摘 要

曲轴机构作为船舶柴油机中最为重要的运动部件，其主要承受着承受运动形式的转变以及复杂的交变载荷等。曲轴机构本身的不平衡振动造成了柴油机的有害振动、噪声的传递以及耦合。船舶柴油机曲轴机构的振动分析研究的意义在于可以通过降低柴油机不平衡振动而改善其工作机能和状态，延长工作寿命，减少其损耗和日常维护的成本以及改进机舱中的工作环境。

本文采用ANSYS有限元法进行船舶柴油机曲轴模态仿真分析，建立柴油机曲轴的几何模型并对曲轴进行模拟仿真，获得曲轴在实际工况下的动态响应特性，运用有限元分析软件对曲轴进行分析和最终分析。利用ANSYS软件建立曲轴三维模型，利用有限元模型对曲轴进行相应的模态分析，通过计算前十二阶自由模态和约束模态分析模态的振型以及固有频率，优化柴油机曲轴的结构，避开共振频率。对于柴油机曲轴的优化设计，提高柴油机设计水平及柴油机可靠性有着十分重大的意义。

关键词：船用柴油机曲轴；建模；ANSYS软件；有限元分析；模态分析

Abstract

The crankshaft mechanism is the most important moving part in a marine diesel engine, and it is mainly subjected to changes in the form of movement and complicated alternating loads. The unbalanced vibration of the crankshaft mechanism itself causes harmful vibration, noise transmission and coupling of the diesel engine. The significance of the vibration analysis of ship diesel engine crankshaft mechanism is that it can improve its working function and status by reducing the unbalanced vibration of the diesel engine, prolong working life, reduce the cost of its loss and routine maintenance, and improve the working environment in the engine room.

In this paper, ANSYS finite element method is used to simulate and analyze the crankshaft modal of marine diesel engine. The finite element model of diesel engine crankshaft was established to simulate the crankshaft. The dynamic response characteristics of the crankshaft under actual conditions were obtained. The finite element analysis software was used to analyze and finally analyze the crankshaft. The three-dimensional model of the crankshaft was built using ANSYS software, and the modal analysis of the crankshaft was performed using the finite element model. The vibration modes and natural frequencies of the modal were analyzed by calculating the first-order free-mode and constrained modal analysis. Avoid resonant frequencies with reasonable structural design. For the improved design of the diesel engine crankshaft, it is of great significance to improve the design level of the diesel engine and the reliability of the diesel engine.

Key words: marine diesel engine crankshaft; modeling; ANSYS software; finite element analysis; modal analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1.研究目的和意义 1

1.1.1研究的目的 1

1.1.2研究的意义 2

1.2研究背景 3

1.3柴油机的工作特性 4

1.4研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案 4

1.4.1研究目标 4

1.4.2研究基本内容 4

1.4.3技术方案 5

1.5本章小结 5

第2章 船用柴油机曲轴振动分析 6

2.1船用柴油机曲轴特性 6

2.1.1船用柴油机曲轴的工作原理 6

2.1.2船用柴油机曲轴的工作条件 6

2.1.3船用柴油机曲轴的要求及材料 7

2.2船用柴油机曲轴振动产生机理分析 8

2.3船用柴油机曲轴机构振动传递原理 8

2.4本章小结 9

第3章 ANSYS软件简介 10

3.1 ANSYS有限元理论 10

3.2ANSYS的主要特点 11

3.3 ANSYS的求解方法 11

3.4本章小结 12

第4章 柴油机曲轴振动建模研究及模态分析 13

4.1曲轴仿真计算模型建立 13

4.2.1简介 15

4.2.2曲轴模型网格划分结果 15

4.3曲轴仿真模态分析 16

4.3.1模态分析原理 16

4.3.2模态分析步骤 17

4.3.3自由状态模态分析 17

4.3.3约束状态模态分析 22

4.4曲轴模态振型表现及原因分析 26

4.5本章小结 26

第 5 章 总结与展望 27

5.1 总结 27

5.2 展望 27

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

柴油机在各种动力机械中特点尤为突出，比如热效率高，功率范围广，更快的起动速度，维护修理更加便利，运行可靠安全。所以被大量采用，尤其是在运输船舶上，柴油机作为动力装置更是占有重要地位。随着柴油机各方面技术的不断向前发展，船用柴油机的性能也得到显著提高，与此同时其机械负荷也在不断增长。

