船舶轴系试验台研制及其纵向振动特性测试分析
船舶轴系试验台纵向耦合振动特性研究
船舶轴系试验台纵向耦合振动特性研究李良伟，赵耀，张赣波(华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉 430074)摘要：船舶轴系试验台是开展轴系设计及振动特性分析的重要平台。
运用振动测试与有限元法研究船舶轴系试验台传动轴与基座的耦合下的纵向振动特性。
通过宽频激励实测试验台传动轴上主要测点纵向响应的传递函数并计算相应的特征频率与阻尼比；将轴系等效为单自由度系统估算推力块的纵向刚度为有限元分析提供纵向刚度输入值。
根据传动轴与试验台基座的结构形式，分析了艉轴密封处不同耦合方式下的船舶轴系试验台轴系纵向振动响应特性。
对比测试结果与数值分析结果，验证推力块刚度估算方法的合理性，为分析船舶轴系纵向振动特性时对传动轴与基座之间的耦合处理提供一定理论参考。
关键词：轴系试验台；纵向振动；刚度估算；耦合；有限单元法中图分类号：U664.21 文献标识码：AResearch of Axial Coupling Vibration Characteristic ofMarine Shaft Test BedLI Liang-wei，ZHAO Yao，ZHANG Gan-bo(School of Naval Architecture & Ocean Engineering,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan Hubei 430074, China)Abstract：Marine shaft vibration test bed is the important equipment for designing the marine shaft and also estimating the axial vibration characteristic. Use the vibration testing technology and finite element methods, the axial vibration response characteristic are obtained when the transmission shaft coupled the foundation. With the broad-band excitation method, the axial acceleration frequency response functions of the main measuring points on the transmission shaft are calculated and also the characteristic frequency and damping ratio. Then, the axial stiffness of thrust shoes is derived when the shafting system is equivalent to a single degree of freedom based on the test result. Considering the coupling relation between transmission shaft and foundation, the dynamic characteristic of shaft test bed are solved with the finite element method under different couple. Compared with the test and numerical analysis results, the axial stiffness estimation method reasonability for shafting system is verified. Finally the conclusion present provides a reference to research the axial coupling vibration characteristic of marine shafting system. Keywords: marine shaft test bed; axial vibration; stiffness estimation; coupling; finite element method1 引言船舶轴系主要将推进器产生的推力传递给船体实现船舶的运动，因而轴系运转的可靠性和稳定性将直接影响船舶的正常航行。
船舶推进轴系振动与功率测量分析研究
讨论
根据实验结果和分析，本次演示对船舶轴系振动的原因进行了深入探讨。研 究发现，船舶轴系振动主要受到螺旋桨激振力、轴系不平衡等因素的影响。为了 有效控制船舶轴系振动，可以从以下几个方面入手：
1、优化螺旋桨设计，减小螺旋桨的激振力。通过改变螺旋桨的叶片形状、 数目等参数，降低螺旋桨运转过程中产生的激振力，从而降低船舶轴系振动的幅 度。
文献综述
近年来，国内外学者针对船舶推进轴系振动问题进行了广泛的研究。研究内 容主要包括推进轴系的模态分析、振动特性分析、振动故障诊断等方面。
在模态分析方面，研究者通过有限元方法对推进轴系进行模态模拟，得到了 轴系的固有频率和振型。研究表明，推进轴系的模态特性与船舶的动力学特性密 切相关。
在振动特性分析方面，研究者对推进轴系在不同工况下的振动响应进行了测 量和分析。结果表明，推进轴系的振动响应受到船舶运行工况、推进轴系结构及 材料等因素的影响。
