set up. By changing speed and vertical and horizontal stiffness, do modal analysis considering Coriolis force and harmonic response analysis.

The main conclusions of modal analysis are as follows, when the stiffness of tail-shaft bearing reduces in a certain directions, under the influence of the propeller gyroscopic effect, with respect to the transverse vibration that not considering gyroscopic effect, the reverse whirling frequency decreases further obviously, but the positive whirling inherent frequency is sensitive to the gyroscopic effect rather than the stiffness. When the stiffness of tail-shaft bearing decreases in a certain directions, the maximum response displacement is far greater than the isotropic stiffness.

Features of this article: When propeller defect conditions is analyzed, accurate model of propeller is established, rather than using a disk or simplifying with the quality unit; When analyzing the propeller gyroscopic effect, I assume that stiffness of tail-shaft bearing is different in different directions, this is a big breakthrough comparing assuming bearing as rigid or isotropic in all directions.

Key Words：Shipping shaft system; whirling vibration; The gyroscopic effect; Finite element; Rotor dynamics

目 录

第 1 章 绪 论 1

1.1 船舶轴系振动研究背景及意义 1

1.2 船舶轴系国内外研究现状 2

1.2.1 针对不同振动类型的研究 2

1.2.2 针对不同工况下研究 2

第 2 章 基本理论 4

2.1 本文的研究内容、方法和技术路线 4

2.1.1 研究内容 4

2.1.2 研究方法 4

2.1.3 技术路线 13

2.2 船舶轴系振动理论 14

2.2.1 介绍船舶轴系振动的三种类型 14

2.2.2 介绍船舶不同工况 14

第 3 章 缺损工况下轴系振动分析 17

3.1 基本参数及模型建立 17

3.1.1 研究对象基本参数 17

3.1.2 SOLIDWORKS中建立推进轴系实体模型 18

3.1.3 HYPERMESH中对推进轴系进行网格划分 19

3.1.4 ANSYS中建立推进轴系的有限元模型 19

3.2 船舶轴系固有振动特性 20

3.2.1 轴系振动的固有频率 20

3.2.2 船舶轴系振型图 22

3.3 不同工况下轴系振动 23

3.3.1 螺旋桨缺损 23

3.3.2 螺旋桨掉落 26

第 4 章 陀螺效应下螺旋桨对回旋振动特性影响分析 28

4.1 模型的建立 28

4.1.1 ANSYS有限元模型单元的选择 28

4.1.2 模型的简化 29

4.2 固有振型、临界转速分析 30

4.2.1 额定转速、刚度下该船轴系回旋振动特性 30

4.2.2 不同转速下回旋振动固有频率分析 33

4.2.3 不同刚度下轴系回旋振动特性分析 36

4.3 谐响应分析 48

4.3.1 额定转速、刚度下振动响应评估 48

4.3.2 不同轴承刚度下回旋振动响应评估 49

第 5 章 总结和展望 52

5.1 总结 52

5.2 展望 53

参考文献 54

致 谢 55

绪 论

船舶轴系振动研究背景及意义

船舶推进轴系是船舶动力系统的重要组成部分，其主要功能是将舰船发动机的能量传递给推进器，同时又将推进器产生的轴向推力通过轴系、轴承座等传给船体，推动船舶向前行进。

轴系在运行过程中会受到柴油机（主机端）、螺旋桨（推进器）以及船体激励的影响，在这些外界激振力和激振力矩的作用下推进轴系会发生强迫振动。当激励的频率与轴系固有振动频率接近时，轴系将会达到共振，振动程度大幅增大，这不仅会导致轴系运行不稳定，还会引起主机的故障，甚至船体振动，这些都将威胁船舶的航行安全，影响到船员旅客舒适度^[1]。近年来，由于船舶的大型化和高速化，轴系振动引起的危害越来越严重。

从海洋国防角度以及航运角度看，研究轴系振动的机理，据此实施合理的减振防振措施，对于保证轴系正常工作、船舶航行安全以及保证船员旅客舒适度意义重大；而从技术—经济角度看通过轴系的合理设计和安装，能够提高轴系稳定运行性，提高使用年限，减少轴系和主机故障率，进而取得一定经济效益，这对于商用船舶来说意义重大。某船舶轴系示意图如图1.1所示。

图 1.1 轴系布置示意图

船舶轴系国内外研究现状

针对不同振动类型的研究

1. 扭转振动