摘 要

船舶推进轴系在船舶动力的传递过程中起着至关重要的作用，轴系动力学性能的好坏直接影响着船舶的可靠性和安全性。随着船舶大型化的发展，船舶在设计制造的过程中对工艺和质量等方面的要求越来越高，船舶推进轴系良好工作性能的实现更是其中的重点之一。因此开展对于船舶推进轴系的振动形式和动态特性的分析具有非常重要的意义。

本文以某船舶的推进轴系为研究对象，从轴系建模、轴系固有频率分析和轴系动力学特性分析等几个方面展开研究。在轴系振动理论以及相关建模仿真分析理论的基础上，依据船舶推进轴系的实际尺寸，并对船舶推进轴系进行合理简化后，利用SolidWorks建立三维实体模型，随后分别导入ADAMS和ANSYS中进行下一步的分析。

在ANSYS中借助于有限元法，对所建立的船舶推进轴系的三维实体模型进行网格划分后，对轴系进行模态分析，并得出各阶模态下轴系的固有频率。将三维实体模型导入ADAMS后，结合多刚体动力学的相关理论，对轴系各部分添加了约束并施加载荷，建立起船舶推进轴系的多刚体模型，并完成船舶推进轴系多刚体动力学仿真，得到轴系的动力学特性。

本文利用在SolidWorks所建立的船舶推进轴系三维实体模型，通过在ADAMS和ANSYS中开展仿真分析对轴系的相关特性进行了分析和研究，为今后船舶推进轴系的设计和优化提供了理论依据。

关键字：船舶推进轴系；有限元；多刚体动力学；振动

Abstract

The ship propulsion shafting plays a key role in the ship's power transmission. The dynamic performance of the shafting directly affects the reliability and safety of the ship. With the development of the large-scale ship, the ship's requirements for process and quality have become higher and higher in the process of designing and manufacturing, and the realization of the good working performance of the ship's propulsion shafting is one of the key points. Therefore, it is very important to carry out the analysis of the vibration form and dynamic characteristics of the ship propulsion shafting.

In this paper, the propulsion shafting of a ship is taken as the research object, and the research is carried out from several aspects such as shafting modeling, shafting natural frequency analysis and shafting dynamics analysis. Firstly, on the basis of shafting vibration theory and relevant modeling and simulation theories, based on the actual size of a ship, the ship's propulsion shafting system is simplified, and a 3D solid model of the ship's propulsion shafting system is established using SolidWorks, and then imported into ADAMS and ANSYS for further analysis.

In ANSYS, the three-dimensional solid model was meshed by means of the finite element method. Then the modal analysis of the shaft system was performed, and the natural frequency of the shaft system under each mode was obtained. After the three-dimensional solid model was imported into ADAMS, combined with the relevant theory of multi-body dynamics, constraints were imposed on each part of the shaft system and a load was applied. A multi-rigid model of the ship's propulsion shafting system was established and the multi-rigid body dynamics simulation of the ship's propulsion shafting system was completed, and then, we got the dynamic characteristics of the shaft system.

In this paper, the three-dimensional solid model of ship propulsion shafting established in SolidWorks is used to analyze and study the relevant characteristics of shafting system through simulation analysis in ADAMS and ANSYS, which provides a theoretical basis for the design and optimization of ship propulsion shafting in the future. .

Key words: ship propulsion shafting; finite element; multi-body dynamics; vibrate