1.1.研究目的和意义

1.1.1研究的目的

作为船用柴油机的重要运动部件的曲轴机构在运动形式的变化即活塞的往复运动转换成曲轴的旋转运动时起主要作用，并且曲轴还要承受由活塞的上下运动引起的周期性交变载荷，周期性气体冲击，以及由活塞杆组件的往复运动产生的惯性力以及由曲轴旋转引起的离心惯性力^［1］。曲轴机构自身的不平衡振动是造成柴油机的有害振动、噪声的传递或耦合最为重要的原因，曲轴机构自身的不平衡振动的对于柴油机的安全稳定运行会产生巨大的危害，首先，可能会造成动静结合部件的磨损、松裂，甚至导致柴油机整机机振动变强，进而引起油管开裂、调节装置失灵等对柴油机安全运行产生巨大威胁的故障。并且会导致柴油机的维修周期缩短;还会对柴油机附近的其他机械设备和产生影响，因此会使柴油机附近设备和仪表产生错误动作进而导致工作异常;然而柴油机的振动产生的噪声也会对周围的工作和生活环境产生影响，对船舶上工作的操作人员的健康产生不利影响。因此，降低船用柴油机的不平衡振动优点明显，对于改善柴油机工作状态，延长使用时间，降低功耗和日常维护与修理成本，以及改善操作人员的工作和生活环境具有十分重要的意义^［2］。由此引起了世界各国政府、行业组织、船东、船舶研究设计者以及制造者的广泛关注。1981年国际海事组织IMO（International Maritime Organization)通过《CODE ON NOISE LEVEL ON BOARD SHIP》船舶噪声准则的决议^［2］，并且在其中限定了不同区域的噪声极限值，同时对各国政府提出要求，积极实施该准则。除此之外，规定了噪声暴露极限值及防护措施。我国政府在GB/7452.1和GB/7452.2基础上，于2007年公布并当年实施的《GB/T 7452-2007机械振动客船和商船适居性振动测量、报告和评价准则》^［3］，详细规定了不同场所的振动限值，由此该准则成为客船和商船等船只评判适居性的重要标准。《GB/T16301-2008船舶机舱辅机振动烈度的测量和评价》中具体规定了船舶上各种辅机设备的振动评价标准和测量方法^［4］。同时，全国船舶标准化技术委员会制定了CB* 3256-85船用柴油机振动评级、CB* 3342-88船用柴油机质量评级等一系列标准用于控制船舶振动和噪声。然而，船舶振动是一个复杂的系统性问题，与船舶设备、螺旋桨、海况等其他因素均密切相关。一旦产生振动，通过采取弥补措施控制的代价是非常高昂的。因此，根据以往积累的经验，同时利用发展迅速的计算机仿真技术，在设计阶段预测和优化船舶振动和噪声将对于船舶安全是大有益处的^［5］。

1.1.2研究的意义

船舶柴油机是船舶能够安全行驶、高效运行的最为重要的因素，但是由于船舶上的维修条件相对于陆地较差，所以当柴油机发生某些故障时，其修复难度较大，维修成本也显著提高。据有关数据表明，在柴油机的机械故障中大约有69%一85%是由振动产生的，而其中30%一40%的振动故障又是由不平衡导致的，而不平衡主要由曲轴系统不平衡产生。曲轴的结构参数对发动机的大小和质量，以及工作的可靠性和寿命有十分重要的影响。所以为了保障柴油机工作的稳定性应该准确的地计算曲轴的强度，并且包括曲轴静态应力计算以及动态特性分析^［6］。

柴油机的优点十分突出，所以逐渐代替蒸汽机而成为船舶最主要的动力装置。它的优点包括热效率高，功率范围广，维修方便等等。但柴油机的缺点也十分明显，尤为突出的就是它的振动和噪声问题。20世纪50年代后期，伴随着航运业的快速发展，船舶功率和速度都有显著的提高，其振动的激励力也相应随之快速增长^［7］。主机功率的快速增大促使船舶的振动问题日渐凸显，随之带来的有害振动直接引起船体结构和机械部件的疲劳破坏，也会引起相关机械构建磨损加剧、噪音增大、船员的工作条件条件恶化;影响船舶仪表、机械设备的正常工作，从而对船舶的安全运行造成影响。如果发生共振，将会导致柴油机和相关机械的损坏，并会对船舶安全产生重大威胁^［8］。