在振动故障诊断方面，研究者通过对比正常和故障轴系的振动数据，利用谱 分析、小波变换等信号处理方法，实现了对推进轴系故障的早期发现和诊断。
然而，现有研究大多于推进轴系的振动特性和故障诊断，而对推进轴系振动 的抑制方法研究较少。因此，本研究将针对这一问题展开探讨。
研究方法
本研究采用实验测试与数值模拟相结合的方法，对推进轴系的振动进行抑制 研究。首先，利用振动测试设备对推进轴系的振动响应进行实验测试，获取丰富 的实验数据。然后，通过有限元方法对推进轴系进行建模，并对模型进行动力学 分析，得到轴系的模态频率和振型。
1、在实验测试方面，由于测试设备和条件的限制，未能对不同类型和规模 的船舶推进轴系进行全面的测试和分析。因此，未来的研究可以进一步拓展实验 测试的范围，以验证方法的普适性和有效性。
船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究
船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究【摘要】本文通过一些国内因轴系扭转振动而引起的断轴断桨的事故实例，来分析引起轴系扭转振动的主要原因，分析扭振主要特性，并提取一些减振和防振的基本控制措施。
【关键词】船舶柴油机轴系扭振危害分析措施在现代船舶机械工程中，船舶柴油机轴系扭转振动已经成为一个很普遍的问题，它是引起船舶动力装置故障的一个很常见的原因，国内外因轴系扭转而引起的断轴断桨的事故也屡见不鲜，随着科学水平的提高和航运业的发展，人们越来越重视船舶柴油机组的轴系扭转振动，我国《长江水系钢质船舶建造规范》和《钢质海船入级与建造规范》（简称《钢规》）和也均规定了在设计和制造船舶过程中，必须要向船级社呈报柴油机组的轴系扭转振动测量和计算报告，以此来表明轴系扭转振动的有关测量特性指标均在“规范”的允许范围内。
1 船舶柴油机轴系扭转振动现象简介凡具有弹性与惯性的物体，在外力作用下都能产生振动现象。
它在机械，建筑，电工，土木等工程中非常普遍的存在着。
振动是一种周期性的运动，在许多场合下以谐振的形式出现的，船舶振动按其特点和形式可分为三种，船体振动，机械设备及仪器仪表振动，和轴系振动。
船舶柴油机轴系振动按其形式可分为三种：扭转振动，纵向振动，横向振动。
柴油机扭转振动主要是由气缸内燃气压力周期性变化引起的，它的主要表现是轴系上各质点围绕轴系的旋转方向来回不停的扭摆，各轴段产生不相同的扭角。
纵向振动主要是由螺旋桨周期性的推力所引起的。
横向振动主要是由转抽的不平衡，如螺旋桨的悬重以及伴流不均匀产生的推力不均匀等的力的合成。
船舶由于振动引起的危害不但可以产生噪音，严重影响旅客和船员休息，还会造成仪器和仪表的损害，严重的时候甚至出现船体裂缝断轴断桨等海损事故，直接影响船舶的航行安全。
而在船舶柴油机轴系的三种振动中，产生危害最大的便是扭转振动，因扭转振动而引起的海损事故也最多，因此对扭转振动的研究也最多。
而且当柴油机轴系出现扭转振动时，一般情况下，船上不一定有振动的不适感，因此这种振动也是最容易被忽视的一种振动形式，一旦出现扭转振动被忽视，往往意味着会发生重大的事故。
船舶轴系扭振计算与测量分析简介
船舶轴系扭振计算与测量分析简介高莹莹(青岛齐耀瓦锡兰菱重麟山船用柴油机有限公司技术部)摘要：随着现代船舶计算的发展,船舶轴系扭转振动成为船舶动力装置安全运行的重要因素之一,各船级社规范也对船舶轴系扭振提出了计算和实测的要求，本文结合实例对船轴系用霍尔茨法进行自由振动计算和采用能量法进行共振计算进行了简单介绍,结合实船的扭振测量的结果和理论计算结果进行对比分析.结果表明,采用精确的原始轴系数据和柴油机参数,使得扭振计算的理论结果和实测结果非常吻合,本船的理论计算值符合实船状况,转速禁区设定正确.关键词:当量系统霍尔茨法能量法测量修正随着船舶工业的发展,造船数量和吨位不断增大,造船行业对造船技术的工艺和质量要求越来越高。
高质量、高效率的生产设计离不开现代化的技术支持。
然而船舶柴油机轴系的扭转振动是影响船舶动力装置安全运行的重要动力特性之一。
轴系振动计算不但对深入研究船舶推进轴系的可靠性、安全性、用于动力装置故障诊断等具有重要意义，而且是船舶推进轴系设计、制造、安装和检验比不可少的环节之一，为推进装置可靠安全运行提供了有力保障。
基于此，本文结合一30万吨VLCC船舶的轴系实例对船舶柴油机扭振计算和测量分析做了简要的概述。
1，当量系统的转化根据有关轴系振动理论，船舶柴油机及推进轴系实际就是一个多质量有阻尼强迫振动系统。
实际计算分析中，可以将其转化成为若干用无惯量的轴连接起来的集中质量系统，称之为当量扭振系统。
为了使转化后的当量扭振系统能代表实际的轴系的扭振特性，一般要求：当量扭振系统的固有频率应与实际系统的固有频率基本相等；其振型与实际的振型相似。
如下图Fig.1为一30万吨VLCC油轮轴系的当量扭振系统模型。
该船安装的是瓦锡兰7RT-flex82T电喷柴油机，主机的额定功率31640Kw，额定转速80rpm。
中间轴长9927mm，直径700mm，抗拉强度为590N/mm2;螺旋桨轴长10233mm，艉轴承处直径850mm，抗拉强度为590N/mm2。
船舶振动设计实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解船舶振动的基本原理和影响因素。
2. 掌握船舶振动测试方法及数据处理技术。
3. 分析船舶振动特性，优化船舶结构设计。
二、实验原理船舶振动是指船舶在航行过程中，由于各种因素（如波浪、风力、发动机等）引起的船体、船舱等结构的振动现象。
