船体垂荡和纵摇耦合作用下转子-轴承系统的非线性动力学特性研究
发布时间：2020-12-15 10:05
船舶在海上航行时,由于风浪的影响将在平衡位置附近做复杂的摇荡运动,而这类摇荡运动产生的大位移、低频率的运动会以牵连运动的形式对船舶动力装置运行的稳定性造成影响,因此研究船体摇荡运动下船用旋转机械的动力学特性具有重要意义。本文以船用旋转机械的核心部件转子-轴承系统为研究对象,考虑了船体垂荡和纵摇的耦合运动以及转子在轴瓦内发生倾斜等因素,通过第二类拉格朗日方程推导了船用转子-轴承系统的动力学方程,采用数值方法研究了该系统的非线性动力学行为,主要工作和结果如下:（1）分析了转子转速变化时系统的动力学行为。基于短轴承油膜力假设,建立了船体垂荡和纵摇耦合运动下船用转子-轴承系统的动力学模型,数值计算结果表明,在船体垂荡和纵摇耦合运动的影响下,转子系统第一次失稳后会出现复杂的拟周期分岔与倒分岔现象;在高转速时,船舶运动会提高转子的第二次失稳转速,系统再次经过拟周期分岔进入拟周期运动,直至最终转子碰触轴瓦内壁。（2）探讨了船体运动参数变化时转子系统的振动特性。当垂荡运动幅值在较小范围内变化时,牵连运动对船用转子系统的动力学特性的影响不大;随着垂荡幅值的不断增大,转子的振幅会随之急剧增加,系统运动从拟...
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
船舶六自由度摇荡运动示意图
2垂荡和纵摇耦合作用下船用转子-轴承系统的动力学建模62垂荡和纵摇耦合作用下船用转子-轴承系统的动力学建模2.1引言对船用转子-轴承系统进行动力学研究的前提是根据实际问题的非线性特征，充分考虑影响转子振动的各种因素，并结合实际船用转子-轴承系统的结构参数特点，建立适当的动力学模型，从而为后续相关的系统动力学特性分析奠定理论基矗载体运动条件下转子-轴承系统动力学建模的基本思路是把载体的绝对运动考虑成系统的牵连运动，利用牛顿第二定律或Lagrange方程推导船用转子-轴承系统的动力学方程。在方程中，牵连运动对转子系统的影响是通过给转子施加相应的牵连惯性力的方式来实现的[51-53]。本章采用第二类Lagrange方程建立了船体垂荡和纵摇运动作用下转子-轴承系统的动力学模型。考虑了船体垂荡和纵摇运动条件下，转子受到的切向牵连惯性力、法向牵连惯性力，垂荡牵连惯性力以及陀螺力矩等；船用柴油机通常采用油膜轴承支承，而推导油膜力模型是一个涉及固流耦合的复杂计算问题，为了获取合理且精确的油膜力模型，本章基于短轴承假设、半Sommerfeld条件等计算了轴承的非线性油膜力模型以及油膜力矩模型；同时考虑了不平衡力以及重力等因素对转子-轴承系统的影响。2.2动力学模型2.2.1船体垂荡和纵摇运动船舶纵向受浪航行时，船体会绕其横轴做周期性往复转动运动，即纵摇运动，以及沿其垂直轴的上下往复运动，即垂荡运动，又称升沉运动。船舶的垂荡和纵摇运动往往是同时发生的，如图2.1所示，纵摇运动会导致垂荡，垂荡运动会导致纵摇，即所谓船体的耦合运动。只有当船体漂心和重心在同一垂直直线上时，才有可能把二者分开。图2.1船舶垂荡和纵摇运动示意图
有相同的角频率。2.2.2船用转子-轴承系统力学模型考虑到船用转子-轴承系统非线性问题的复杂性，需要根据实际转子系统的结构及计算要求对原有的复杂系统构造进行简化。简化转子模型的建模假设为：保持滑动轴承的位置不变，轴段的参数不变；对轮盘的相关参数、轮盘的个数及轮盘在转轴上的位置进行合理简化。因此将船用柴油机的转子结构简化为一个具有4自由度的单盘转子。为方便动力学模型的建立，设R0(x0,y0,z0)为惯性参考系，固定在船舶的R(x,y,z)为非惯性参考系，R1(x1,y1,z1)为固连于圆盘上的局部坐标系，如图2.2所示。图2.2船舶垂荡和纵摇作用下转子-轴承系统示意图本文假设坐标系R(x,y,z)的原点o为船体纵摇运动的旋转中心，并假设转子的左端点与船体转动中心重合，则系统平动动能为：12TtaaT=mvv(2.1)式中：va为绝对平动速度，m为转子质量。记转换矩阵Rθ为：cos0sin010.sin0cosR(2.2)由绝对速度公式：0TT()apvvRrRωr(2.3)
