船舶电力推进轴系扭转振动特性分析方法技术

本发明专利技术涉及一种船舶电力推进轴系扭转振动特性分析方法，包括以下步骤：测定船舶推进轴系及其附属结构的基本参数；将实际轴系转化为数据描述，得到参数ANSYS命令流，进行模态计算求解固有频率与固有振型；设定求解频率范围与载荷步长；进行响应计算，得出螺旋桨各阶叶频次激励下轴系关键点角位移随轴系转速的变化曲线、合位移等值曲线。本发明专利技术计算结果精度较高、速度快，流程简单快速，应用范围广，操作性强。

【技术实现步骤摘要】
船舶电力推进轴系扭转振动特性分析方法
本专利技术涉及船舶性能测试
，具体涉及一种船舶电力推进轴系扭转振动特性分析方法。
技术介绍
电力推进在经济性、操纵性以及绿色环保方面有着显著的优势，由于技术条件的限制，其主要应用于海洋科考船和工程船等，暂未得到大规模使用。扭转振动是船舶推进轴系振动的三种基本形式之一，在设计、建造、入级检验等阶段，扭转振动对轴系运行产生的影响进行校核计算都是必不可少的。电力推进轴系扭转振动的激励源主要来自于螺旋桨在船艉不均匀流场中产生的不均匀激励以及电机的谐波扭矩，其中电机的激励力矩仅在启动阶段对轴系振动影响较大，稳定运行时交变力矩几乎可以忽略，如发表于船舶工程杂志的《冰区航行船舶电力推进轴系机电耦合的扭振分析》中所得到的结论。引起船舶振动的70％有害振动是由螺旋桨引发的，因此电力推进轴系扭转振动的激励源可仅考虑螺旋桨产生的激励力矩。目前，现有的电力推进轴系扭转振动特性分析方法有基于集总参数模型建立轴系扭转振动的当量化模型，利用Holzer法和传递矩阵法进行计算；利用Pro/E、SolidWorks等三维建模软件进行建模，联合HyperWorks、ANSYS等有限元分析软件进行计算。但是Holzer法是一种逐次逼近法，在设定试算频率之后，经过调整和搜索得到固有频率以及相应的振型，在低阶固有频率的计算中可以保证一定的精度，高阶时误差较大，且存在漏根的现象；传递矩阵法计算简单，精度较低，其计算模型相对于船舶轴系推进轴系这一复杂系统误差较大。有限元法是基于变分原理的一种数值方法，包括最小余能原理、最小势能原理、其未知场变量分别为应力和位移，在进行自由振动计算中对轴系进行静力分析，选择最小势能原理，即以轴系扭转角位移作为基本未知量来进行分析，建立轴系有限元模型工作量较大，计算过程复杂，耗时较长，计算成本高。
技术实现思路
在针对上述问题，本专利技术提供一种船舶电力推进轴系扭转振动特性分析方法。本专利技术的方法能够利用已有参数通过简单快速的方法得到船舶轴系扭振有限元模型，计算出固有频率、固有振型以及临界转速下的响应，以此来指导船舶设计、建造、运营。为解决上述技术问题，本专利技术公开的一种船舶电力推进轴系扭转振动特性分析方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤1：利用已知的待分析船舶电力推进轴系的图纸，按照待分析船舶电力推进轴系的实际尺寸与结构对待分析船舶电力推进轴系进行分段，待分析船舶电力推进轴系中截面参数相同的部分作为一个轴段，用不同的待分析船舶电力推进轴系截面参数来反映待分析船舶电力推进轴系的实际尺寸；获取待分析船舶电力推进轴系的如下基本参数：螺旋桨的质量、螺旋桨的极转动惯量、螺旋桨的径向转动惯量、螺旋桨的附连水系数、各轴段的内外径、各轴段的长度、各轴段的材料密度、各轴段的泊松比和各轴段的弹性模量，并计算各轴段的剪切弹性模量；获取待分析船舶电力推进轴系的如下推进轴系附属结构参数：高弹性联轴器的主动端与从动端的质量、高弹性联轴器的主动端与从动端的极转动惯量、高弹性联轴器的主动端与从动端的径向转动惯量、高弹性联轴器的动态扭转刚度、液压联轴器的质量、液压联轴器的极转动惯量和液压联轴器的径向转动惯量；步骤2：将上述用不同的待分析船舶电力推进轴系截面参数、推进轴系基本参数和推进轴系附属结构参数，转换成用不同的待分析船舶电力推进轴系截面参数ANSYS命令流，推进轴系基本参数ANSYS命令流和推进轴系附属结构参数ANSYS命令流；步骤3：将用不同的待分析船舶电力推进轴系截面参数ANSYS命令流，推进轴系基本参数ANSYS命令流和推进轴系附属结构参数ANSYS命令流导入ANSYS有限元分析软件，并利用APDL语言进行参数化建模，建立用于船舶电力推进轴系扭转振动分析的有限元模型，然后对用于船舶电力推进轴系扭转振动分析的有限元模型进行模态计算，得到轴系扭转振动固有频率及相应的固有振型；步骤4：得到待分析船舶电力推进轴系中螺旋桨转速区间下的各个转速值对应的激励力矩，将各个转速值的激励力矩导入到用于船舶电力推进轴系扭转振动分析的有限元模型，得到含有激励力矩信息的有限元模型；步骤5：将含有激励力矩信息的有限元模型利用完全法进行求解，得到不同转速下的待分析船舶电力推进轴系的扭转角位移与合位移曲线。本专利技术的有益效果：1、运用本计算方法无需复杂繁琐的建模、ANSYS命令流的编写，船级社、轴系研发设计、科研院所等相关工程技术人员在没有专业建模、网格划分软件的情况下，在短时间内得到固有频率、临界转速、轴系扭转振动变形情况。