帶螺旋槳激振力的軸系耦合縱向振動特性分析

李淵博，霍 睿，解曉嬌，孫淵博

(1. 山東大學 機械工程學院，山東 濟南 250061；2. 山東大學 高效潔靜機械制造教育部重點實驗室，山東 濟南250061；3. 山東大學交互設計研究所，山東 濟南 250061；4. 中國人民解放軍92143部隊，海南 三亞 572000)

0 引 言

螺旋槳激勵是艦船水下噪聲輻射的主要激勵源[1]。針對艦艇推進軸系的一般結構形式計算螺旋槳軸承力，仿真計算螺旋槳敞水特性，模擬螺旋槳激振力敞水環(huán)境中的變化規(guī)律。

軸系振動過程中，螺旋槳縱向激勵的傳遞效率遠高于橫向激勵的傳遞效率,軸系對螺旋槳縱向非定常激勵的放大作用明顯[2]。因此通過建立槳軸耦合系統(tǒng)縱向振動動力學模型，求解軸系受縱向激勵作用的振動響應和振動功率流。

將計算獲得螺旋槳軸承力的脈動成分輸入耦合系統(tǒng)，分析軸系在螺旋槳激勵下的縱向振動響應和功率流傳遞、耦合效應和影響因素。相比已有研究，本文將螺旋槳激勵特性和槳—軸—艇耦合振動結合起來進行分析，更加符合實際工況。

1 螺旋槳軸承力的計算

流體運動過程中滿足質(zhì)量守恒定理和動量守恒定律[3]。使用Pro/E軟件進行螺旋槳建模，用CFD方法仿真螺旋槳敞水動力性能，用MRF模型模擬穩(wěn)態(tài)下的螺旋槳水動力性能。采用滑移網(wǎng)格模型提取螺旋槳定常軸承力隨時間變化的曲線，F(xiàn)ourier變換獲取螺旋槳激振力隨頻率變化的曲線。

1.1 螺旋槳敞水特性計算

目標螺旋槳為7葉槳，直徑3.10 m，螺距比0.753，伸展面積5.56 m2，直角坐標系如圖1所示，來流方向為x軸負方向。

圖1 螺旋槳三維建模示意圖Fig. 1 Schematic diagram of three-dimensional modeling of propeller

采用ICEM劃分2個計算域，一是隨槳轉動的轉動域，二是較大的靜止域。轉動域直徑為1.2D，坐標原點至入口距離1D，至出口距離0.68D，網(wǎng)格質(zhì)量為0.2，網(wǎng)格總數(shù)290萬；靜止域直徑為6D，坐標原點至入口和出口距離分別為3D和6.9D。采用結構網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量為0.67，網(wǎng)格總數(shù)21萬。設置完畢后開始仿真計算。螺旋槳轉速n=140 r/min，由可得相應進速系數(shù)下的平均來流速度Vs。

n表1 轉速 = 140 r/min時進速系數(shù)與來流速度Tab. 1 Feeding speed coefficient and incoming flow speed at speed n = 140 r/min

1.2 螺旋槳軸承激振力的敞水計算

圖2 螺旋槳敞水特性曲線Fig. 2 Open water characteristic curve of propeller

敞水環(huán)境下，槳葉轉動過程中會形成復雜的流場，并使得螺旋槳推力和轉矩呈現(xiàn)脈動。基于穩(wěn)態(tài)計算，將區(qū)域運動模型變?yōu)榛凭W(wǎng)格模型，其余設置不變，采樣頻率1×103Hz，步長0.001 s。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，各軸承縱向力的脈動周期約為軸承力頻率的7倍，與葉頻一致。軸承力頻率脈動的最大幅值也在葉頻處，且在2倍葉頻和3倍葉頻處也有明顯的脈動幅值，符合螺旋槳激振力的相關理論。

2 槳軸耦合系統(tǒng)縱向振動建模與解析

建立槳軸耦合系統(tǒng)縱向振動的力學模型，運用子結構導納法求解運動微分方程，推導能量傳遞、能量分布等振動特性的計算方法。

2.1 系統(tǒng)縱振的建模與解析

假設各彈性支承件均為理想的線性彈性元件，螺旋槳質(zhì)量集中于一點，如圖3所示。

圖3 推進軸系的動力傳遞關系圖Fig. 3 Longitudinal power transmission relationship of propulsion shaft system