船舶振动不仅影响船舶的舒适性和安全性，还可能对船体结构造成损害。
本实验旨在通过振动测试和分析，了解船舶振动特性，为船舶结构设计提供依据。
三、实验仪器与设备1. 振动测试仪：用于测量船体、船舱等结构的振动加速度、速度和位移。
2. 激励器：用于模拟船舶在航行过程中受到的波浪、风力等激励。
3. 数据采集系统：用于采集振动测试仪的信号，并进行实时处理和分析。
4. 船舶模型：用于模拟实际船舶的振动特性。
四、实验步骤1. 搭建实验平台：将船舶模型固定在实验台上，连接振动测试仪、激励器和数据采集系统。
2. 设置实验参数：根据实验要求，设置激励器的频率、幅值等参数，以及振动测试仪的采样频率、采样点数等参数。
3. 进行振动测试：启动激励器，模拟船舶在航行过程中受到的激励，同时采集振动测试仪的信号。
4. 数据处理与分析：将采集到的信号传输到数据采集系统，进行滤波、频谱分析等处理，得到船舶振动特性参数。
5. 优化船舶结构设计：根据振动特性参数，分析船舶结构设计中的不足，提出改进措施。
五、实验结果与分析1. 振动加速度测试结果：通过振动测试仪采集到的振动加速度信号，可以看出船舶在航行过程中，船体、船舱等结构的振动加速度较大，尤其在波浪激励下，振动加速度更为明显。
2. 振动速度测试结果：振动速度测试结果表明，船舶在航行过程中，船体、船舱等结构的振动速度也较大，且随频率的增加而增大。
3. 振动位移测试结果：振动位移测试结果表明，船舶在航行过程中，船体、船舱等结构的振动位移较大，尤其在波浪激励下，振动位移更为明显。
六、结论1. 本实验验证了船舶振动测试方法的有效性，为船舶结构设计提供了依据。
船舶轴系的振动与控制分析船舶专业毕业设计毕业论文
船舶轴系的振动与控制分析摘要本文主要进行船舶轴系振动的模态分析（固有频率与固有振型），通过MATLAB 平台实现了船舶轴系纵向振动模态计算的通用程序，并且分别应用该通用程序与ANSYS中的模态分析计算了船舶轴系扭转振动与纵向振动（给定轴系）的模态，并对所计算的结果进行了对比与分析。
同时，本文也介绍了船舶轴系强迫振动的计算以及船舶轴系振动的控制分析。
本文以船舶推进轴系的振动为研究对象，查阅了国内外大量文献，首先介绍了船舶推进轴系振动的分类，接着以一种通俗的方式阐述了各种振动的机理。
其次论述了轴系振动计算的几种常用的方法：霍尔兹法、传递矩阵法与有限元法。
接着论证了传递矩阵法的可用性，以及在什么情况下使用该方法可以达到所需的精度要求。
然后通过MATLAB平台实现了船舶轴系振动（包括扭转振动与纵向振动）的通用程序。
紧随其后，使用该程序计算了一个扭转振动与纵向振动的实例，再后来使用ANSYS对同样的例子进行了计算分析，通过比对，证实了通过MATLAB平台实现的通用程序计算的结果是令人满意的。
随后介绍了轴系的强迫振动及计算强迫振动的传递矩阵法，并给出了该方法的一个简单的算例，之后介绍了避振的几种思路。
最后对研究成果和有关问题进行了总结，对研究中的不足作了说明，对今后的工作做出了展望。
关键词：纵向振动，传递矩阵法，有限元法，通用程序，强迫振动Analysis of Vibration and ControlOn Ship ShaftingAbstractThis paper is mainly researching the vibration characteristics on ship shafting (natural frequencies and mode shapes). Through the platform of MATLAB, we get the general program which can calculate the mode of the longitudinal vibration and torsional vibration on ship shafting, and using this general program, an instance is calculated. ANSYS is applied to, too. And then both of the calculated results were compared and analyzed. At the same time, the paper also describes the calculation of the forced oscillation of ship shafting and the analysis of ship shaft vibration control.In this paper, viewing vibration of ship propulsion shafting as the research object, I consulted relevant data at home and abroad. First, I have introduced the classification of ship propulsion shafting vibration, and then described in a easy manner to various vibration mechanism.Next, several commonly used methods to vibration calculations are discussed: the Holzer method, the transfer matrix method and the finite element