计入船体变形和主机激励的大型船舶轴系振动建模研究

摘要

船舶推进系统主要由船舶主推进装置、支承系统、推进器、机舱自动化系统及相关辅助机械设备系统组成，它担负着提供能源供应，动力传递，船舶推进的重要使命，是船舶的重要组成部分。 近年来船舶大型化发展可有效提升全球海洋货物运输的运力水平，同时设备大型化技术的突破是先进船舶设计建造水平的重要体现。大型化船舶作为一个典型的柔性体结构，在极端海洋环境下的波浪载荷作用下，容易产生变形以至于改变了原有轴系支承轴承的相对刚度和位置，从而引起了船舶推进系统服役环境发生变化。尤其针对大型散货船等尾机型的船舶，由于这类船舶轴系短、粗的特点使得推进轴系刚度较大，当轴承基座的垂向位置发生小幅度变化时，轴系会产生比较剧烈的振动，因此，研究不同航行工况及运行工况下的船体变形对推进系统动力性能的影响，对于提高船舶推进轴系可靠性以及保障船舶的航行安全具有十分重要的意义。 文中以大型船舶推进轴系为研究对象，考虑船体变形及主机激振作用对推进轴系振动产生的影响，初步建立计入船体变形因素的船舶推进轴系振动模型及计入主机激振作用的推进轴系振动模型。通过对所建立的推进轴系振动模型的分析，分别探究了船体变形和主机激励对推进轴系振动特性的影响，并且通过实验室环境下的船舶轴系振动试验对理论模型进行验证，提高建模理论的工程应用价值，为大型船舶推进轴系优化设计、安装、性能监测与维护提供方法与技术支持，也为延长船舶使用寿命而进行的修理和保养提供参考。本文的主要工作如下： （1）推导了考虑船体变形因素的推进轴系振动建模理论。根据船体、主机、推进轴系、轴承等各个子结构运动学方程，运用变分法，整合出船体-推进轴系的耦合系统动力学方程。引入轴系相对变形因子、轴系的扭转因子等表征参数，以297000 DWT VLCC为案例，研究了该类型船舶表征参数在设计过程中作用，对船体设计初级阶段提供合理优化建议。 （2）探讨主机作用力来源并建立了主机激励下的主机-推进轴系振动模型，分析了轴系的扭转振动和回旋振动之间的耦合效应影响，同时以8530 TEU集装箱船中MAN B&W12K98MC-C大型主机为案例验证模型的正确性。 （3）基于实验室环境下船舶轴系动态特性试验平台，依据建模理论对试验台轴系建模，试验与理论对模型进行验证，同时试验法分析了船体变形及不同转速工况下对船舶轴系振动的影响。 （4）以8530 TEU母型船为实船测试对象，针对其推进轴系进行试验研究，对不同海况及运行工况下引起的船体变形和主机激励作用产生的轴系振动响应进行分析。 通过以上船体-轴系振动建模和主机-推进轴系振动建模研究，从理论分析的角度对船舶设计和建造初级阶段提出了须将轴系频率因子表征参数（即轴系和船体一阶弯曲频率比）远离1的优化建议，以及在运行过程中通过监测并设置合理的转速等参数来规避主机-推进轴系系统的扭转-回旋耦合振动影响，减少轴系损失，保证船舶的可靠航行安全。同时经过实验室环境下的试验分析与实际运营船舶下的测试分析，找出引起船舶推进轴系不同振动的影响因素，为以后对大型船舶实际航行中推进轴系的振动研究提供技术支持。

目录

声明

主要符号说明

第1章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题来源

1.4 主要研究内容

第2章 研究对象概况及基本假设

2.1 8530 TEU集装箱船舶的基本概况

2.2 297000 DWT VLCC基本概况

2.3 船舶弹性体的基本假设

2.4 本章小结

第3章 船体变形下轴系振动建模研究

3.1 概 述

3.2 船体-轴系系统模型

3.3 变分方程

3.4 变分子结构及其模态函数

3.5 船体-轴系系统建模

3.6 船体-轴系系统的动力学分析

3.7 案例分析

3.8 本章小结

第4章 主机激励下轴系振动建模研究

4.1 概 述

4.2 主机作用力

4.3 主机-推进轴系建模

4.4 本章小结

第5章 实验室环境下轴系振动研究

5.1 船舶轴系动态特性试验台概述

5.2 轴系动态特性试验平台理论模型

5.3 试验研究

5.4 本章小结

第6章 船舶推进轴系实船试验研究

6.1 概 述

6.2 实船试验设计

6.3 实船试验结果分析

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 总 结

7.2 创新点

7.3 展 望

致谢

参考文献

攻博期间参与的科研项目及发表的论文、专利、奖励