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基于有限元和多体动力学某船推进系统振动特性仿真分析

作　者: 陈明华
导　师: 苏石川
学　校: 江苏科技大学
专　业: 轮机工程
关键词: 船舶推进系统 有限元 多体动力学 振动特性
分类号: U664.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


船舶推进系统是整个船舶动力装置的最重要系统之一，其性能及其可靠性直接关系到船舶航行的安全性。近年来船舶向大型化、高效化等方向发展，对船舶推进系统的可靠性提出了更高的要求。因此研究船舶推进系统的振动特性对提高其可靠性，减小并控制其振动都有重要意义。本文以某25000吨化学品船推进系统为研究对象，分别研究了其固有振动特性和外载荷下的强迫振动响应。主要包括了以下内容；首先，建立了该船推进系统的全轴系三维有限元模型，基于有限元方法对其进行了计算模态分析。得到其固有频率和固有振型。分析得出该船推进系统的一阶模态频率可能引起共振现象，对应主机转速为52.2r/min。船舶推进轴系以弯曲变形为主，并且弯曲变形最大的部位出现在螺旋桨和艉轴处。其次，根据该船船推进系统的布置参数，建立了包含主机、轴系、螺旋桨等部件的船舶推进系统非线性多体动力学模型，各体单元间采用非线性弹簧阻尼单元连接，加载了主机燃气压力和螺旋桨激振力，仿真计算分析了该船推进系统在额定转速下的振动响应。对曲轴、轴系和螺旋桨的振动响应进行了分析，得到以下结论：1、曲轴相对最大扭转角位移为0.013rad，曲轴纵向振动为周期性伸缩振动，由曲轴输出端到自由端逐渐增强，自由端纵向振动最大位移值为8.35mm。弯曲振动相对扭转振动和纵向振动较弱，其最大弯曲变形位移为0.68mm。四缸发火时，曲轴三维耦合振动最为强烈。2、推进轴系水平方向的位移响应呈正负规律交替，竖直方向由于轴系自身重力的原因，位移相应基本都为负值，轴向位移响应由于轴向推力的原因，始终偏向主机端。螺旋桨载荷对艉轴影响最大，艉轴后轴承和螺旋桨之间的艉轴轴系的振动响应最大。其水平方向响应峰值为0.52mm，竖直方向最大位移响应为1.56mm。轴向最大位移响应为14.60mm。3、螺旋桨的水平方向最大位移响应为1.58mm，竖直方向最大位移响应为5.66mm，轴向最大位移响应为15.13mm。

全文目录


摘要  6-7
ABSTRACT  7-8
目录  8-12
第一章 绪论  12-18
  1.1 研究背景及意义  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-15
    1.2.1 主机曲轴研究现状  13-14
    1.2.2 船舶推进轴系研究现状  14-15
  1.3 研究内容与方法  15-18
第二章 船舶推进系统的模型与载荷  18-42
  2.1 理论基础  18-21
    2.1.1 有限元  18-19
    2.1.2 多体动力学基本理论  19-21
  2.2 弹性体单元的有限元模型  21-28
    2.2.1 有限元模型  21-28
    2.2.2 弹性体有限元的缩减  28
  2.3 船舶推进系统多体动力学模型  28-36
    2.3.1 搭建推进系统的多体动力学模型  29-30
    2.3.2 轴系全局参数的定义  30
    2.3.3 定义体单元  30-31
    2.3.4 定义非线性连接单元  31-36
  2.4 船舶推进系统的载荷  36-40
    2.4.1 气缸燃气压力  37
    2.4.2 螺旋桨激振力  37-40
  2.5 本章小结  40-42
第三章 船舶推进系统固有振动特性的计算分析  42-48
  3.1 结构动特性的有限元法  42-43
  3.2 模型  43-44
  3.3 边界约束条件  44
  3.4 计算分析  44-47
  3.5 本章小结  47-48
第四章 船舶主机曲轴耦合振动的分析  48-58
  4.1 多体动力学结果校验  48-51
    4.1.1 连杆大端轴承受力分析  48-49
    4.1.2 曲轴全局运动位移分析  49-51
  4.2 曲轴三维耦合振动分析  51-56
    4.2.1 曲轴扭转振动分析  52
    4.2.2 曲轴纵向振动分析  52-54
    4.2.3 曲轴弯曲振动分析  54-56
    4.2.4 曲轴耦合振动分析  56
  4.3 本章小结  56-58
第五章 船舶推进轴系振动响应的分析  58-64
  5.1 艉轴  58-59
  5.2 中间轴  59-62
  5.3 螺旋桨  62-63
  5.4 本章小结  63-64
第六章 结论与展望  64-66
  6.1 结论  64
  6.2 展望  64-66
参考文献  66-70
攻读学位期间发表的论文  70-71
致谢  71

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中图分类: > 交通运输 > 水路运输 > 船舶工程 > 船舶机械 > 船舶推进装置
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