船舶轴系支撑基座结构设计与性能分析(附件)【字数：11221】
随着船舶向着大型化、高速化、人性化方向发展，其振动和噪声的控制也越来越受到人们的重视。船舶在运行过程中受到主机、螺旋桨等传来的激励，会产生不同程度的振动,当外界激励与系统固有频率相同时，船舶会发生共振。振动不仅降低乘客乘坐的舒适性，并且会对船员的工作效率和身心健康产生影响。此外，舰船上的高应力区在振动强烈时容易出现裂缝甚至疲劳破坏，这对船体结构的可靠性和安全性造成极大的危害。本课题的主要内容是设计出满足要求的主机支撑基座以及轴系支撑基座。首先是初步设计出符合要求的基座结构，然后通过有限元分析软件ANAYS对其进行静力学、模态以及谐响应分析，接着以江苏科技大学新校区实验室实体基座为对象，参考分析结果，对模型进行优化，使之满足使用要求。本文设计了一种主机支撑基座和一种轴系支撑基座,设计准则是江苏科技大学新校区《船舶轮机动力综合机舱实验室建设方案》。其中主机支撑基座采用了三种不同的板厚，分别为16mm、20mm和24mm，轴系支撑基座板厚为16mm，根据性能分析,16mm板厚的主机支撑基座和16mm板厚轴系支撑基座性能良好，能够明显降低主机以及轴系传递到船体的振动，不仅提高了轴系的安全系数和工作寿命，而且降低了机舱的噪声以改善机舱的工作环境。关键词轴系；支撑基座；有限元模型；减振
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国外对船舶基座的研究现状及问题 2
1.3国内对船舶基座的研究现状及问题 3
1.4 本课题的主要内容 4
第二章 基座的结构参数和分类 5
2.1 基座的常见分类 5
2.2 基座的主要结构参数 7
2.3 本章小结 8
第三章 基座的设计 9
3.1 基座设计的前提 9
3.1.1 船舶推进轴系以及主机的振动形式 9
3.1.2 基座减振降噪的原理 10
3.2 主机支撑基座的设计 10
3.3 轴系支撑基座的设计 14
3.4 本章小结 17
第四章 基座的性能分析 18
4.1 轴系支撑基座的性能分析 18
4.1.1 轴系基座的强度分析 18
4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
.1.1.1 ANSYS软件简介 18
4.1.1.2 网格的划分 20
4.1.1.3 轴系支撑基座的位移和变形及应力分析 21
4.1.2 轴系支撑基座的模态分析 23
4.1.3 轴系支撑基座的谐响应分析 24
4.2 主机支撑基座的性能分析 26
4.2.1 主机基座的强度分析 26
4.2.1.1 网格的划分 26
4.2.1.2 主机基座的位移和变形及应力分析 27
4.2.2 主机基座的模态分析 31
4.2.3 主机基座的谐响应分析 34
4.4 基座选型及评价 36
4.3 本章小结 37
结论与展望 38
致谢 40
参考文献 41
第一章 绪论
1.1 研究背景
随着舰船舶向着大型化、高速化和人性化方向发展，其振动和噪声的控制也越来越受到人们的重视，船舶在运行过程中会受到来自主机、螺旋桨等传来的激励，从而引起船体发生不同程度的振动；另外，船舶在运行过程中也会受到波浪和货物等各种载荷的作用，当外界激励与系统固有频率一致时也会引起船舶的振动。船体振动不仅降低乘客乘坐的舒适性，并且会对船员的工作效率和身心健康产生不良影响，除此之外，船上的一些设备及精密仪器在这种振动的干扰下也可能会暂时失真失灵，工作寿命缩短，甚至发生损坏，影响设备的正常运行[]。船舶上的高应力区在振动强烈时还容易出现裂缝甚至疲劳破坏，对船体结构的可靠性和安全性造成极大的危害。
船舶轴系是实现船舶主机与推进器（通常为螺旋桨）之间能量传递的重要系统，同时也将推进器产生的推力传递给船体，推进船舶前行。船舶推进轴系的主要部件有：螺旋桨轴、中间轴、推力轴、轴承、联轴器、齿轮箱以及尾轴管等。而这些设备以及这些设备的连接装置的运行稳定性将直接影响船舶轴系运行的稳定性。比如主机的不均匀力矩传递、安装上的不对中、材料的不均匀以及自身质量的不平衡将引起轴系的扭转振动和横向振动；波浪载荷引起船体总振动以及局部振动，从而导致船舶轴系支撑轴承位置的移动和相对刚度变化，引起轴系振动；螺旋桨的激振力以及齿轮箱中齿轮传递的不均匀力矩都可以使船舶的轴系产生扭转，横向、纵向以及它们的耦合振动。反之，轴系的振动又将引起船体的振动，导致船体结构破坏以及局部疲劳，影响机器设备的正常运转[]。因此研究船舶轴系振动的影响因素以及减振措施对有效控制轴系振动，保证船舶安全性、居住性和功能性都具有重要意义。