2、对于同类型船舶，MATLAB程序只需编写一次，后续其它船舶的计算可直接使用该程序或稍作改动即可。3、使用ANSYS命令流建模可以节省工作量、减少工作时间，所建立的模型可较好的反映实际轴系尺寸、材料等参数。4、可避免当量参数模型的精度不够等问题，为船舶电力推进轴系扭转振动计算软件的开发做出探索与技术参考。5、本方法采用有限元连续模型，可较好的反映轴系实际尺寸，当量参数模型为离散模型，与轴系实际尺寸有较大差异。6、本方法使用简便，由初始参数即可进行计算分析，将本方法所述MATLAB程序集成后调用ANSYS有限元计算分析软件即可开发轴系扭转振动分析软件。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2是螺旋桨叶片次激励力矩作用下螺旋桨轴第14节点处截面扭转角位移随转速变化曲线；图3是螺旋桨叶片次激励力矩作用下艉轴第34节点处截面扭转角位移随转速变化曲线；图4是螺旋桨叶片次激励力矩作用下1号中间轴第56节点处截面扭转角位移随转速变化曲线；图5是螺旋桨叶片次激励力矩作用下2号中间轴第86节点处截面扭转角位移随转速变化曲线；图6是螺旋桨叶片次激励力矩作用下前推力轴第107节点处截面扭转角位移随转速变化曲线；图7是螺旋桨叶片次激励力矩作用下后推力轴第113节点处截面扭转角位移随转速变化曲线；图8是螺旋桨叶片次激励力矩作用下高弹性联轴器配轴第121节点处截面扭转角位移随转速变化曲线；图2～8中，横坐标为轴系运行转速，单位为赫兹Hz，纵坐标为扭转角位移,单位为弧度(rad)。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明：本专利技术的一种船舶电力推进轴系扭转振动特性分析方法，它包括如下步骤：步骤1：利用已知的待分析船舶电力推进轴系的图纸，按照待分析船舶电力推进轴系的实际尺寸与结构对待分析船舶电力推进轴系进行分段，待分析船舶电力推进轴系中截面参数相同的部分作为一个轴段，用不同的待分析船舶电力推进轴系截面参数来反映待分析船舶电力推进轴系的实际尺寸；从厂家处查询获取待分析船舶电力推进轴系的如下推进轴系基本参数：螺旋桨的质量、螺旋桨的极转动惯量、螺旋桨的径向转动惯量、螺旋桨的附连水系数、各轴段的内外径、各轴段的长度、各轴段的材料密度、各轴段的泊松比和各轴段的弹性模量，并计算各轴段的剪切弹性模量；从厂家处查询获取待分析船舶电力推进轴系的如下推进轴系附属结构参数：高弹性联轴器的主动端与从动端的质量、高弹性联轴器的主动端与从动端的极转动惯量、高弹性联轴器的主动端与从动端的径向转动惯量、高弹性联轴器的动态扭转刚度、液压联轴器的质量、液压联轴器的极转动惯量和液压联轴器的径向转动惯量；步骤2：将上述用不同的待分析船舶电力推进轴系截面参数、推进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种船舶电力推进轴系扭转振动特性分析方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤1：利用已知的待分析船舶电力推进轴系的图纸，按照待分析船舶电力推进轴系的实际尺寸与结构对待分析船舶电力推进轴系进行分段，待分析船舶电力推进轴系中截面参数相同的部分作为一个轴段，用不同的待分析船舶电力推进轴系截面参数来反映待分析船舶电力推进轴系的实际尺寸；获取待分析船舶电力推进轴系的如下推进轴系基本参数：螺旋桨的质量、螺旋桨的极转动惯量、螺旋桨的径向转动惯量、螺旋桨的附连水系数、各轴段的内外径、各轴段的长度、各轴段的密度、各轴段的泊松比和各轴段的弹性模量，并计算各轴段的剪切弹性模量；获取待分析船舶电力推进轴系的如下推进轴系附属结构参数：高弹性联轴器的主动端与从动端的质量、高弹性联轴器的主动端与从动端的极转动惯量、高弹性联轴器的主动端与从动端的径向转动惯量、高弹性联轴器的动态扭转刚度、液压联轴器的质量、液压联轴器的极转动惯量和液压联轴器的径向转动惯量；步骤2：将上述用不同的待分析船舶电力推进轴系截面参数、推进轴系基本参数和推进轴系附属结构参数，转换成用不同的待分析船舶电力推进轴系截面参数ANSYS命令流，推进轴系基本参数ANSYS命令流和推进轴系附属结构参数ANSYS命令流；步骤3：将用不同的待分析船舶电力推进轴系截面参数ANSYS命令流，推进轴系基本参数ANSYS命令流和推进轴系附属结构参数ANSYS命令流导入ANSYS有限元分析软件，并利用APDL语言进行参数化建模，建立用于船舶电力推进轴系扭转振动分析的有限元模型，然后对用于船舶电力推进轴系扭转振动分析的有限元模型进行模态计算，得到轴系扭转振动固有频率及相应的固有振型；步骤4：得到待分析船舶电力推进轴系中螺旋桨中转速区间下的各个转速值对应的激励力矩，将各个转速值的激励力矩导入到用于船舶电力推进轴系扭转振动分析的有限元模型，得到含有激励力矩信息的有限元模型；步骤5：将含有激励力矩信息的有限元模型利用完全法进行求解，得到不同转速下的待分析船舶电力推进轴系的扭转角位移与合位移曲线。...

