舰船动力轴系冲击响应性能分析

摘 要：介绍了舰船轴系冲击激励的类型、基于有限元法建立的轴系冲击动力学模型以及基于有限元法在MATLAB平台上开发的舰船轴系动力学及冲击性能仿真平台(SHAFTFE)的基本功能,用SHAFTFE建立了一个包括推进轴系、推进电机和推进电机隔振器在内的整个动力轴系模型,计算了在不同冲击强度和动力轴系参数条件下整个动力轴系的冲击性能,分析了动力轴系的结构设计参数对动力轴系冲击性能的影响。结果表明,动力轴系在冲击作用下会出现较大的位移,因此在舰船动力轴系的设计中必须对轴系的冲击特性引起足够的重视,以增强整船的可靠性和生存能力。     

舰船设备抗冲击能力的可靠性分析

在进行舰船设备系统抗冲击设计及优化分析中,必须要确定舰船设备的抗冲击能力值,而影响设备冲击响应的多种随机因素使设备抗冲击能力具有随机性。本文提出了考虑各种随机因素影响的设备抗冲击能力可靠性的定义和分析方法,结合神经网络建立了设备冲击响应预测模型,在数值冲击试验基础上,结合Monte Carlo法分析了典型舰船设备抗冲击能力的统计特征。分析方法和结果可为今后舰船设备及系统的抗冲击性能分析、舰船系统抗冲击性能评估提供参考。     

带限位隔离系统抗冲击性能分析

为了提高舰载设备的抗冲击性能,改善限位参数不匹配造成的二次冲击问题,利用ANSYS中带有间隙的弹簧单元构建带限位隔离系统的仿真计算模型,分析阻尼参数尤其是大阻尼限位对隔离系统冲击响应的影响。研究结果表明:对于任意一确定刚度比,即限位器与隔离器的刚度之比,都存在一个最优阻尼比,使得隔离系统的加速度响应幅值最小,并且最优阻尼比随刚度比增大而增大。适当的限位器阻尼可改善隔离系统的冲击性能,特别是大阻尼限位系统不仅能够有效限制相对位移响应幅值,而且能够大幅降低加速度响应幅值,有效提高舰载设备的抗冲击性能。     

基座刚度对设备隔振器限位引起的二次冲击影响特性研究

隔振器作为舰用设备抗冲击的重要防护手段被广泛应用,而带有限位功能的隔振器在特定情况下所产生的二次冲击问题也是目前抗冲击设计所关注的主要问题之一。带有限位功能的隔振器可能会产生二次冲击效应,因此合理选择限位器刚度及设置限位位移,以确保冲击响应允许的条件下合理选择两种参数。同时,在研究设备抗冲击性能时是否考虑设备安装基座刚度,对设备抗冲击研究结果影响较大。以单自由度和双自由度无阻尼系统为研究对象,基于分段函数研究的方法,分析基座刚度对冲击响应的影响及不同限位器刚度及限位距离对冲击响应的影响,提供更为准确选择限位隔振器的依据。     

船舶推进轴系的扭转-纵向冲击响应

以某柴油机推进轴系为例,建立了扭转-纵向冲击有限元模型,加入柴油机曲轴和螺旋桨附水引起的扭纵耦合效应,研究了扭纵耦合轴系的自由振动和扭转-纵向冲击响应,并与无耦合轴系结果进行对比,分析了扭纵耦合效应对推进轴系自由振动和冲击响应的影响。结果表明,扭纵耦合效应对推进轴系的固有频率影响不大,但它明显地影响了冲击响应,扭纵耦合下,单一类型(扭转或纵向)冲击会同时激发纵向和扭转振动,并且引起较大的位移和扭矩波动,威胁轴系运行安全。因此船舶推进轴系的扭转-纵向冲击在设计阶段应予以足够的重视。     

高温与冲击耦合作用下双钢管混凝土柱动态响应数值模拟研究EI北大核心CSCD

为研究双钢管混凝土(concrete-filled double-tube,CFDT)柱在高温下的抗冲击性能,利用ABAQUS有限元软件建立CFDT柱在高温与冲击耦合作用下的有限元模型,考虑材料的温度软化、应变率强化效应以及轴力的影响,并通过已有CFDT柱的火灾试验和常温下侧向冲击试验进行了分段验证。在此基础上,从冲击力、跨中位移、荷载分布情况与损伤演化等方面分析了不同温度下CFDT柱的抗冲击动态响应,并考虑了不同截面形式、轴压比、冲击速度和混凝土强度对CFDT柱抗冲击性能的影响。研究结果表明,在高温与冲击耦合作用下,CFDT柱主要呈现弯曲破坏,随着温度升高,CFDT柱抗冲击性能和抗弯承载力逐渐降低。CFDT柱的耐火极限是普通钢管混凝土柱的2.1倍。轴力对CFDT柱抗冲击性能产生不利影响,当轴压比从0增加到0.6,高温800℃时构件冲击力平台值下降了32.4%;混凝土强度对高温下CFDT柱抗冲击性能有显著影响,高温800℃时混凝土强度由40 MPa增加到60 MPa,构件冲击力平台值提高了22.8%。     