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文的主要研究内容 2

1.4 章节安排 3

第2章 基本理论介绍 4

2.1 轴系振动理论 4

2.1.1 轴系扭转振动 4

2.1.2 轴系纵向振动 5

2.1.3 轴系回旋振动 6

2.2 有限元法理论基础 6

2.2.1 有限元法的基本思想 7

2.2.2 有限元法的实现过程 7

2.3 多刚体动力学理论基础 8

2.3.1 多刚体动力学建模方法 8

2.3.2 多刚体动力学方程及求解方法 9

2.4 本章小结 10

第3章 船舶推进轴系几何模型建立 11

3.1 船舶推进轴系简化模型及参数设计 11

3.2 基于SolidWorks的三维实体建模 11

3.3 本章小结 14

第4章 基于ANSYS的船舶推进轴系模态分析 15

4.1 船舶推进轴系有限元分析模型的建立 15

4.2 船舶推进轴系模态分析 16

4.3 本章小结 22

第5章 基于ADAMS的船舶推进轴系多刚体动力学仿真 24

5.1 船舶推进轴系多刚体模型的建立 24

5.1.1 编辑构件 24

5.1.2 添加约束 25

5.1.3 施加驱动和载荷 26

5.2 船舶推进轴系多刚体动力学仿真及分析 27

5.3 本章小结 31

第6章 总结 32

6.1 结论 32

6.2 展望 32

6.3 环保性分析与经济性分析 33

6.3.1 环保性分析 33

6.3.2 经济性分析 33

参考文献 35

致 谢 36

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

近年来，我国的船舶工业快速发展，船舶制造工艺和造船吨位都在不断增长。随着时代的发展、科技的进步，造船业和航运业也面临新的挑战，对于船舶在工艺、技术和质量等方面的要求越来越高。而船舶推进轴系作为船舶重要的动力装置，是船舶可靠运行的重要保障。因而对船舶推进轴系的特性进行分析和研究，是保障动力装置安全可靠运行的理论基础，并且对船舶推进轴系特性的分析和研究，也可以为诊断船舶动力装置的故障和维护轴系提供指导和帮助。

船舶推进轴系是船舶动力装置系统中不可忽缺的重要组成部分。船舶主机的功率通过推进轴系传递给螺旋桨，而螺旋桨旋转所产生的轴向推力传给船体以推动船舶运动。而在船舶航行期间，船舶推进轴系受到各种各样的因素和海况的影响，承受着各种复杂载荷的作用，而在载荷的作用下轴系产生振动，也同时改变着轴系的动力特性和扭振特性。

船舶推进轴系振动形式有扭转振动、纵向振动、回旋振动等。轴系的振动也会影响轴系中的各种受力部件，轴系中每个轴承的受力也将发生不可预测的变化。这可能导致主机的曲轴，中间轴和传动轴发生断裂；尾轴管早期磨损，主发动机凸轮轴和传动齿轮损坏等。此外，轴系的振动也可能会对柴油机以及柴油机的机架产生不好的影响。可能会导致柴油机在工作中发生故障，并且也可能会使得机架、双层底产生振动，从而导致整个船体处于振动的不稳定状态。而以上种种都会对船体结构强度和船舶在航行过程中的安全问题产生影响，因此对船舶推进轴系进行分析和研究具有重要的意义。

1.2 国内外研究现状

在船舶推进轴系的研究初期，人们普遍认为轴系的转速恒定，但是随着船舶大型化的发展，船舶推进装置的功率不断提高，在船舶航行过程中轴系的工作情况也愈加复杂，这也使得越来越多的科学家将目光聚焦在船舶推进轴系的研究上。19世纪末，轴系开始被作为弹性体为人们所研究，1921年霍尔茨设计出了Holzer表，在相当长的时间内Holzer表都作为首先方法被用于计算固有频率和振型，并沿用至今，直到20世纪中期，对于扭转振动的研究逐渐成熟，开始有更多新的方法和研究手段产生，例如以其易于编程计算的特性而成为现在常用的计算轴系扭振固有频率的传递矩阵法等。随后产生的能对模型进行更为真实的模拟的有限单元法以其高精度的计算结果，也成为人们所推崇的一种计算方法。

发展到今天，综合国内外学者的研究和分析可以看到，对于船舶推进轴系的研究已经有了较为丰硕的研究成果。王飞用ANSYS和ADAMS进行联合分析，得到了轴系在不同工况下的工作特性。汪骥,王飞翔,李瑞等采用基于二次规划的优化方法来计算轴承位移调整量，并用基于轴承负荷影响数的算法对轴承调整后的负荷进行预测，分析了承受指定载荷的轴承的位移计算方法。林辉在综合了传感器技术、动力机械测试技术等理论知识的基础上，自行设计研发出测量船舶推进轴系扭转振动频率以及轴系工作功率的系统，并且已经在实际的船舶运行过程中使用，进行船舶相关参数的测量。李儒凡在考虑各种异常振动或者因轴承润滑不良产生的局部磨损的情况下，建立了轴承润滑数学模型，并对各种工况下，舰轴润滑性能的影响分析进行了总结。