【参考文献】：
期刊论文
[1]规则波中船舶Froude-Krylov力的解析积分计算[J]. 张腾,任俊生,张秀凤,梅天龙. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2020(01)
[2]船舶推进轴系传递力的自适应主动控制研究[J]. 徐晖,祝长生. 机电工程. 2019(08)
[3]船用柴油发电机组刚性连接下扭振计算评估方法[J]. 郑昊天,董飞莹,张弛,杨云辉,刘小婷. 舰船科学技术. 2019(15)
[4]垂荡作用下船用转子-轴承系统的动力学特性研究[J]. 韩永超,李明. 振动工程学报. 2019(03)
[5]集成轴心轨迹信息熵及盒维数的转子故障程度判别与故障预示[J]. 陈征,温广瑞,张志芬,刘晨辉. 西安交通大学学报. 2019(02)
[6]规则斜浪中船舶多自由度耦合的参强激励横摇[J]. 周光耀,唐友刚. 哈尔滨工程大学学报. 2018(07)
[7]三体船在迎浪不规则波中的运动和载荷试验研究[J]. 唐浩云,任慧龙,李辉,仲琦. 振动与冲击. 2017(18)
[8]横摇和纵摇非线性耦合下船舶运动的全局动力学[J]. 周莎,张伟,于天俊,杨晓东. 振动与冲击. 2017(04)
[9]直升机机动飞行对尾传动轴临界转速的影响[J]. 陆凤霞,朱如鹏,倪德. 振动与冲击. 2016(11)
[10]船用气囊隔振系统的非线性动力学特性[J]. 刘渊博,李明,何琳. 船舶力学. 2015(11)
博士论文
[1]机动飞行环境下转子系统的非线性动力学行为研究[D]. 侯磊.哈尔滨工业大学 2015
硕士论文
[1]考虑基础运动的转子系统动力学特性分析[D]. 张欢.哈尔滨工业大学 2014
[2]舰船纵横倾作用下转子轴承系统动力学特性研究[D]. 刘树鹏.哈尔滨工业大学 2011
[3]船舶尾轴尾轴承间的润滑与碰摩特性研究[D]. 杨令康.武汉理工大学 2010
[4]船舶推进轴系振动与功率测量分析研究[D]. 汪曲波.武汉理工大学 2009
本文编号：2918095
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
船舶六自由度摇荡运动示意图
2垂荡和纵摇耦合作用下船用转子-轴承系统的动力学建模62垂荡和纵摇耦合作用下船用转子-轴承系统的动力学建模2.1引言对船用转子-轴承系统进行动力学研究的前提是根据实际问题的非线性特征，充分考虑影响转子振动的各种因素，并结合实际船用转子-轴承系统的结构参数特点，建立适当的动力学模型，从而为后续相关的系统动力学特性分析奠定理论基矗载体运动条件下转子-轴承系统动力学建模的基本思路是把载体的绝对运动考虑成系统的牵连运动，利用牛顿第二定律或Lagrange方程推导船用转子-轴承系统的动力学方程。在方程中，牵连运动对转子系统的影响是通过给转子施加相应的牵连惯性力的方式来实现的[51-53]。本章采用第二类Lagrange方程建立了船体垂荡和纵摇运动作用下转子-轴承系统的动力学模型。考虑了船体垂荡和纵摇运动条件下，转子受到的切向牵连惯性力、法向牵连惯性力，垂荡牵连惯性力以及陀螺力矩等；船用柴油机通常采用油膜轴承支承，而推导油膜力模型是一个涉及固流耦合的复杂计算问题，为了获取合理且精确的油膜力模型，本章基于短轴承假设、半Sommerfeld条件等计算了轴承的非线性油膜力模型以及油膜力矩模型；同时考虑了不平衡力以及重力等因素对转子-轴承系统的影响。2.2动力学模型2.2.1船体垂荡和纵摇运动船舶纵向受浪航行时，船体会绕其横轴做周期性往复转动运动，即纵摇运动，以及沿其垂直轴的上下往复运动，即垂荡运动，又称升沉运动。船舶的垂荡和纵摇运动往往是同时发生的，如图2.1所示，纵摇运动会导致垂荡，垂荡运动会导致纵摇，即所谓船体的耦合运动。只有当船体漂心和重心在同一垂直直线上时，才有可能把二者分开。图2.1船舶垂荡和纵摇运动示意图