1）螺旋槳

2）傳動軸

設軸密度為 ρ2，橫截面積為S2，楊氏彈性模量E2，則有：

4）推力軸承

假設軸承潤滑膜為周向均勻的線性彈性元件，則

對上述微分方程組進行Fourier變換，其中式（2）有通解

再對Fourier變換后的方程組求解可得C1和C2表達式為：

2.2 功率流及振動能量密度的計算

軸系縱振的能量耗散途徑主要有2個：一是通過推進軸系以激振力的方式傳遞給船體，二是在流場中以噪聲的形式向外輻射。

~Fx

螺旋槳軸向激勵 的振動功率流

振動阻尼耗散平均功率

槳軸連接面的功率流傳遞

推力軸承向軸承座及船體的功率流

3 槳軸耦合縱向振動功率流傳遞特性

基于Matlab建模計算軸系縱向振動功率流。推進系統(tǒng)相關基礎參數(shù)參照文獻[4]中關于某型船推進系統(tǒng)的基礎參數(shù)。輸入前文計算得出的螺旋槳軸承激振力數(shù)據(jù)，分別觀察系統(tǒng)在單位激勵和計算所得激勵的作用下產(chǎn)生的振動響應，計算并分析螺旋槳激勵在耦合系統(tǒng)中的功率流傳遞特性和能量耗散過程。

將單位激振推力輸入槳軸耦合系統(tǒng)得到頻譜組如圖4所示。

圖4 單位激勵下系統(tǒng)縱向振動功率流傳遞和能量耗散Fig. 4 Power transmission and energy dissipation of system longitudinal vibration under unit excitation

圖中各圖較明顯的共振峰表達了軸的模態(tài)特性。由于軸承縱向剛度很大，因此軸殼之間的耦合作用效果也較強。

將計算所得激勵作為激勵源輸入系統(tǒng)得到圖5。

圖5 計算所得激勵下系統(tǒng)縱向振動功率流傳遞和能量耗散Fig. 5 Power transmission and energy dissipation of longitudinal vibration of the system under calculated excitation

2組頻域圖的相同之處：在第1段主峰（54～58 Hz）前的頻域，各功率流和能量值均與頻率成正比，越過第1段主峰后曲線的表現(xiàn)形式改為震蕩下行；當激振力頻率接近系統(tǒng)固有頻率時產(chǎn)生共振現(xiàn)象；頻率越高曲線振動的模態(tài)就越密集。

不同之處：比較2組圖中的(a)和(c)，單位激勵輸入的功率流幾乎全部經(jīng)過槳軸連接面?zhèn)鬟f至傳動軸。而在本文計算所得螺旋槳激勵下，螺旋槳受流體的激功率遠高于通過槳軸連接面至傳動軸的部分。

縱向振動的功率流始終以較高的效率傳遞給船體，這也證明了前文中關于縱向振動在能量傳遞上處于主導地位的引述。

4 結 語

通過以上研究分析得出如下結論：

1）槳軸耦合系統(tǒng)縱向振動中的各傳遞功率流隨著激振力頻率升高呈逐漸降低、震蕩下行的趨勢；

2）激振力頻率與系統(tǒng)固有頻率相近會引發(fā)共振現(xiàn)象；

3）推力軸承的縱向傳遞路徑相對簡單，剛度很大，軸與船體結構在軸向方向的聯(lián)結精確且可靠，因此振動耦合作用較強。螺旋槳激振力頻率越高時，各功率流模態(tài)的密集型就越強；

4）縱向激勵輸入的功率流以較高的效率最終傳遞給船體，縱向振動能量傳遞是能量傳遞整體的主體部分；

5）在螺旋槳激勵輸入系統(tǒng)前，流體阻尼等因素就已經(jīng)損耗掉部分振動功率流，損耗比例與激振力頻率成正比。

關于螺旋槳激勵下槳軸艇系統(tǒng)縱向振動響應機理的分析，有助于更加深入的研究螺旋槳激勵與船體結構振動的必然聯(lián)系，為艦船減振降噪工程提供部分理論參考。