轴-壳结构在船舶海洋工程都有着广泛的应用，是船舶以及潜艇、鱼雷的重要基础结构，因此对其动力学特性研究具有重要的理论和实际应用价值^【1】。船舶轴系主要由螺旋桨、艉轴、中间轴、滑动轴承、推力轴、推力轴承、弹性联轴节、变速装置、柴油机以及轴系辅助等零部件组成^【2】。以直接传动形式的船舶，主推进轴系是其动力装置的必不可少的组成部分，主推进轴系作为扭矩推力的转换装置，其主要功能是将船舶主机发出的功率传递给螺旋桨，使螺旋桨产生转动，同时又将螺旋桨旋转时产生的推力传给船体，推动船舶航行^【3】。有资料表明，水下航行器在水下靠电机航行时，螺旋桨运动引起的噪声无论在低航速还是高航速都有可能成为主要噪声源^【4】。在较低航速时，螺旋桨运动引起的系统振动通过轴系传递到壳体引起的间接振动的辐射噪声远高于螺旋桨直接辐射噪声，因此，在高速航行时，螺旋桨引起壳体振动的间接噪声是不可忽略的^【5】。在水下航行器声学设计中，如果对这一由螺旋桨引起的轴系-壳体耦合振动噪声源重视不够，它可能成为航行器辐射噪声中的主要部分，严重影响水下航行器的声隐身性，因此研究轴承参数对轴-壳振动的影响是很有必要的^【6】。轴承参数的不同将对轴-壳耦合系统的振动特性产生很大影响，从而也影响着船舶噪声的产生。选择合理的轴承参数对噪声的减小和消除意义重大，因此对轴承参数的研究在各方面均有广泛的应用。船舶推进轴系的振动计算是船舶设计和建造过程中非常重要的一个环节^【7】。

从20世纪70类似于计算扭转振动的方法计算轴系纵向振动。不论对离散系统模型还是分布系统模型，推进轴系纵向振动与扭转振动都具有完全相似的数学模型，只年代中期起，国内外船级社规范陆续对推进轴系纵向振动计算和测量提出了要求，有些船级社已经明确规定推进轴系纵向振动特性计算作为船舶入级的内容之一^【8】。由于推进轴系纵向振动的基本原理和推进轴系扭转振动相同，自20世纪80年代初，用要把扭转振动的动力学参数改换为相应的纵向振动动力学参数，便可以直接套用扭转振动的计算公式^【9】。近年来壳体动态响应领域的研究走势，以壳体的自由振动为主。目前国内外对于圆柱壳体已经开展了深入的研究，从无限壳体到有限壳体，从单一壳体到复合壳体等等。对于轴系，研究同样也很透彻，轴系的弯曲，扭转，纵振以及弯矩纵距振动都有大量的研究^【10】。但是，过去的研究中往往将轴壳隔离，忽略了它们之间的相互作用。对于一个组合结构，系统的动态特性与单一部件的特性并不相同，这部分研究目前并不深入^【11】。据资料表明，现有的分析主要以薄壳理论、厚壳理论、三维弹性理论、扁壳理论、薄膜壳体理论以及非线性壳体理论为主，主要的壳体模型是扁壳、圆柱壳、球壳、圆锥壳和其他旋转壳体。所采用的研究方法主要是（半）解析法、数值法和试验^【12】。因为本文研究的潜艇结构是薄壳，所以主要以薄壳理论为主。为了便于计算分析,往往需要对轴系的实际结构进行简化、抽象和提炼,得到适合于计算使用的简化力学模型。不同的计算方法使用不同的力学模型,如传统的Holzer表法使用的是集中参数的轴系模型,基于商用软件的有限元法则使用分布参数的离散化模型。多年来的理论研究和工程实践表明,轴系力学模型的简化方式对轴系振动特性的计算结果有明显的影响^【14】。轴承作为支承，其动力特性对转子系统体现出越来越重要的作用，支承本身的固有属性－刚度和阻尼特性对转子临界转速、不平衡响应等有重要的影响^【15】。

轴承参数主要包括轴承的支撑刚度和阻尼，轴承的刚度分为轴向刚度和径向刚度，阻尼也分为轴向阻尼和径向阻尼。轴承径向参数控制着主轴系统的低阶模态，而轴向参数控制高阶模态。轴承支承刚度参数对于高速主轴系统动力学参数存在很大的影响，尤其在低阶模态中体现甚大，轴承的径向参数影响主轴系统的径向相对变形的模态，轴承的轴向参数影响轴的弯曲变形的模态^【16】。壳体作为桨-轴子系统的弹性边界条件，通过轴承参与到轴系的振动，使轴系振动的固有频率发生偏移，实现轴-壳耦合^【17】。在对轴承接触问题的分析中，随着现代计算机技术的发展，其在算法以及计算能力上都相当强大，可以利用计算机技术解决赫兹接触理论繁琐复杂的计算问题。以计算机技术为依托，世界各国设计产生了大量的软件来对有限元相关问题进行分析^【18】。由于具有优良的非线性分析能力，接触分析作为非线性分析的一种，其问题定义和分析方法都不会超出非线性分析的范畴，因此应用ANSYS进行接触分析是可行的^【19】。可以在对轴承结构以及其相关参数分析的基础上建立了轴承参数化系统，并将参数化生成的三维模型结果进行一定处理导入到中，进行接触应力进行分析，实现了参数化设计以及利用有限元分析软件分析轴承接触应力的研究^【20】。在应用 ANSYS 中的二次开发工具 APDL 对滚动轴承进行建模过程中，只需提供轴承相关参数以及约束条件，就可以快速完成滚动轴承的建模、网格划分以及施加载荷和边界条件，并自动进行有限元分析^【21】。在建立轴承参数化建模与分析系统的过程中，应首先对轴承进行参数化建模，采用线性弹簧模拟轴承支承，在有限元模型的基础上进行边界条件的设置和载荷的施加。然后调用 ANSYS 软件进行数值计算，得出对应结果^【22】。最后在系统输出界面上查看需要的结果。可以使用旋转截面法建立有限元三维模型并进行动、静力学分析，此种方法能够控制网格大小，网格形状规范，可人为控制节点位置，对于载荷、约束的施加方便快捷，减少了不必要的时间浪费^【23】。

本文主要将对轴承参数对轴-壳振动影响进行仿真，利用Ansys软件建立推进轴系与壳体的组合结构分析模型，分析振动由轴系到壳体的传递规律以及振动产生的机理，并在此基础上对振动传递影响较大的设计参数及影响规律进行分析，更好地控制轴系-壳体耦合振动噪声，为进一步的水下结构耦合振动研究工作提供依据。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容和目标：

（1）了解轴-壳耦合系统振动方面的国内外研究现状。

（2）学习ANSYS软件及结果分析方法。

（3）利用ANSYS软件建立轴-壳耦合系统的有限元模型，对轴承分别做不同形式的简化。

（4）分析不同简化形式、位置、长度轴承对轴-壳耦合系统振动特性的影响。