考虑支承动刚度的船舶轴系横向冲击响应计算

对船舶轴系进行冲击响应计算，通常在轴架支承处采用弹性边界处理，取一个近似的支承静刚度。采用实验方法对某舰尾轴架进行动刚度测量，得到了前尾轴架和后尾轴架的横向动刚度曲线。以此为基础，对该舰的轴系，建立了有限元模型，轴架支撑处横向动刚度用广义弹簧-阻尼器系统进行模拟，计算了在横向冲击作用下考虑动刚度效应的轴系横向冲击响应。     

轧机非线性传动系统冲击扭振的研究与抑制

以轴系含非线性阻尼和非线性刚度的两惯量轧机主传动系统为研究对象,建立其在冲击扰动作用下的动力学方程。分析了该系统的稳定性,得到了阻尼与刚度对系统稳定性的影响关系。采用多尺度法求解系统的一阶近似解,得到系统的扭转冲击响应,并通过对其进行数值仿真,讨论了主传动轴系阻尼非线性和刚度非线性对轧机传动系统冲击响应的影响规律,从而找出轧机系统冲击减振的方法。研究结果为抑制冲击扰动引起的轧机轴系扭转振动提供一定理论指导。     

典型部件对舰船管路系统抗冲击性能影响研究

随着舰船管路系统作用的日益重要,其抗冲击安全性能也受到了广泛关注。为掌握管系结构中典型部件在受冲击后动态响应特性,设计并建造了TA2材料的空间管系结构。通过改变管路管夹种类、管夹布置位置,在冲击试验机上展开了四种相同冲击载荷下的冲击试验。试验结果表明,管路上阀体、法兰等对管系的冲击响应有较大影响,弹性管夹及合理的布置管夹位置均有一定的减振抗冲效果。该结论为管路系统抗冲击安全性能的优化设计提供了依据。     

双限位器隔离系统的冲击响应计算及参数影响分析

针对限位器在承受冲击载荷过程中存在二次冲击的问题,建立了双限位器冲击隔离系统数学模型,通过分段线性的杜哈梅积分对冲击方程进行了解析求解,并与阶跃速度法的冲击响应结果进行对比,分析限位器参数(刚度比、阻尼比、安装间隙)对冲击响应的影响,讨论了多岛遗传算法在限位器参数优化中的应用。研究结果表明:适当的限位器阻尼可以有效提升隔冲系统的抗冲击能力,但当阻尼较大时,不可用速度阶跃法进行计算;制定合理的优化策略,利用多岛遗传算法可以得到符合冲击要求的限位器最优参数。     

摩擦力作用下推进轴系弯—扭耦合振动特性分析

推进轴系的艉轴承负荷受螺旋桨、轴系对中等因素影响,不合理设计或安装可能导致轴承润滑不良,使轴颈与橡胶轴承间容易存在“粘着—滑动”状态,进而导致轴系的弯曲、扭转振动异常。通过简化的推进轴系模型,从机理上分析轴系在艉部橡胶轴承摩擦力作用下的弯-扭耦合振动特性及其主要影响因素,为识别轴系异常振动和噪声提供参考。     

高速主轴动力学建模及速度效应分析

考虑高速旋转部件的离心力和陀螺力矩效应,利用Timoshenko梁单元和转盘单元建立主轴转子、转盘、主轴箱等部件有限元模型,并对Jones轴承模型进行扩展建立高速滚动轴承非线性模型。将各子部件模型进行集成,得到整个高速主轴系统的非线性动力学方程,并进行试验验证。分别从转子陀螺力矩、转子离心力和轴承软化这三个角度,系统地研究高速旋转状态下主轴-轴承系统内部的速度效应及其对整个系统动态特性的影响规律。结果表明:当系统存在较大的阻尼比(1%~5%)时,陀螺力矩对系统的直接频率响应函数影响不明显,但是对交叉传递函数的影响显著;随着主轴转速的升高,主轴转子的离心力效应会逐渐削弱主轴系统的刚度,最终使整个高速主轴系统的固有频率降低;必须综合考虑主轴转子的离心力效应和轴承的软化效应,才能比较准确地仿真高速主轴系统的动力学特性。     

船舶推进轴系动态负荷测量方法研究

船舶推进轴系在运转中承受着复杂的负荷和应力,良好的承载状态对船舶长期安全航行具有重要意义。本文设计了一种基于应变片的无线遥测系统,可以实现不同对中状态下的轴系动态负荷测量。根据不同截面测得的应变数据结合建立的单支点负荷计算模型,可求得各轴承的实际负荷。在搭建的轴系缩比试验台上测得的负荷值与通过有限元模型仿真求得的负荷值相差不大,证明了该测试方法的可靠性。     

