基于柔性多体动力学的船用水泵振动特性分析

摘要

船用水泵是保证船舶正常航行、满足船员和旅客生活需要的重要辅机之一。对水泵结构的振动预测是船用水泵设计制造过程中必不可少的步骤，振动强度过大会影响船舶航运的安全性，应用在军舰上则会降低军舰的隐蔽性。为了改善船用水泵的振动性能、实现水泵的减振降噪，对其进行振动特性分析是很有必要的。本文以船用二级离心泵为对象，从水泵的动力学建模、动力学仿真、振动特性分析以及振动模态试验等方面进行深入的研究。
　　由于船用水泵各零部件联接处的刚度和阻尼对水泵的振动影响特别大。首先对船用水泵机械结构的结合部特性进行了理论解析，把结合点等效为弹簧-阻尼单元，从最基本的振动方程出发，推导出了单平面结合部刚度和阻尼的表达式，建立了水泵结合部的等效动力学模型。推导出了两子结构刚性结合与柔性结合的方程式，并将识别出的结合部特性参数融入到方程式中。基于柔性多体动力学的相关理论，利用假设模态法对叶轮叶片进行离散，得到了叶片的耦合变形式。同时考虑船用水泵关键零部件的大范围运动、构件本身的变形以及耦合变形项，利用拉格朗日方程推导出水泵泵轴组件的柔性多体动力学方程，通过对水泵的运动学变量和柔性变形变量进行耦合求解，最终得到了水泵的静态特性和动态特性。
　　建立了水泵泵轴组件的三维实体模型，利用有限元软件对叶轮、泵轴等关键部件进行模态分析并做柔性化处理，导出相关的模态中性文件。通过导入模态中性文件，利用多体动力学分析软件中的柔性模块，建立了泵轴组件的柔体动力学模型，在柔体动力学模型中施加激励与输出响应测试通道，对模型进行动力学仿真和受迫振动分析，得到了水泵的动态响应及其模态参数。设计了水泵的模态测试实验方案，测得了船用水泵的各阶固有频率、阻尼比及其模态刚度。通过实验数据与仿真数据的对比，在误差允许范围内，验证了建立水泵动力学模型的合理性和有效性，为船用水泵的结构优化设计及减振降噪奠定了基础。

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第一章 绪论

1. 1 课题来源

1. 2 课题的理论意义与实用价值

1. 3 课题的国内外研究现状及分析

1. 4 本文的研究内容与创新点

1. 5 本章小结

第二章 船用水泵结合部特性的理论解析

2. 1 船用水泵结合部的分类

2. 2 简单结合状态的等效模型

2. 3 多平面结合部

2. 4 水泵整机建模中结合部特性的融合

2. 5 船用水泵结合部的简化

2. 6 结合部动力学参数的识别

2. 7 本章小结

第三章 基于柔性多体动力学的水泵整机建模

3. 1 柔性多体动力学

3. 2 水泵泵轴组件柔性多体动力学方程的推导

3. 3 系统动力学方程的求解

3. 4 本章小结

第四章 水泵的动力学仿真及振动特性分析

4.1 ADAMS/Vibration模块简介

4. 2 模态分析技术概述

4. 3 泵轴组件各零部件柔性化处理

4.4 基于Vibration模块泵轴组件的振动特性分析

4. 5 本章小结

第五章 船用水泵振动模态测试实验研究

5. 1 模态测试实验的基本原理

5. 2 模态试验测试系统

5. 3 实验结果分析

5. 4 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