method.Then the availability of the transfer matrix method is demonstrated, and also is the required precision when we can achieve by the method.After that, through the platform of MATLAB, we get the general program which can calculate the mode of the vibration (including the longitudinal and the torsional vibration) vibration on ship shafting. Then we use the general program to calculate an instance of longitudinal and torsional vibration. And then we use ANSYS to calculate the same example. By comparison, we confirm the results by the general program through MATLAB platform are satisfactory.Then we introduce the forced vibration of ship shafting and the transfer matrix method of the forced vibration, and a simple example is showed, after that we introduce several ideas to avoid vibration.Finally, a summary about the achievement and problems is presented. An explanation of imperfectness in the study and pieces of advisement for the future work is given.Key words: Longitudinal Vibration，Transfer Matrix Method，Finite Element Method，General Program, Forced Vibration目录摘要........................................................................................................................ I ABSTRACT ................................................................................................................. I I 目录 ................................................................................................................ III 一绪论 (1)1.课题研究的目的和意义 (1)2.国内外研究概况 (2)3.本文主要工作 (3)二船舶轴系振动简介 (5)1.纵向振动 (5)2.扭转振动 (6)3.回旋振动 (7)三轴系振动计算方法 (9)1.霍尔兹（Holzer）法 (9)2.传递矩阵法 (11)3.有限元法 (19)四轴系振动通用程序实现 (23)1.船舶轴系的构造 (23)2.轴系振动通用程序实现 (25)3.轴系振动通用程序的应用与检验 (28)五船舶轴系振动的控制 (46)1.船舶轴系的强迫振动 (46)2.船舶轴系强迫振动的传递矩阵法 (46)3.强迫振动算例 (48)4.船舶轴系避振措施 (50)六总结 (52)1.结论 (52)2.设计评价和展望 (52)致谢 (53)附录 (54)参考文献 (62)一绪论1.课题研究的目的和意义声明：本论文中除特殊说明之外出现的所有物理量的单位均为国际制单位，即长度为米，时间为秒，质量为千克等。
推进轴系纵向振动主动控制试验研究
华中科技大学硕士学位论文摘要潜艇在国家海域防卫方面起着至关重要的作用，振动与噪声是潜艇性能的一项关键参考指标。
潜艇的动力轴系为潜艇提供推进力，在此工作过程中，轴系纵向所受的外激振力产生纵向振动，对潜艇的隐蔽性和动力性能造成极大的影响，因此，研究轴系的纵向振动控制尤为关键。
目前对轴系纵向振动的控制方法采用较多的是被动控制，主动控制研究较少，大多数还处在理论阶段。
本文主要针对轴系的纵向振动控制这一课题，从振动的主动控制方面入手，围绕压电材料在此领域的应用进行了探索，着手搭建了基于堆叠式压电作动器的轴系纵向振动主动控制试验平台，并进行了实验研究。
具体内容如下：（1）建立了轴系系统物理模型，分别介绍了分布参数法和集总质量法，并通过这两种方法对轴系模型进行了分析，获得了对轴系振动特性起主要影响作用的低阶固有频率。
（2）设计了基于压电材料的主动控制试验平台，搭建了以压电作动器为控制力驱动元件的驱动结构，对主动控制方法进行了介绍，提出了本文所采用的基于经典控制理论的主动控制方案，即基于PID算法的主动控制方案。
并对整个实验平台的设计进行了详述，包括主动试验平台的结构设计以及控制系统的设计。