在水环境中，船体变形是影响轴承偏移的最重要的干扰因素，大型船舶的船体变形对推进轴系的影响已成为研究热点，引起相关的专家学者的高度重视。由于大型油轮的轴系较短而刚性较强，并且其轴系往往都是与柴油机直接进行连接的，因而其对船体变形的感知十分的敏锐，如果在设计时不考虑船体变形的话，可能会使得轴承无法对齐，从而对轴承的使用寿命产生严重影响。Lei Shi等在对船体变形进行仿真分析的基础上，提出了考虑船体变形的轴系校正方法。分析研究了造成船体变形的三个主要因素，构造整个船体的有限元模型。以平静水域中的轻型船舶为参照，获得相对的轴承偏移量，以研究船体变形对轴系对中的影响并优化轴系对中结果。田哲等探索了船体变形激励不确定方向下以及变尺寸参数下轴系振动的影响规律，为大型船舶船体变形激励下的轴系振动问题提供了理论基础。

针对船舶推进轴系产生的振动，也有大量的学者采用各种方法分析并试图规避和控制振动的产生，对此国内外均有相应的研究和发现。Hongzhi W等基于船舶轴系对中理论，以ANSYS作为分析工具，通过非接触式测量方法与船舶航向优化对准的理论计算相结合，计算并验证了试验台的航向对准条件，实现了船舶轴系校准状态监测。Roemen和Grevink用有限元建立了一个包含轴承的轴系模型来分析一种规避轴系共振的方法。Tsyss,V.G等基于现代封装使用的有限元建模完成船舶轴系柔性联轴器设计分析，以扭转振动影响。何伟借助于MATLAB，设计出了计算轴系振动的程序和系统，对轴系的固有频率和振型进行求解，并通过ANSYS仿真进行结果验证。

1.3 本文的主要研究内容

本文在前人研究成果的基础上，借助于已知船舶推进轴系的相关参数进行三维实体模型的建立，并采用有限元法和多体动力学的相关理论知识，对船舶推进轴系进行建模仿真，并对轴系的振动特性以及力学特性进行分析和研究。

本文的研究内容主要包括以下几个方面：

（1）结合我国首艘自行开发设计的专用航海教学实习船“育鲲”轮的推进轴系相关参数，在SolidWorks中建立船舶推进轴系各个部件的三维实体模型，并根据实际轴系中各部件的相对位置，在SolidWorks中装配出船舶推进轴系的三维实体模型。

（2）将轴系的三维实体模型导入有限元分析软件ANSYS中，依据单元选取和划分的原则进行网格划分，随后进行模态分析，并得出在各阶模态下轴系的固有频率特性。

（3）在动力学仿真软件ADAMS中对所导入的轴系的三维实体模型进行相关设置后，在各个部件之间添加合适的约束，随后对轴系施加驱动转速和扭矩，在ADAMS中建立起多刚体动力学模型，运行仿真分析度的到轴系的角速度、角加速度、以及各轴承的受力曲线。

（4）通过对船舶推进轴系模型的建立和仿真运行得出的结果，对所建立的模型的可行性和完善性进行分析和评价，验证了所建立模型的正确性以及结论的可靠性。

1.4 章节安排

本文从六个章节对所研究的内容进行分析和说明，完成了船舶推进轴系模型的建立以及仿真和数据分析。具体安排如下：

第一章为绪论部分，首先从研究的目的及意义着手，并对相关的理论与文献进行回顾，其中对于相关理论和文献的梳理主要从前人对船舶推进轴系的研究以及对船舶推进轴系的建模和分析方法这两个方向展开。最后对论文的主要研究内容及章节安排进行描述。

