舰船纵横倾作用下转子轴承系统动力学特性研究

摘要

舰船的可靠性和安全性是衡量舰船性能的重要指标，而舰船动力装置转子-滑动轴承系统运行的稳定性和可靠性则直接影响着舰船能否安全、可靠的航行，特别是当舰船在恶劣海况下航行时这一点显得更为突出。
　　舰船在海上航行，如遇到特殊工况如恶劣海况时，由于风浪等各种扰动因素的作用会造成舰船船体发生低频率的纵、横摇摆运动，由于舰船动力装置转子-轴承系统的基础是固定在舰船船体上的，船体纵、横摇摆运动时产生的低频率大位移的振动会通过基础传递给滑动轴承，进而传递给转子系统。尽管船体纵、横摇摆运动的振动频率远远低于舰船动力装置转子的转速，但这些振动还是会通过滑动轴承油膜力对舰船动力装置转子系统的振动特性产生很大的影响，从而对舰船动力装置转子-轴承系统的稳定性产生影响，最终影响到舰船的可靠性和安全性。因此，为了提高舰船在恶劣海况下航行时的可靠性和安全性，同时为了克服以往对舰船动力装置转子-轴承系统进行动力学特性分析时忽略舰船在海浪作用下的摇摆运动的不足，有必要对舰船发生纵、横摇摆运动时，舰船动力装置转子-滑动轴承系统的动力学特性进行深入的分析和研究。
　　首先，本文介绍了求解动力学微分方程常用的数值积分方法，确定了本文所要使用的数值积分方法为 Newmak法及所使用的转子有限元模型；然后给出了描述舰船纵、横摇摆运动的摇摆规律模型。
　　其次，本文分别建立了考虑舰船摇摆运动时陀螺力矩变化的轮盘的动力学模型和弹性轴段的动力学模型，以此为基础，进一步得到了刚性支撑条件下考虑舰船摇摆运动时陀螺力矩变化的转子-轮盘系统动力学微分方程，并采用 Newmark法对得到的系统的微分方程进行了积分求解。对比分析了刚性支撑条件下，舰船纵、横摇摆运动的摆动幅值和摆动频率对系统振动特性的影响。
　　最后，本文分别建立了线性和非线性油膜力作用下舰船纵、横摇摆运动时转子-滑动轴承系统的动力学模型，并采用 Newmark法对系统的微分方程分别进行了积分求解。对比分析了线性支撑条件下，舰船纵、横摇摆运动的摆动幅值和摆动频率对系统振动特性的影响；同时得到了非线性油膜力作用时不同摇摆状态下滑动轴承-转子系统油膜涡动和油膜振荡的频域和时域特征；对舰船不发生摇摆运动、舰船纵摇摆动和舰船横摇摆动三种状态下的滑动轴承-转子系统的稳定性和动力学特性进行了对比分析。
　　其中，本文有限元分析过程中所使用的转子模型为Bently-RK4实验台转子模型，分析时转子采用Euler梁单元模型，滑动轴承非线性油膜力采用Capone非线性油膜力模型，轮盘处假设为集中质量。

目录

舰船纵横倾作用下转子轴承系统动力学特性研究

ROTORDYNAMIC CHARACTERISTIC OF ROTOR BEARING SYSTEM FOR SHIP WITH VERTICAL AND HORIZONTAL SWINGING

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 基础运动的转子动力学研究现状

1.2.2 流体润滑理论发展及研究现状

1.2.3 非线性油膜力的转子动力学研究现状

1.2.4 流体润滑油膜稳定性的研究现状

1.2.5 陀螺力矩问题的研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 转子轴承系统动力学响应计算方法及舰船摇摆规律模型

2.1 引言

2.2 动力学微分方程的常用数值求解方法

2.2.1 逐步积分法

2.2.2 Newmark法简介

2.3 转子的有限元模型

2.4 舰船摇摆规律模型

2.4.1 舰船纵摇摆动模型

2.4.2 舰船横摇摆动模型

2.5 本章小结

第3章 舰船纵横摇摆运动轴系动力学模型

3.1 引言

3.2 陀螺力矩

3.2.1 转子陀螺力矩介绍

3.2.2 转子陀螺力矩推导

3.3 舰船摇摆运动转子-轮盘系统动力学模型

3.3.1 考虑舰船摇摆运动时陀螺力矩变化的轮盘动力学模型

3.3.2 考虑舰船摇摆运动时陀螺力矩变化的弹性轴段动力学模型

3.3.3 考虑舰船摇摆运动时陀螺力矩变化的多轮盘-转子动力学模型

3.4 舰船摇摆运动刚性支撑转子-轮盘系统动力学模型

3.4.1 刚性支撑转子模型的建立

3.4.2 舰船纵摇运动刚性支撑转子-轮盘系统动力学模型

3.4.3 舰船横摇运动刚性支撑转子-轮盘系统动力学模型

3.5 舰船摇摆运动刚性支撑转子-轮盘系统振动特性研究

3.5.1 摆动幅值对刚性支撑下转子-轮盘系统振动特性的影响

3.5.2 摆动频率对刚性支撑下转子-轮盘系统振动特性的影响

3.6 本章小节

第4章 舰船摇摆运动滑动轴承-转子系统线性动力学特性研究

4.1 引言

4.2 舰船摇摆运动滑动轴承-转子系统线性动力学模型的建立

4.2.1 线性滑动轴承支撑转子模型的建立

4.2.2 舰船摇摆运动滑动轴承-转子系统线性动力学模型

4.3 舰船摇摆运动滑动轴承-转子系统线性动力学特性分析

4.3.1 摆动幅值对滑动轴承-转系系统线性动力学特性的影响

4.3.2 摆动频率对滑动轴承-转系系统线性动力学特性的影响

4.4 本章小节

第5章 舰船摇摆运动滑动轴承-转子系统非线性动力学特性研究

5.1 引言

5.2 舰船摇摆运动滑动轴承-转子系统非线性动力学模型的建立

5.2.1 非线性滑动轴承支撑转子模型的建立

5.2.2 舰船摇摆运动滑动轴承-转子系统非线性动力学模型

5.3 舰船摇摆运动滑动轴承-转子系统非线性动力学特性分析

5.3.1 舰船纵摇运动滑动轴承-转子系统非线性动力学特性研究

5.3.2 舰船横摇运动滑动轴承-转子系统非线性动力学特性研究

5.4 本章小节

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致谢