1.2研究背景

曲轴是发动机的重要组成部分，曲轴的动力学特性对于改善发动机的振动具有重大作用。在正常工作状态中，发动机曲轴会受到切向力和法向力作用，由于活塞的运动他们的大小和方向都呈周期性变化。受到影响的曲轴轴系此时将会产生三种振动，分别是横向振动、纵向振动以及扭转振动。

（1）横向振动：做旋转运动的曲轴会产生不平衡的离心力，它会使曲轴产生横向振动。一百多年前就已经有科学家对其开展研究，Dunkerley^［9］研究横向振动时受限于当时的计算机技术，研究没有取得显著结果。林浩挺^［10］建立的前端附件驱动系统理论模型，该模型是由曲轴的扭转振动所引起的，其中包括了曲轴的横向振动^［11］。

（2）纵向振动：纵向振动产生的原因是作用在曲柄销上的径向力使曲柄销和曲柄臂产生形变。由于径向力的作用，曲臂间的距离会发生周期性的轴向变化^［12］；吕兴才等^［13］通过多次实验和计算，建立了精确的曲轴纵向振动的计算方法，通过该计算方法分析曲轴纵向振动特性。与此同时建立离散化曲轴振动通用分析模型，使用MATLAB软件计算模型^［11］；吕兴才等^［14］采用相干函数对高速发动机曲轴纵向振动产生的机理进行分析，以四缸发动机曲轴为例得到纵向振动是在横向振动和扭转振动的一起作用下产生的结果；梁兴雨等^［15］利用瑞利法对高速内燃机的曲轴展开研究，并采用谐次分析法对纵向振动分析模型求解。

（3）扭转振动：曲轴扭转振动主要是由于曲轴的轴部之间的周期性相互扭转引起的，当负载施加到曲轴时，曲轴围绕中心线以小角度旋转，并且当负载被移除时，曲轴围绕其中心线发生转动；2005年，杨擂^［16］将曲轴、连杆和机体视作柔性体，根据弹簧-阻尼动力学特性，成功准确的建立了发动机曲轴轴系扭转振动的多体动力学仿真模型。并且以此分析得到模型的动态特性；于学华^［17］对带黏性橡胶减振器的V6发动机进行研究，测得相对位移和各轴颈的力矩，利用测得的数据建立曲轴轴颈力矩和皮带轮与飞轮间相对位移的数学模型，然后通过分析，得到结果^［11］。

1.3柴油机的工作特性

由于柴油机较高的经济性、广阔的功率区间、维修方便等的特点，已经取代蒸汽机并且成为船舶最主要的动力装置。在商用船舶上，推进装置主要包括大型低速二冲程柴油机、轴系、传动设备以及推进器(螺旋桨)，其中柴油机及支撑中间轴和尾轴的轴承座与船体相连。 船舶振动最重要的激励源之一是柴油机产生的振动，其产生的振动和噪声是柴油机本身的最大缺点，尤其是随着航运业的发展和环境保护标准的提高，高压缩比、高爆压、高行程缸径比（S/D)，全电控智能化技术等一系列新技术的应用，柴油机逐渐发展为长度变短、高度增加，整机刚度相对减弱，促使这一问题变得更加突出。振动不仅影响连杆、活塞、和轴系的强度，同时也会对连杆大端轴承、连杆小端轴承以及主轴承的载荷、润滑和磨损带来影响，同时使柴油机发生振动从而引起船体振动。作为船舶振动另一最主要激励源的螺旋桨激励，其产生的脉动力除直接传递给尾部船体外，还将会传递到机体、尾轴承座和中间轴承座，再传递到船体，这个传递过程通过轴系完成。总之，柴油机和螺旋桨激励产生的振动不但影响包括其自身在内的结构和附件系统，还包括作为其载体的船体及与之相邻的其它设备，甚至也会影响在船人员的身心健康而对船舶的安全运行带来隐患。从广义上讲，船舶振动、噪声和柴油机废气都属于有害排放^［18］。