有相同的角频率。2.2.2船用转子-轴承系统力学模型考虑到船用转子-轴承系统非线性问题的复杂性，需要根据实际转子系统的结构及计算要求对原有的复杂系统构造进行简化。简化转子模型的建模假设为：保持滑动轴承的位置不变，轴段的参数不变；对轮盘的相关参数、轮盘的个数及轮盘在转轴上的位置进行合理简化。因此将船用柴油机的转子结构简化为一个具有4自由度的单盘转子。为方便动力学模型的建立，设R0(x0,y0,z0)为惯性参考系，固定在船舶的R(x,y,z)为非惯性参考系，R1(x1,y1,z1)为固连于圆盘上的局部坐标系，如图2.2所示。图2.2船舶垂荡和纵摇作用下转子-轴承系统示意图本文假设坐标系R(x,y,z)的原点o为船体纵摇运动的旋转中心，并假设转子的左端点与船体转动中心重合，则系统平动动能为：12TtaaT=mvv(2.1)式中：va为绝对平动速度，m为转子质量。记转换矩阵Rθ为：cos0sin010.sin0cosR(2.2)由绝对速度公式：0TT()apvvRrRωr(2.3)
【参考文献】：
期刊论文
[1]规则波中船舶Froude-Krylov力的解析积分计算[J]. 张腾,任俊生,张秀凤,梅天龙. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2020(01)
[2]船舶推进轴系传递力的自适应主动控制研究[J]. 徐晖,祝长生. 机电工程. 2019(08)
[3]船用柴油发电机组刚性连接下扭振计算评估方法[J]. 郑昊天,董飞莹,张弛,杨云辉,刘小婷. 舰船科学技术. 2019(15)
[4]垂荡作用下船用转子-轴承系统的动力学特性研究[J]. 韩永超,李明. 振动工程学报. 2019(03)
[5]集成轴心轨迹信息熵及盒维数的转子故障程度判别与故障预示[J]. 陈征,温广瑞,张志芬,刘晨辉. 西安交通大学学报. 2019(02)
[6]规则斜浪中船舶多自由度耦合的参强激励横摇[J]. 周光耀,唐友刚. 哈尔滨工程大学学报. 2018(07)
[7]三体船在迎浪不规则波中的运动和载荷试验研究[J]. 唐浩云,任慧龙,李辉,仲琦. 振动与冲击. 2017(18)
[8]横摇和纵摇非线性耦合下船舶运动的全局动力学[J]. 周莎,张伟,于天俊,杨晓东. 振动与冲击. 2017(04)
[9]直升机机动飞行对尾传动轴临界转速的影响[J]. 陆凤霞,朱如鹏,倪德. 振动与冲击. 2016(11)
[10]船用气囊隔振系统的非线性动力学特性[J]. 刘渊博,李明,何琳. 船舶力学. 2015(11)
博士论文
[1]机动飞行环境下转子系统的非线性动力学行为研究[D]. 侯磊.哈尔滨工业大学 2015
硕士论文
[1]考虑基础运动的转子系统动力学特性分析[D]. 张欢.哈尔滨工业大学 2014
[2]舰船纵横倾作用下转子轴承系统动力学特性研究[D]. 刘树鹏.哈尔滨工业大学 2011
[3]船舶尾轴尾轴承间的润滑与碰摩特性研究[D]. 杨令康.武汉理工大学 2010
[4]船舶推进轴系振动与功率测量分析研究[D]. 汪曲波.武汉理工大学 2009
本文编号：2918095
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