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船舶轴系试验台纵向耦合振动特性研究李良伟，赵耀，张赣波(华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉 430074)摘要：船舶轴系试验台是开展轴系设计及振动特性分析的重要平台。
运用振动测试与有限元法研究船舶轴系试验台传动轴与基座的耦合下的纵向振动特性。
通过宽频激励实测试验台传动轴上主要测点纵向响应的传递函数并计算相应的特征频率与阻尼比；将轴系等效为单自由度系统估算推力块的纵向刚度为有限元分析提供纵向刚度输入值。
根据传动轴与试验台基座的结构形式，分析了艉轴密封处不同耦合方式下的船舶轴系试验台轴系纵向振动响应特性。
对比测试结果与数值分析结果，验证推力块刚度估算方法的合理性，为分析船舶轴系纵向振动特性时对传动轴与基座之间的耦合处理提供一定理论参考。
关键词：轴系试验台；纵向振动；刚度估算；耦合；有限单元法中图分类号：U664.21 文献标识码：AResearch of Axial Coupling Vibration Characteristic ofMarine Shaft Test BedLI Liang-wei，ZHAO Yao，ZHANG Gan-bo(School of Naval Architecture & Ocean Engineering,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan Hubei 430074, China)Abstract：Marine shaft vibration test bed is the important equipment for designing the marine shaft and also estimating the axial vibration characteristic. Use the vibration testing technology and finite element methods, the axial vibration response characteristic are obtained when the transmission shaft coupled the foundation. With the broad-band excitation method, the axial acceleration frequency response functions of the main measuring points on the transmission shaft are calculated and also the characteristic frequency and damping ratio. Then, the axial stiffness of thrust shoes is derived when the shafting system is equivalent to a single degree of freedom based on the test result. Considering the coupling relation between transmission shaft and foundation, the dynamic characteristic of shaft test bed are solved with the finite element method under different couple. Compared with the test and numerical analysis results, the axial stiffness estimation method reasonability for shafting system is verified. Finally the conclusion present provides a reference to research the axial coupling vibration characteristic of marine shafting system. Keywords: marine shaft test bed; axial vibration; stiffness estimation; coupling; finite element method1 引言船舶轴系主要将推进器产生的推力传递给船体实现船舶的运动，因而轴系运转的可靠性和稳定性将直接影响船舶的正常航行。
船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究【摘要】本文通过一些国内因轴系扭转振动而引起的断轴断桨的事故实例，来分析引起轴系扭转振动的主要原因，分析扭振主要特性，并提取一些减振和防振的基本控制措施。