冲击激励下含限位器的气囊-船用旋转机械系统的动力学特性分析

主要研究了冲击激励下含限位器的气囊-旋转机械系统的动力学特性。首先,考虑了轴承的非线性油膜力和转子的不平衡力等因素,建立了在冲击激励下气囊-旋转机械系统的非线性动力学模型;然后,采用数值模拟的方法分析了冲击激励下,限位器对气囊-旋转机械系统动力学特性的影响,讨论了在限位器不同刚度比、安装间隙、阻尼比等参数下气囊-旋转机械系统的动力学响应。结果表明:限位器的刚度和安装间隙对冲击激励下系统的最大相对位移和绝对加速度有较大影响,而阻尼对其影响会随着刚度比的增大而减小。     

低压转子初始弯曲双转子系统跨坐标系建模方法

针对航空发动机双转子系统中低压转子初始弯曲问题,考虑中介支点轴心位置偏移,提出一种跨坐标系的双转子系统建模方法,这种方法能够解决高低、压转子运动形式不同而不能在统一坐标系下建模的问题,进而可以较准确模拟中介支点轴心偏移对双转子系统动力学影响。基于高低压转子的耦合运动行为,分别在不同坐标系下建立高、低压转子有限元模型,通过Lagrange方程得到高、低压转子的运动微分方程。通过对中介轴承的内外环自由度坐标变换实现了高低压转子的跨坐标系自由度耦合。低压转子的初始弯曲将导致自身的质量偏心和角度偏置,这将引起对低压转子的附加离心载荷和附加陀螺力矩;由于中介支点轴心位置偏移,高压转子的运动微分方程中具有时变刚度和时变阻尼项,其附加的激励载荷也比较复杂;中介轴承由于连接不同坐标系通过坐标变换产生时变刚度。通过算例对该模型的稳态响应分析,并与传统模型进行了对比。结果表明:当接近低压转子激励临界转速时,该模型的响应幅值较传统模型明显增大。     

Sommerfeld effect in rotationally symmetric planar dynamical systems

Sommerfeld effect concerns the non-linear jump phenomena induced due to the influence of the unbalance response on a non-ideal drive around the critical speed of the excited structure. In this work, we study the influence of external and internal dampings and gyroscopic forces on the Sommerfeld effect in rotationally symmetric planar dynamical systems. The rotational symmetry assumption allows us to obtain neat analytical results for the steady state dynamics. We show that the rotating material or internal damping and the gyroscopic forces influence the spin rate of the non-ideal system and the former changes the system dynamics in an unexpected manner. In particular, we show that the stability threshold may restrict the jump phenomena due to the Sommerfeld effect for larger values of internal damping. Moreover, it is also shown that the Sommerfeld effect would cease to exist under certain conditions. A stability condition for various steady-state equilibriums (branches of steady-state solutions) is derived. A rotor dynamics problem and a structural dynamics problem where the systems interact with a non-ideal source are considered as illustrative examples. A few numerical results are given to validate the analytical solutions.     

多轴系耦合作用下齿轮系统转子裂纹故障的振动特性研究

为了探究多轴系耦合齿轮系统中的转子裂纹故障与单轴系转子裂纹故障振动响应特性的异同点,基于Jones轴承建模理论,建立滚动轴承的拟静力学模型;利用Timoshenko梁单元建立传动轴的有限元模型;考虑时变啮合刚度、齿轮传递误差、陀螺效应等因素,利用集中参数法建立齿轮副的动力学模型。将轴承、传动轴与齿轮副模型进行集成,建立齿轮系统非线性动力学模型;利用能量释放率理论与应力强度因子为零法分析裂纹转子单元的呼吸效应,利用Newmark-?数值积分法对转子裂纹故障进行动力学仿真,研究转子裂纹故障的振动响应特征。结果表明：与单轴系转子裂纹故障不同,当齿轮系统发生转子裂纹故障时,由于齿轮啮合的引起的耦合效应及转子裂纹引起的呼吸效应,时域响应表现出明显的幅值调制现象,频域中转频及其2倍频幅值增加明显,在啮合频率处伴有明显的边频带。研究结果为齿轮系统转子裂纹故障的监测与诊断提供了理论基础。     

用广义多项式展式法作转子轴承系统的动力分析

采用广义多项式展式法求解一个带柔性轴承的Timoshenko梁模型的转子系统的动态特性，轴承的交叉刚度与交叉阻尼、转轴的横向剪切应变能、系统的旋转惯性和陀螺耦合效应都得到了充分考虑。两个典型算例验证了该法的正确性与有效性，该法还与有限元法作了比较，大大节省了计算机CPU运行时间。     

计及陀螺效应的翼吊式机翼-发动机系统结构动力学特性研究

针对翼吊式发动机机翼系统的特点,运用Hamilton原理建立了计及发动机陀螺效应的Bernoulli-Euler悬臂梁振动方程;从陀螺力矩理论出发,分析了转子对结构的耦合作用机理,研究了不同转子转速和结构参数条件下,转子陀螺效应对悬臂梁结构固有特性的影响,从而为进一步研究计及转子陀螺效应的大型客机机翼发动机系统动力学特性及气动弹性特性奠定了一定的理论基础。