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图11 轴系振动对轴承的不良影响
1.2 国外对船舶基座的研究现状及问题
国外对船舶轴系振动研究较早，相关资料表明，其时间可以追溯到19世纪，其投入的资金也非常庞大，并且取得了巨大的成果。早在1860年，美国海军就已经进行了船体抗爆试验，以检测基座在船体遇到外界作用时所起到的减振将噪的作用。1874年8月，英国海军在朴次茅斯进行船体抗冲击试验 ，这是有资料记载以来最早的船舶机械设备抗冲击研究和第一次全面的水下爆炸试验[] 。之后，荷兰、日本、意大利、荷兰、德国等国家也都分别进行了水下爆炸试验，并且都形成了相关的抗冲击设计规范或标准。Panagopolus.E和Jasper.N.H研究并提出了计算推进轴系横向振动固有频率的简化公式，在设计时通过调整轴系的相关参数，就能够使共振临界转速远远避开了轴系运转转速。通过简化公式的计算，大体消除了轴系横向振动以及由此引起的相关事故，横向振动似乎已经不成问题[]。1981年，法国科学家Pingington通过长时间的研究发现，在低频段，影响因素主要是共振响应，而在高频段，影响船舶支撑基座输入机械阻抗的主要因素是其面板厚度[]。因此，在设计支撑基座时，在满足使用要求的前提下，适当增加基座的面板厚度，避免机械设备与基座发生共振，并且减小基座传递函数，能都明显减小主动力装置以及轴系传递到船体的振动。俄罗斯的阿斯尼基福罗夫通过采用抗合成的方法，研究了船舶在不同结构下支撑基座的阻抗估算公式，这为船舶支撑基座的快速设计提供了参考[]。随着计算机技术的快速发展，将有限元技术应用到支撑基座的研究中也越来越深入。有限元方法是在上世纪50年代作为解决固体力学问题出现的，传统有限元分析法是建立在瑞利—里茨法基础上的一种数值计算方法，最初是用于航空航天领域的强度、刚度计算，后来有限元
方法在复杂结构的强度、振动等反面的分析得到了非常广泛的应用，这也使得船舶等复杂工程结构的受力分析成为可能。对于船舶这样的大型复杂结构振动噪声问题，需要求解包含巨大矩阵的结构振动与声场耦合动力方程，计算的工作量相当大。1979年，LU等人首次使用了有限元软件，计算了不同结构基座的振动传递阻抗，并且通过实验证明了计算结果的准确性[]。后来随着船舶的大型化发展，出现的大型散装船、大型集装箱船、大型油轮以及超大型油轮，在设计时采用多推进轴系来提高推进效率，导致船体特别是船尾的刚度有所下降。船舶推进轴系中除了船体内部横截面中心线上的轴段，必定有较长的轴段离开船体深入水中由舷外托架支撑，其刚度通常比船体内轴承支撑刚度低。此外由于结构因素，这类轴系在布置时尾轴承的间距较长。上述因素都会引起船舶轴系振动的固有频率，使得轴系横向振动共振产生了可能性。
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第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国外对船舶基座的研究现状及问题 2
1.3国内对船舶基座的研究现状及问题 3
1.4 本课题的主要内容 4
第二章 基座的结构参数和分类 5
2.1 基座的常见分类 5
2.2 基座的主要结构参数 7
2.3 本章小结 8
第三章 基座的设计 9
3.1 基座设计的前提 9
3.1.1 船舶推进轴系以及主机的振动形式 9
3.1.2 基座减振降噪的原理 10
3.2 主机支撑基座的设计 10
3.3 轴系支撑基座的设计 14
3.4 本章小结 17
第四章 基座的性能分析 18
4.1 轴系支撑基座的性能分析 18
4.1.1 轴系基座的强度分析 18
4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
.1.1.1 ANSYS软件简介 18
4.1.1.2 网格的划分 20
4.1.1.3 轴系支撑基座的位移和变形及应力分析 21
4.1.2 轴系支撑基座的模态分析 23
4.1.3 轴系支撑基座的谐响应分析 24
4.2 主机支撑基座的性能分析 26
4.2.1 主机基座的强度分析 26
4.2.1.1 网格的划分 26
4.2.1.2 主机基座的位移和变形及应力分析 27
4.2.2 主机基座的模态分析 31
4.2.3 主机基座的谐响应分析 34
4.4 基座选型及评价 36
4.3 本章小结 37
结论与展望 38
致谢 40
参考文献 41
第一章 绪论