【关键词】船舶柴油机轴系扭振危害分析措施在现代船舶机械工程中，船舶柴油机轴系扭转振动已经成为一个很普遍的问题，它是引起船舶动力装置故障的一个很常见的原因，国内外因轴系扭转而引起的断轴断桨的事故也屡见不鲜，随着科学水平的提高和航运业的发展，人们越来越重视船舶柴油机组的轴系扭转振动，我国《长江水系钢质船舶建造规范》和《钢质海船入级与建造规范》（简称《钢规》）和也均规定了在设计和制造船舶过程中，必须要向船级社呈报柴油机组的轴系扭转振动测量和计算报告，以此来表明轴系扭转振动的有关测量特性指标均在“规范”的允许范围内。
1 船舶柴油机轴系扭转振动现象简介凡具有弹性与惯性的物体，在外力作用下都能产生振动现象。
它在机械，建筑，电工，土木等工程中非常普遍的存在着。
振动是一种周期性的运动，在许多场合下以谐振的形式出现的，船舶振动按其特点和形式可分为三种，船体振动，机械设备及仪器仪表振动，和轴系振动。
船舶柴油机轴系振动按其形式可分为三种：扭转振动，纵向振动，横向振动。
柴油机扭转振动主要是由气缸内燃气压力周期性变化引起的，它的主要表现是轴系上各质点围绕轴系的旋转方向来回不停的扭摆，各轴段产生不相同的扭角。
纵向振动主要是由螺旋桨周期性的推力所引起的。
横向振动主要是由转抽的不平衡，如螺旋桨的悬重以及伴流不均匀产生的推力不均匀等的力的合成。
船舶由于振动引起的危害不但可以产生噪音，严重影响旅客和船员休息，还会造成仪器和仪表的损害，严重的时候甚至出现船体裂缝断轴断桨等海损事故，直接影响船舶的航行安全。
而在船舶柴油机轴系的三种振动中，产生危害最大的便是扭转振动，因扭转振动而引起的海损事故也最多，因此对扭转振动的研究也最多。
而且当柴油机轴系出现扭转振动时，一般情况下，船上不一定有振动的不适感，因此这种振动也是最容易被忽视的一种振动形式，一旦出现扭转振动被忽视，往往意味着会发生重大的事故。
第35卷第21期振动与冲击JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK Vol.35 No.21 2016小水线面双体船桨-轴-船体耦合振动和声辐射分析雷智洋苏金鹏华宏星M(1.上海交通大学振动、冲击、噪声研究所，上海200240 ; 2.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240)主商要：针对小水线面双体船螺旋桨-轴系-船体耦合系统，利用耦合有限元方法建立了水体-螺旋桨-轴系和 船体-水体子系统的耦合动力学模型，进行谐响应计算得到各个子系统轴承连接点处的导纳，把轴承作为弹性连接单元，通过频响综合得到整个系统的频域响应，再由边界元计算得到声场响应。
该方法可考虑流固耦合螺旋桨的弹性、螺旋桨 轴系与船体的耦合效应。
结果表明螺旋桨激励下船体辐射声功率的特征峰值主要有轴系的一阶纵振和螺旋桨的第一、二 阶同向振动湿模态,即辐射噪声谱的特征体现在轴系和螺旋桨。
因此,针对螺旋桨激励下的桨-轴-船耦合系统部分的噪声,隐身设计的重要内容是螺旋桨和轴系参数的优化。
该方法可对桨-轴-船体耦合系统中螺旋桨和轴系的参数分析 提供高效的分析手段，从而为隐身优化设计提出明确的指导方向,具有重要工程意义。
关键词：小水线面双体船;桨-轴-艇耦合;频响综合;声辐射中图分类号：U661.44 文献标志码：A D0I ： 10. 13465/j. cnki. jvs. 2016.21.003Vibration and sound radiation analysis for a propeller-shaft-hullcoupled system in a catamaran SWATH shipLEI Zhiyang1’2，SU Jinpeng1’2，HUA Hongxing1，2(1. Institute of Vibration, Shock and Noise, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China；2. State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)Abstract：To analyze a propeller-shaft-hull coupled system of a SWATH catamaran ship, the coupled FE method was employed to establish coupled dynamic models for water-propeller-shaft and hull-water subsystems. The mobilities of bearings connecting points of subsystems were computed. Bearings were modeled as flexible joints. Frequency response functions based the modal synthesis method were utilized to formulate the responses of the whole system in frequency domain. Then, the acoustic field response