（3）完成了基于压电材料的主动控制试验平台的仿真以及试验，通过对搭建的试验平台振动特性进行分析，推导了轴系系统在参考面处的系统响应关系，利用MATLAB编程，对系统的减振效果进行了仿真分析，获得了两个减振效果较好的频率点，分别为161HZ、362HZ；根据仿真获得的两个频率点，进行定频激振，分别完成主动控制实验，实验结果表明：主动控制对试验平台的纵向振动减弱效果分别能达到16.6%、28.2%，因此可以得知，基于PID算法的轴系纵向振动主动控制有较好的效果。
关键词：纵向振动，压电材料，主动控制，PID算法华中科技大学硕士学位论文AbstractSubmarine plays an important role in the defense of national sea area.Vibration and noise are a key reference index of submarine performance.The dynamic shafting of a submarine provides propulsion for the submarine.In this process,the longitudinal vibration of the shafting caused by the external exciting force exerts a great influence on the concealment and dynamic performance of the submarine.Therefore,the study of the longitudinal vibration control of the shafting is particularly critical.At present,the passive control is the most widely used method to control the longitudinal vibration of shafting,while the active control research is less,and most of them are still in the theoretical stage.In this thesis,aiming at the problem of longitudinal vibration control of shafting,starting from the active control of vibration,the application of piezoelectric materials in this field is explored.A test platform for active vibration control of shafting based on stacked piezoelectric actuators is built and experimental research is carried out. The details are as follows:(1)The physical model of shafting system is established,and the distributed parameter method and lumped mass method are introduced respectively.The shafting model is analyzed by these two methods,and the low-order natural frequencies,which play a major role in shafting vibration characteristics,are obtained.(2)An active control test platform based on piezoelectric material is designed,and a driving structure with piezoelectric actuator as the driving force is built.The active control method is introduced.The active control scheme based on classical control theory, which is the active control scheme based on PID algorithm,is proposed in this paper.The design of the whole experimental platform is described in detail,including the structure design of the active test platform and the design of the control system.