某船舶推进轴系扭振计算分析-不错的论文

1、SHIP &BOATOctober ,20112011年10月船舶轮机某船舶推进轴系扭振计算分析金立平(吉林省地方海事局长春130061关键词船舶推进轴系;有限元;转动惯量;扭振摘要提高轴系扭振计算精度,必须有精确的原始参数,以准确掌握船舶轴系扭振情况。在有限元分析软件中,建立曲柄半拐等的三维模型,用有限元分析方法精确的确定了各质量、轴段的转动惯量、扭转刚度等精确原始参数。基于建立的实船轴系当量系统,计算出了各结自由振动的频率及对应的共振转速,自由端和飞轮输出端的振幅,分析了轴段应力和扭矩随曲轴转角及转速的变化关系。结果表明在整个转速范围内,扭转振幅小于限定值,轴段的最大扭矩和应力均小

2、于材料许用值,本船舶轴系扭转振动状况是良好的。中图分类号U664.21文献标志码A文章编号1001-9855(201105-0046-04Torsional vibration calculation and analysis of a ship propulsion shaftJIN Li-ping(JiLin Local Maritime Safety Administration ,Changchun 130061Keywords :marine propulsion shafting ;FEM ;inertia moment ;torsional vibrationAbstract :

3、The precise original parameters are critical for improving the calculation accuracy of shaft torsional vibration.A three-dimensional mode of a half crank is established in the finite element analysis software to accurately calculate the original parameters such as the moment of inertia and torsional

4、 stiffness of each shaft section.Based on the established real ship shafting equivalent system,this paper calculated the free vibration frequency and the corresponding resonance speed,as well as the vibration amplitude of the free end and the flywheel output end,analyzed the relationship of the stre

5、ss and torque of shafts and the crank angle and engine speed.The results show that in the whole speed range,the torsional amplitude is less than the allowable value and the largest shaft torque and stress are less than limited value of the material.So that the ship shafting torsional vibration is in

6、 a good situation.收稿日期2011-07-22;修回日期2011-08-01作者简介金立平(1981-,男,汉族,工程师,主要从事水上安全监督及海事信息化工作。引言船舶推进轴系振动一直是船舶界十分关心的问题,扭振分析的精度关键在于模型的准确性。提高模型扭振计算精度的方法,一方面是增加集中质量的数量,另一方面是各质量、轴段的转动惯量和刚度等原始参数的精确计算1,2。本文采用有限元分析法,精确计算了曲轴半拐的原始参数,对船舶轴系的扭转振动进行了准确的分析计算。1转动惯量和刚度等原始参数的计算对于曲轴等复杂形状的物体,转动惯量传统的计算方法是用许多以曲轴中心为中心的、间隔为d R

7、的圆弧,划分成许多弧形小块。然后分别求得各弧形小块对曲轴中心的转动惯量,再将其相加即可得其相对于中心线的转动惯量。很显然,对于曲柄等 图2划分后的模型图3节点位移图复杂形状的物体,传统计算方法实际操作上非常不便,难以准确求解3,4。对于单位曲柄扭转刚度的计算,目前均采用半经验公式进行计算,由于各种经验公式都有各自特定的使用机型,有一定的适用范围,因此很难用统一的公式来计算曲柄的扭转刚度5。本文采用Ansys 有限元软件进行分析计算。为减少计算工作量,采用半拐进行分析,包含1/2主轴颈、曲柄臂和1/2曲柄销;建立的半拐三维模型如图1所示;然后定义材料属性,划分模型,并细化过度圆角处网格,施加约束

8、和扭矩,如图2所示;最后求解计算,得出主轴颈端面节点的扭转位移等数据,图3为求解后的节点位移图。根据刚度计算公式(1,可求得半拐刚度K=MN ·m ·rad -1(1式中:M 为施加的扭矩,N ·m ;为扭转角度,rad 。整拐刚度值则为半拐刚度值的1/2。求得的各质量、轴段的转动惯量和刚度如下表1所示。2当量系统模型某船推进轴系当量系统模型如下页图4所示。对应的振动系统矩阵微分方程为:I 咬+C 觶+K =M (2式中:I 为转动惯量矩阵;C 为阻尼矩阵;K 为刚度矩阵;M 为激振力矩向量;为扭转角度向量。3计算结果及分析本轮主机额定转速127r/min , 发