of the system was calculated with the boundary element method. The proposed method could consider the elasticity of propeller with water-solid interaction, and the coupling effect between propeller- shaft and hull. Analysis results showed that the characteristic frequencies of the hulFs sound radiation power are the 1s t longitudinal vibration mode of the shaft system and the 1st and 2 n d vibration wet modes in the same directions of the propeller, so the design to reduce acoustic radiation is mainly focused on parameters of the shaft system and the propeller；meanwhile, the proposed method has high efficiency and advantages for parametric analysis of shaft system and propeller in a propeller-shaft-hull coupled system. The results were of great significance in practical stealth designs for warships.Key words ：SWATH catamaran ship ；propeller-shaft-hull coupled system ；frequency response function based modal synthesis method; acoustic radiation小水线面双体船具有良好的耐波性[1]，它的噪音 小、舒适性好、航向稳定，通常用于科学考察领域，为了 提高船体的舒适性、稳定性，船体的振动和噪声辐射是 关键设计参数。
船舶结构振动特性研究摘要：船舶振动过大不仅会损坏船舶结构，还会影响船舶设备的正常使用。
基于此，本文对船舶结构振动特性进行了详细论述。
关键词：船舶；结构振动；有限元法船舶结构振动特性分析是船舶振动研究的重要组成部分，船舶结构振动预报是船舶设计和制造过程中一个非常重要的研究课题。
振动响应过大往往会导致船员与乘客身体不适，造成身体疲劳甚至损害健康，影响其正常生活和工作。
因此，有必要对船舶结构的振动特性进行研究。
一、船舶振动的主要原因1、船体设计存在问题。
在设计过程中，由于船体设计人员的疏忽，导致船舶尺寸、主机选择、螺旋桨间隙、船尾线性、尺寸、布置及结构等存在一定问题，如设备与船体共振等，导致船舶航行过程中出现严重的振动问题。
2、主机引发船体振动。
主机引发振动主要为运动部件的惯性力产生的不平衡力矩，以及主机内压力产生侧向或垂直的倾覆力矩，如主机运行过程中产生的往复惯性力及离心惯性力等，都会加剧船体的振动影响。
3、螺旋桨引发船体振动。
螺旋桨也是引发船舶振动的主要因素，螺旋桨在工作过程中，会产生两种激振力，其中包括轴频激振力：螺旋桨运转时产生的机械激振力，与桨轴转数持平；叶频激振力：螺旋桨在海浪等不均匀流畅中运转产生的高频激振力，此外，因船舶在浅水中航行，会遇到流沙、卵石、水草等影响，造成桨叶折断、卷边等情况出现，也会加剧船舶结构振动。
二、船舶振动性能预报计算1、船舶自由振动计算。
当弹性结构置于流体介质中时，流体与结构间通过界面存在相互作用。
用有限元法计算结构的振动与声耦合问题时，需对结构与流体进行有限元网格离散，建立有限元方程进行分析。
2、船舶强迫振动计算。
因系统运动微分方程的自由度大，方程间相互耦合，求解较困难。
因此，必须将运动微分方程解耦，并转化为n个独立的微分方程，以解得系统各点在时域中的振动响应。
3、计算的第一步是消除局部模态。
计算中遇到的第一个困难是存在大量的局部模态：即船体的一部分振动，而其它部分不振动或基本不振动。
1.舰船轴系在工作过程中可能产生哪几种振动形式? 各种振动产生的原因是什么? 各种振动形式的危害是什么?相应的减振与避振措施有哪些?轴系可能产生扭转振动、横向振动和纵向振动三种振动形式。
扭转振动是指轴系产生的周期性的扭转变形现象；扭转振动的危害主要表现形式为轴系的疲劳断裂，特别是柴油机曲轴的疲劳断裂:曲轴、中间轴断裂，弹性联轴节连接螺栓切断，弹性元件碎裂，传动齿轮齿面点蚀和齿断裂，凸轮轴断裂，轴段局部发热等。
采取的措施主要围绕：a. 减小激振能量、增加阻尼消耗能量；b. 调整自振频率；c. 划转速禁区来进行。