【技术特征摘要】
1.一种船舶电力推进轴系扭转振动特性分析方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤1：利用已知的待分析船舶电力推进轴系的图纸，按照待分析船舶电力推进轴系的实际尺寸与结构对待分析船舶电力推进轴系进行分段，待分析船舶电力推进轴系中截面参数相同的部分作为一个轴段，用不同的待分析船舶电力推进轴系截面参数来反映待分析船舶电力推进轴系的实际尺寸；获取待分析船舶电力推进轴系的如下推进轴系基本参数：螺旋桨的质量、螺旋桨的极转动惯量、螺旋桨的径向转动惯量、螺旋桨的附连水系数、各轴段的内外径、各轴段的长度、各轴段的密度、各轴段的泊松比和各轴段的弹性模量，并计算各轴段的剪切弹性模量；获取待分析船舶电力推进轴系的如下推进轴系附属结构参数：高弹性联轴器的主动端与从动端的质量、高弹性联轴器的主动端与从动端的极转动惯量、高弹性联轴器的主动端与从动端的径向转动惯量、高弹性联轴器的动态扭转刚度、液压联轴器的质量、液压联轴器的极转动惯量和液压联轴器的径向转动惯量；步骤2：将上述用不同的待分析船舶电力推进轴系截面参数、推进轴系基本参数和推进轴系附属结构参数，转换成用不同的待分析船舶电力推进轴系截面参数ANSYS命令流，推进轴系基本参数ANSYS命令流和推进轴系附属结构参数ANSYS命令流；步骤3：将用不同的待分析船舶电力推进轴系截面参数ANSYS命令流，推进轴系基本参数ANSYS命令流和推进轴系附属结构参数ANSYS命令流导入ANSYS有限元分析软件，并利用APDL语言进行参数化建模，建立用于船舶电力推进轴系扭转振动分析的有限元模型，然后对用于船舶电力推进轴系扭转振动分析的有限元模型进行模态计算，得到轴系扭转振动固有频率及相应的固有振型；步骤4：得到待分析船舶电力推进轴系中螺旋桨中转速区间下的各个转速值对应的激励力矩，将各个转速值的激励力矩导入到用于船舶电力推进轴系扭转振动分析的有限元模型，得到含有激励力矩信息的有限元模型；步骤5：将含有激励力矩信息的有限元模型利用完全法进行求解，得到不同转速下的待分析船舶电力推进轴系的扭转角位移与合位移曲线。2.根据权利要求1所述的船舶电力推进轴系扭转振动特性分析方法，其特征在于：所述步骤3中建立用于船舶电力推进轴系扭转振动分析的有限元模型具体的方法为：以螺旋桨端为坐标原点，从螺旋桨到电机端方向为X轴方向，每个轴段截面所需要反映的参数包括：不同的待分析船舶电力推进轴系截面的坐标、每段轴段单元长度、每段轴段单元左面外径、每段轴段单元右面外径、每段轴段单元内径、每段轴段单元材料密度、每段轴段单元弹性模量、每段轴段单元剪切弹性模量；其中，将待分析船舶电力推进轴系的中高弹联轴器的主动端与从动端作为集中质量点，高弹性联轴器的剪切弹性模量的计算表达式为：式中，K为高弹性联轴器扭转刚度；l为待分析船舶电力推进轴系高弹性联轴器单元长度；IP为高弹性联轴器极惯性矩；IP的计算表达式为：式中，D为高弹性联轴器单元外径；d为高弹性联轴器单元内径。3.根据权利要求1所述的船舶电力推进轴系扭转振动特性分析方法，其特征在于：所述步骤3中对用于船舶电力推进轴系扭转振动分析的有限元模型进行模态计算，模态计算的结构整体动力平衡方程为：式中：J为转动惯量矩阵，即：K为刚度矩阵，即：C为阻尼矩阵，即：其中,Kn-1，n表示第n-1个轴段单元与n个轴段单元之间的刚度，C为轴系的结构阻尼矩阵；α为轴系的质量阻尼系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：周瑞平，范君浩，廖鹏飞，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42