9、火间隔角为图1 半拐三维模型表1转动惯量与刚度的计算值质量号1234567891011转动惯量(kg ·m 2510043684368436843684368436820281012125831557扭转刚度(N ·m ·rad -1·1088.507.9480.207.797.998.3310.8716.260.430.92SHIP &BOATOctober ,20112011年10月 图8飞轮输出端扭振振幅随转速变化关系图7自由端扭振振幅随转速变化关系图4当量系统模型120度CA ,发火顺序为1-5-3-4-2-6。对于实际的船舶内燃机轴系,

10、由于柴油机的转速较低,而且高频的激振力矩很小,所以一般不会出现高频的振动。3.1自由振动结果分析本文取其前6结振动,求得的各质量16结振动的频率与振型如图5所示。单、双结振动下,112各谐次对应的临界转速(r/min 如下表2所示。由于主机额定转速为127r/min ,12谐次以下的激振,能够激起单结和双结振动,对于3结及以上的共振则无能为力。在柴油机转速范围内没有出现危险共振。3.2强迫振动结果分析对于内燃机轴系,最大扭转振幅一般发生在自由端,所以针对自由端进行分析。图6示出在额定转速下,自由端扭振振幅随曲轴转角变化的关系图。可以看出,额定转速下自由端扭振振幅在整个周期内数值很小,完全符合要

11、求。图7、8分别示出了自由端和飞轮输出端扭振振幅随转速变化的关系。图6自由端扭振振幅与曲轴转角关系图2.01.51.00.50.0-0.5-1.0-1.5-2.01234567891011质量序号相对振幅图516结振型表2各谐次对应的临界转速谐次123456789101112单结振动370.5185.2123.592.674.161.752.946.341.237.033.430.9双结振动1357.1678.5452.4339.3271.4226.2193.9169.6150.8135.7123.4113.1图1012谐次激振引起2结各轴段应力20015010050瞬时许用应用2040608

12、0100120140160180轴段应力(M P a 曲轴转速(r/min 图96谐次激振引起1 结各轴段应力128420406080100120140160180轴段应力(M P a 曲轴转速(r/min 在转速范围内,随着转速的增大,扭振振幅趋于稳定,但出现两次波峰,分别在约65r/min 与145r/min 出现,由临界转速表可知,分别由3谐次、6谐次和9谐次等主谐次激振引起的。转速范围内单双结主谐次引起的各轴段应力如图所示,其他谐次引起的应力相对较小。由图9、图10可知,主谐次对第9轴段的激振远大于对其他轴段的激振。第9轴段对应于实船轴系的飞轮后端轴,符合实际情况。第9轴段承受的最大应

13、力与扭矩与转速的关系见图11、12。由计算得到的应力与转速图可看出,轴段应力和转矩的整体变化趋势随转速的增大而增大。在62r/min 左右的应力比较大,原因就是由第6主谐次激振引起的单结共振。在额定转速时,输出功率较大,应力也较大,但小于560MPa 的轴段许用应力,处在安全范围之内。4结语(1采用Ansys 有限元分析软件,绘制了半拐的三维模型,计算出端面扭转角度,继而精确计算出扭转刚度和转动惯量等原始参数,提高了轴系扭振的计算精度;(2计算出了自由振动的频率和振型,转速范围内不存在共振。轴段的最大应力小于材料许用值,本船舶轴系扭转振动状况是良好的;(3计算中采用了近似计算的方法以及计算中一些难以确定的因素,如阻尼的确定等,会不可避免的产生一定的误差,但理论计算对轴系的设计优化仍具有重要的指导意义。参考文献1王祺.内燃机轴系扭转振动M .大连:大连理工大学出版社,1991.2陈之炎.船舶推进轴系振动M .上海:上海交通大学出版社,1987.6.3吴慧斌,高世伦,王兴光,等.6110/125Z 柴油机轴系扭振与减振分析J .内燃机工程,2003,24(6:56-58.4魏