1.1 研究背景
随着舰船舶向着大型化、高速化和人性化方向发展，其振动和噪声的控制也越来越受到人们的重视，船舶在运行过程中会受到来自主机、螺旋桨等传来的激励，从而引起船体发生不同程度的振动；另外，船舶在运行过程中也会受到波浪和货物等各种载荷的作用，当外界激励与系统固有频率一致时也会引起船舶的振动。船体振动不仅降低乘客乘坐的舒适性，并且会对船员的工作效率和身心健康产生不良影响，除此之外，船上的一些设备及精密仪器在这种振动的干扰下也可能会暂时失真失灵，工作寿命缩短，甚至发生损坏，影响设备的正常运行[]。船舶上的高应力区在振动强烈时还容易出现裂缝甚至疲劳破坏，对船体结构的可靠性和安全性造成极大的危害。
船舶轴系是实现船舶主机与推进器（通常为螺旋桨）之间能量传递的重要系统，同时也将推进器产生的推力传递给船体，推进船舶前行。船舶推进轴系的主要部件有：螺旋桨轴、中间轴、推力轴、轴承、联轴器、齿轮箱以及尾轴管等。而这些设备以及这些设备的连接装置的运行稳定性将直接影响船舶轴系运行的稳定性。比如主机的不均匀力矩传递、安装上的不对中、材料的不均匀以及自身质量的不平衡将引起轴系的扭转振动和横向振动；波浪载荷引起船体总振动以及局部振动，从而导致船舶轴系支撑轴承位置的移动和相对刚度变化，引起轴系振动；螺旋桨的激振力以及齿轮箱中齿轮传递的不均匀力矩都可以使船舶的轴系产生扭转，横向、纵向以及它们的耦合振动。反之，轴系的振动又将引起船体的振动，导致船体结构破坏以及局部疲劳，影响机器设备的正常运转[]。因此研究船舶轴系振动的影响因素以及减振措施对有效控制轴系振动，保证船舶安全性、居住性和功能性都具有重要意义。
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图11 轴系振动对轴承的不良影响
1.2 国外对船舶基座的研究现状及问题
国外对船舶轴系振动研究较早，相关资料表明，其时间可以追溯到19世纪，其投入的资金也非常庞大，并且取得了巨大的成果。早在1860年，美国海军就已经进行了船体抗爆试验，以检测基座在船体遇到外界作用时所起到的减振将噪的作用。1874年8月，英国海军在朴次茅斯进行船体抗冲击试验 ，这是有资料记载以来最早的船舶机械设备抗冲击研究和第一次全面的水下爆炸试验[] 。之后，荷兰、日本、意大利、荷兰、德国等国家也都分别进行了水下爆炸试验，并且都形成了相关的抗冲击设计规范或标准。Panagopolus.E和Jasper.N.H研究并提出了计算推进轴系横向振动固有频率的简化公式，在设计时通过调整轴系的相关参数，就能够使共振临界转速远远避开了轴系运转转速。通过简化公式的计算，大体消除了轴系横向振动以及由此引起的相关事故，横向振动似乎已经不成问题[]。1981年，法国科学家Pingington通过长时间的研究发现，在低频段，影响因素主要是共振响应，而在高频段，影响船舶支撑基座输入机械阻抗的主要因素是其面板厚度[]。因此，在设计支撑基座时，在满足使用要求的前提下，适当增加基座的面板厚度，避免机械设备与基座发生共振，并且减小基座传递函数，能都明显减小主动力装置以及轴系传递到船体的振动。俄罗斯的阿斯尼基福罗夫通过采用抗合成的方法，研究了船舶在不同结构下支撑基座的阻抗估算公式，这为船舶支撑基座的快速设计提供了参考[]。随着计算机技术的快速发展，将有限元技术应用到支撑基座的研究中也越来越深入。有限元方法是在上世纪50年代作为解决固体力学问题出现的，传统有限元分析法是建立在瑞利—里茨法基础上的一种数值计算方法，最初是用于航空航天领域的强度、刚度计算，后来有限元
方法在复杂结构的强度、振动等反面的分析得到了非常广泛的应用，这也使得船舶等复杂工程结构的受力分析成为可能。对于船舶这样的大型复杂结构振动噪声问题，需要求解包含巨大矩阵的结构振动与声场耦合动力方程，计算的工作量相当大。1979年，LU等人首次使用了有限元软件，计算了不同结构基座的振动传递阻抗，并且通过实验证明了计算结果的准确性[]。后来随着船舶的大型化发展，出现的大型散装船、大型集装箱船、大型油轮以及超大型油轮，在设计时采用多推进轴系来提高推进效率，导致船体特别是船尾的刚度有所下降。船舶推进轴系中除了船体内部横截面中心线上的轴段，必定有较长的轴段离开船体深入水中由舷外托架支撑，其刚度通常比船体内轴承支撑刚度低。此外由于结构因素，这类轴系在布置时尾轴承的间距较长。上述因素都会引起船舶轴系振动的固有频率，使得轴系横向振动共振产生了可能性。
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