冰载荷下螺旋桨附连水效应及轴系振动研究

摘要

北极因冰覆盖范围减小而形成的北极航道及其能源和矿物资源，促进了冰区航行能力船舶的发展。中国在北极地带的航次显著增长，但是因极地水域的冰水混合环境极其复杂，对船舶的安全性提出了更高的要求。由于螺旋桨在船体外部工作，不可避免地会碰撞冰块，进而将冲击载荷传递到船舶推进轴系，引起轴系振动，而它作为船舶动力装置系统的核心部分，其损坏必然会导致船舶航运能力和安全性下降;同时，船舶推进轴系的振动固有特性受到螺旋桨附连水效应的影响，其在冰区下的螺旋桨附连水效应也会发生变化。基于上述原因，本文对冰区船的轴系振动进行研究，为冰载荷下桨的附连水效应和轴系的振动研究提供一定的参考。
　　本文结合数值计算、经验公式两种方法分析了敞水中螺旋桨附连水效应，验证了桨附连水效应数值分析方法的可行性，经过与CCS经验系数对比，对经验系数的修正提供了合理建议;利用该数值方法分析了不同切削角度下冰载荷下的螺旋桨附连水效应。
　　结合文献数据、近似计算方法和数值计算三种方法，本文对四种轴系振动的固有特性进行了分析，验证了轴系振动数值计算方法的可行性;分析了不考虑附连水、考虑附连水和考虑冰附连水三种情况四种轴系振动的固有频率，并对结果进行了对比分析。
　　本文还对涉及冰载荷下轴系扭振时域响应计算的相关载荷进行了仿真研究，并结合数值时域计算方法和轴系扭振计算书频域的结果，验证了轴系扭振时域计算方法的合理性;根据CCS规范中提供的冰载荷激励工况，针对主机正常打火、单缸熄火两种情况，分析了在主机转速、不同气缸熄火和主机载荷与冰载荷的相位角等三个因素方面对轴系扭振时域响应的影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 轴系振动分析

1．2．2 冰载荷下轴系振动分析

1．2．3 螺旋桨的附连水效应分析

1．3 本文研究内容

2 轴系振动相关理论

2．1 概述

2．2 轴系动力学模型

2．2．1 集总参数模型

2．2．2 分布参数模型

2．2．3 有限元模型

2．2．4 模型对比

2．3 轴系振动有限元模型简化方法

2．4 回旋振动

2．4．1 轴系回振激励

2．4．2 轴系回振阻尼

2．5 横向振动

2．5．1 轴系横振激励

2．5．2 轴系横振阻尼

2．6 扭转振动

2．6．1 轴系扭振激励

2．6．2 轴系扭振阻尼

2．6．3 轴系扭振固有特性近似计算方法

2．7 纵向振动

2．7．1 轴系纵振激励

2．7．2 轴系纵振阻尼

2．7．3 轴系纵振固有特性近似计算方法

2．8 本章小结

3 冰载荷下螺旋桨的附连水效应分析

3．1 概述

3．2 附连水效应的分析方法简述

3．2．1 附连水效应仿真分析相关理论

3．2．2 螺旋桨附连水效应计算经验公式

3．3 螺旋桨附连水效应计算

3．3．1 螺旋桨、桨水耦合模型、桨冰水耦合模型的建立

3．3．2 敞水中螺旋桨附连水转动惯量和纵向附连水质量的分析计算

3．3．3 冰载荷下桨的附连水效应分析计算

3．4 本章小结

4 冰载荷下轴系振动固有特性研究

4．1 概述

4．2 模态分析理论

4．2．1 模态分析基础理论

4．2．2 转子动力学模态分析理论

4．3 冰载荷下轴系振动固有特性分析

4．3．1 回旋振动

4．3．2 横向振动

4．3．3 纵向振动

4．3．4 扭转振动

4．4 本章小结

5 冰载荷下轴系扭振动力响应的时域计算研究

5．1 概述

5．2 轴系扭振Newmark时域计算方法理论

5．3 冰区船推进轴系扭振时域计算

5．3．1 研究对象概述

5．3．2 计算模型、激励载荷和桨阻尼

5．3．3 轴系扭振时域计算方法可行性验证

5．3．4 冰载荷下柴油机正常打火轴系扭振时域计算分析

5．3．5 冰载荷下柴油机单缸熄火轴系扭振时域计算分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