1.4研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案

1.4.1研究目标

通过对船用柴油机曲轴振动进行建模仿真研究，学习及深化相关理论知识和学会相关软件的使用，并对仿真结果进行分析讨论，最终提出优化方案为解决相关问题提供参考。

1.4.2研究基本内容

曲轴作为船舶柴油机重要的运动构建件，主要作用是运动形式的转变以及承受着复杂的交变载荷等。曲轴机构自身的不平衡振动是导致柴油机发生有害振动、噪声的传递或耦合中的重要原因，本文主要研究船用柴油机曲轴三维实体建模、有限元模型的建立及模态分析，同时根据仿真结果，对柴油机曲轴振动特性进行分析，最找出优化解决方案等。采用ANSYS对结构进行分析，验证整个结构设计的可靠性，优化定位平台，为后续研究设计提供技术支持。

1.4.3技术方案

（1）搜集并研究船用柴油机曲轴振动分析相关文献，确定所选研究对象（船用柴油机曲轴）的具体型号、几何尺寸参数、材料性质及参数等。

（2）学习SolidWorks软件，利用所选研究对象的相关参数完成某型号船用柴油机曲轴的三维实体建模。

（3）学习有限元相关知识、模态分析相关基础知识和ANSYS软件的具体使用和操作方法。将三维模型导入软件中，对曲轴模型设定材料和施加边界条件，最后通过对模型进行网格划分建立有限元模型。

（4）利用ANSYS软件对曲轴模型进行自由状态和约束状态下的模态分析，获得多阶模态振型、固有频率、最大变形量等参数。根据仿真结果分析曲轴振动特性并找出降低曲轴振动的优化解决方案。

1.5本章小结

本章主要介绍了本文研究的船用柴油机曲轴振动的研究目的和意义以及国内外研究现状，发展背景。介绍了柴油机的工作特性以及研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案

第2章 船用柴油机曲轴振动分析

曲轴制造工艺的提升，对当今柴油机产业的发展有不可磨灭的作用，尤其在于现在设备工况要求日益突出严苛的当下。曲轴的强度设计作为发动机设计中最为重要的步骤，其对柴油机稳定安全的运行具有重要意义。得到曲轴最大应力分布、固有频率及振型对柴油机结构的改进设计具有重要的意义^［19］。此外，船舶在海上行驶中有可能会产生异常应力，会从而出现弯曲附加应力。曲轴产生的扭转振动可能对船舶柴油机造成十分严重的危害，甚至对曲轴的扭转应力造成影响，最终将会导致曲轴疲劳断裂^[20]。

2.1船用柴油机曲轴特性

2.1.1船用柴油机曲轴的工作原理

将活塞的往复运动通过连杆转换为曲轴的回转运动是曲轴最为主要的作用。同时曲轴还会将所有气缸所做的功汇合起来，通过曲轴和其他机构向外输出并且带动柴油机的其他附属设备工作^［21］。在曲轴带动的附属设备中，包括柴油机的喷油泵，进排气阀，启动空气分配器等，由于这些设备需要正时，所以必须由曲轴来驱动。而离心式调速器需要根据柴油机转速的变化及时调节柴油机每次的喷油量，所以也必须要由曲轴带动^［22］。

2.1.2船用柴油机曲轴的工作条件

曲轴的工作环境十分恶劣主要表现在以下几个方面，

曲轴的受力特别复杂。曲轴在工作中承受着呈周期性变化的气体力，往复惯性力和离心力，以及上述力所带来的弯矩和扭矩。这些力矩在随着变化的转角而变化的同时还会随着其承受的负荷而变化^［23］。曲轴在这些呈周期性变化的作用下，将可能带来弯曲和扭转变形并产生交变应力；

曲轴本身的应力集中尤其明显，每根曲轴都是由1-12个曲柄以及功率输出端和自由端组成，他们彼此以某个角度交错分布。每个曲柄可以分成三个部分，其中包括了曲柄销，主轴颈和曲柄臂，甚至在一些大型低速柴油机曲轴上还会直接锻出推力环，正因如此曲轴的形状发展的越来越复杂，比如曲轴上的弯头数量很多，它们都致使曲轴内部的应力分布变得十分不均匀，导致上述区域周围产生十分严重的应力集中现象。其中最危险的就是应力最集中的曲柄臂和曲柄销的过渡圆角处；

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