(3)The simulation and experiment of the active control test platform based on piezoelectric materials are completed.Through the analysis of the vibration characteristics of the test platform,the system response relationship of the shafting system at the reference plane is deduced.By using MATLAB programming,the vibration reduction effect of the system is simulated and analyzed,and two frequency points with华中科技大学硕士学位论文better vibration reduction effect are obtained,which are161HZ and362HZ respectively. According to the two frequencies obtained by simulation,fixed frequency excitation is carried out and active control experiments are completed respectively.The experimental results show that the effect of active control on reducing the longitudinal vibration of test platform can reach16.6%and28.2%respectively.Therefore,it can be known that the active control of longitudinal vibration of shafting based on PID algorithm has better effect.Key words：Longitudinal vibration,piezoelectric material,active control,PID algorithm华中科技大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (IV)1绪论 (1)1.1课题来源 (1)1.2课题研究背景与意义 (1)1.3国内外主要研究现状 (3)1.4本文的主要工作内容 (6)2船舶推进轴系振动特性分析 (7)2.1引言 (7)2.2轴系模型的建立 (8)2.3模型特性的分析 (8)2.4本章小结 (19)3基于压电材料的主动控制试验平台的整体设计 (20)3.1引言 (20)3.2基于压电材料的主动控制试验平台的结构设计 (21)3.3振动主动控制方法 (32)3.4基于压电材料的主动控制试验平台的控制系统设计 (39)3.5本章小结 (46)华中科技大学硕士学位论文4基于压电材料的主动控制试验平台的仿真及试验研究 (47)4.1引言 (47)4.2轴系纵向振动控制仿真 (47)4.3主动控制试验 (59)4.4对比分析 (66)4.5本章小结 (67)5总结与展望 (68)5.1全文工作总结 (68)5.2主要创新点 (69)5.3研究展望 (69)致谢 (70)参考文献 (71)华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1课题来源该研究课题获得了来自华中科技大学与第七〇一所的合作课题的大力支持，该合作课题为：轴系振动控制设备研制及轴系试验。
船舶轴系振动教学演示实验台架设计与实验分析
频谱 、 纵振频谱等关键 实验环节进行 了比对分析 和讨论 ， 得出了船舶轴 系振 动教 学演示 实验 台架 的可用
性 和 可 比性 。
关ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
键
词： 船 舶轴 系 ； 振动 ； 实验 台架 ； 教学演示
文 献 标 志码 ： Ａ
中 图分 类 号 ： ０ ４ － ３ ３
船舶轴 系 是船舶 动力 装置 中 的重要组 成部 分 之一 ， 承担 着将 船 舶 主 机发 出 的功 率传 递 给螺 旋 桨， 同时将螺旋桨产生的轴 向推力传递 给船体实 现推 船航行 作 用 。船 舶轴 系振 动是 船舶普 遍存 在 的客 观现象 ； 由于船舶 主 机 的工 况变 化 ， 不 同阶段 会 产 生不 同程 度 的振 动 ， 当其 振 动 系统 固有 频 率 与激 发频 率相 同 ， 就会 产 生 共 振 。对 于大 功 率 推 进装 置 ， 即使 不处 于 共振 状 态 ， 由于激 励 增 大 ， 也 可能 引起 剧烈 的振 动 ； 从 而 会 导致 轴 应 力 （ 扭矩 ） 呈周 期性 变化 ， 将引起 轴 系本身 及其 零件 疲劳 ， 严 重 时将发 生轴 的断裂 ， 造 成重 大 、 甚 至灾难 性 的后 果 。因此 ， 船舶 轴 系振动 问题 ， 成 为 轮机工 程 专业 技术 人员 的关 注 点 ， 也是 轮 机 工 程 学科 专 业 教 学 的一 个重 要 内容 ， 且 属于 专业 教学 重点 和难点 。 为 了在教 学环节 中 ， 更形象 描述 、 理解 和分 析 船舶 主推 进轴 系振 动形 式 、 特 点及规 律 ， 提高学 生 对轴 系振 动特 性 的认 识 ， 锻 炼 科 学分 析 和解 决 轮 机工 程 问题 的能 力 ； 一般 都 会 在 船 舶轴 系振 动 理 论教 学基 础上 ， 开设 对应 的实 验项 目。通 过实 验 ， 学生 可独立 自主 的完 成 轴 系 振 动数 据 的采 集 、 分 析， 感性 、 直观 地认识 和 理解船 舶轴 系振 动 内在形 式及 特性 ， 从 而有 助 于学 生 对 轮 机 专业 知识 的理 解并 培养 其独 立分 析和解 决 问题 的能力 。