第二章主要介绍了本文所用到的相关理论及软件。在轴系振动理论中讨论了常见的三种振动形式，以及振动产生原因、危害以及计算方法。并对有限元法和多刚体动力学进行了简要说明，为后续研究做铺垫。

第三章对船舶推进轴系几何模型的建立过程进行了阐述。首先结合某船舶推进轴系的相关参数，在对轴系进行简化后，利用SolidWorks对轴系各部件进行三维实体模型的建立。并按照各部件的相对位置，将各部件装配成完整的船舶推进轴系的三维实体模型。

第四章主要分析了利用ANSYS对船舶推进轴系进行模态分析的过程。在将船舶推进轴系的三维实体模型导入ANSYS后，对轴系的参数进行设置，并划分网格，得到船舶推进轴系的有限元分析模型，进行前十阶的模态分析并得出相应的轴系固有频率。

第五章结合多刚体动力学理论在ADAMS对船舶推进轴系进行动力学分析。对导入到ADAMS中的船舶推进轴系的三维实体模型进行材料参数设置，并对各部件添加约束和驱动，在ADAMS中开展仿真分析，得到轴系旋转的角速度、角加速度和各轴承的受力情况。

第六章对在研究中所取得的有关于船舶推进轴系相关特性的研究成果进行了总结和分析，并对未来在船舶推进轴系方面的研究方向和研究内容进行了合理的设想。

第2章 基本理论介绍

2.1 轴系振动理论

振动是自然界最普遍的现象之一，在工程技术领域，振动也是重要的研究对象。而由于受到船体变形以及各种复杂载荷的影响，船舶推进轴系在工作的过程也必然会产生振动。常见的轴系振动形式有三种：扭转振动、纵向振动和回旋振动。

2.1.1 轴系扭转振动

1）轴系扭转振动简介

扭转振动是轴系在工作中常发生的一种机械振动，这是由于轴系在将功率从主机传递到螺旋桨的过程中，各轴段的扭转角度很容易不相等，使得轴段在工作中发生不同程度的摆动，因而产生了扭转振动。分析轴系的工作状态易知，轴系具有较大的转动惯量，但是由于轴系较长，扭转刚度又较小，使得轴系扭转振动的频率较低，因此，在轴系的工作过程中更容易产生共振。而一旦轴系产生共振，会使得轴系在运行过程中产生较大的噪声，更会加剧零件的磨损，长此以往，可能会使得轴系断裂。综上所述，扭转振动是船舶推进轴系设计过程中必须考虑的影响因素。

在20世纪初期，有关于扭转振动的问题开始在动力装置中提出，逐渐得到人们的关注和研究。由于在研究初期机械发展尚未成熟，因而专家和学者并未将研究的重点放在轴系扭振问题的探索和分析上，但是在这个研究和探索的过程中，仍然得到了许多行之有效的分析方法，如Holzer 表格法和Geiger 扭振测振仪等，并且这些方法至今都仍在使用。随着机械制造工业的发展，对于轴系扭转振动的研究也逐渐深入，从计算分析逐步发展成为一门完整的理论体系，同时借由大量的实验和研究逐步完善，并被广泛的应用到实际的生产生活中。如今伴随着科技的发展，计算机在工程技术领域的广泛运用，也使得人们可以通过计算机和软件完成更为复杂的扭振的计算和研究，轴系的扭振设计及强度计算已经成为船舶轴系设计中必不可少的考虑因素。

随着大型船舶的发展，船舶主机的功率不断提高，船舶推进轴系所负担的载荷也越来越大，因而在各种环境因素和受力载荷的作用下，出现轴系扭转振动的现象也逐渐增加，如今轴系扭转振动也已经成为船舶推进轴系故障的原因之一。而造成船舶推进轴系扭转振动的因素也有很多，例如船舶推进轴系由于零部件生产加工或安装时的不精确所造成的不对称，螺旋桨在复杂海况中工作时对轴系施加的不均匀的激励，以及柴油机由于转速不稳定对轴系输出的不稳定的扭矩等。

2）轴系扭转振动的计算方法

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：