横向振动是由于轴系旋转件不平衡，及螺旋桨在不均匀的尾流场中工作产生的循环变化的弯曲力矩引起的周期性弯曲变形的现象；船舶推进轴系总振的消减与回避，也是从调频、配置减振器、减少输入系统的振动能量等方面考虑纵向振动是螺旋桨在不均匀的尾流场中工作，产生不均匀的推力及主机装置产生的不均匀的轴向力，使轴系产生的周期性的拉压变形现象横振的后果表现在：a.螺旋桨轴锥形大端处产生过大的弯曲应力，严重时会出现龟裂，以致折损等重大疲劳破坏事故。
b.尾管轴承早期磨损，并导致轴衬套腐蚀，密封装置损坏等故障。
c.船尾局部振动。
解决横向振动的根本在于减少向系统的振动能量输入，即减少轴系横振激振力。
2 当船舶推进装置为柴油机时，轴系激振力有哪些?①柴油机等效轴向激振力由缸内气体压力和运动件惯性产生的曲柄销处法向力P N会使曲柄销发生弯曲变形，从而使主轴颈相应产生纵向位移U N。
如同在曲轴中心线作用轴向力P a一样。
柴油机装置产生激振力矩3. 当船舶推进装置为汽轮机时，轴系激振力有哪些?汽轮机船上纵振激力主要是螺旋桨的交变推力，在柴油机船上则还有缸内气体压力和往复件的惯性力。
此外扭振也可能激起纵向振动，特别是在两者固有频率相近时，称为纵扭耦合振动。
汽轮机组低频激振力4.简述轴系强迫振动计算的能量法的三条假设。
（1）共振时系统振型与自由振动振型相同，振动时各质量同时到达最大值（位移）；（2）只有产生共振那次简谐力矩才作功；（3）干扰力矩做的功完全消耗在阻尼上。
推力轴承基座结构形式对潜艇振动噪声的影响孙谦;刘文玺;周其斗;纪刚【摘要】[目的]为研究推力轴承基座结构形式对潜艇辐射噪声的影响,[方法]采用有限元法和有限元耦合流体边界元法,分析不同纵向激振力分布形式下耐压艇体结构的振动响应特征,得出力对称分布有利于减小振动的结论.然后,据此设计对称式推力轴承基座,通过选择不同的构件尺寸控制系统的纵向刚度,分别计算采用对称式和传统推力轴承基座时潜艇的结构振动响应和辐射噪声.[结果]研究表明,在螺旋桨纵向激振力一定的情况下,采用对称式推力轴承基座能够明显降低艇体结构的振动强度和辐射噪声.[结论]所做研究可为潜艇推力轴承基座结构的声学优化设计提供参考.【期刊名称】《中国舰船研究》【年(卷),期】2018(013)005【总页数】7页(P39-45)【关键词】推力轴承;结构振动:辐射噪声;峰值频率;振型【作者】孙谦;刘文玺;周其斗;纪刚【作者单位】海军装备部,北京100841;海军工程大学舰船与海洋学院,武汉430033;海军工程大学舰船与海洋学院,武汉430033;海军工程大学舰船与海洋学院,武汉430033【正文语种】中文【中图分类】U661.40 引言螺旋桨是潜艇的主要噪声源之一，它主要通过轴系及相连的基座结构引起艇体结构的振动，并由潜艇湿表面向水中辐射噪声。
由此，导致了螺旋桨、轴系、基座、艇体结构的耦合振动问题。
深入开展相关研究，对降低由螺旋桨引起的艇体结构振动和辐射噪声具有重要意义。
通常，在轴系设置纵向减振器和动力吸振器［1-4］来控制螺旋桨激振力通过轴系传递到艇体结构。
Dylejko等［1］和 Merz等［2-3］针对轴系—艇体结构的耦合振动问题展开研究，通过在推力轴承位置使用动力吸振器来降低经由推力轴承传递到艇体结构的轴系纵向激振力，然后分别使用传递矩阵法、有限元法（FEM）、结构有限元耦合流体边界元法建立动力学系统模型，对动力吸振器的结构参数进行优化，以达到降低激振力传递的目的。
含负泊松比超材料构件的潜艇振动与声辐射性能分析一、潜艇振动与声辐射性能的重要性潜艇在水下作战时需要保持较低的噪音水平，以免被敌方声呐探测到。
潜艇的振动与声辐射性能直接影响其隐蔽性和作战效果。
提高潜艇的振动与声辐射性能是潜艇设计中的重要课题之一。
传统的潜艇结构多采用金属材料，其特点是强度高、刚度大，但密度相对较大，且存在共振频率较低的问题，易受外界水流的激励而产生较大的振动和噪音。
寻求新的材料和结构设计方案以提高潜艇的振动与声辐射性能势在必行。
二、负泊松比超材料在潜艇中的应用负泊松比超材料是一种新型材料，其泊松比小于零，具有优异的抗振动和隔声性能。
由于其独特的力学特性，负泊松比超材料在潜艇结构中的应用备受关注。
1. 应用方向负泊松比超材料可以用于潜艇的结构构件，如船体、隔音板等，以减小结构的共振响应和提高隔声性能，有效减少潜艇的振动和噪音。
2. 特点负泊松比超材料具有轻质、高强度、高阻尼、优异的隔声性能等特点，能够显著改善潜艇的振动与声辐射性能。
负泊松比超材料还具有良好的耐腐蚀性能，适合在水下环境中长期使用。
1. 振动性能分析含负泊松比超材料构件的潜艇在水下作战时，能够显著降低结构的共振响应，减小振动幅值。
通过有限元分析和模态分析等方法，可以评估构件的振动特性，验证负泊松比超材料在减振方面的效果。
3. 总体性能评估将振动性能和噪音性能综合考虑，可以对含负泊松比超材料构件的潜艇进行总体性能评估。
通过与传统结构进行对比分析，验证负泊松比超材料在提高潜艇振动与声辐射性能方面的优势。
四、结论含负泊松比超材料构件的潜艇在振动与声辐射性能方面具有明显的优势。
其能够有效降低潜艇的振动和噪音水平，提高潜艇的隐蔽性和作战效果。
在潜艇设计中，应重视负泊松比超材料的应用，结合有限元分析、模态分析、声辐射计算和水下试验等手段，全面评估含负泊松比超材料构件的性能，为潜艇振动与声辐射性能的提升提供技术支持和理论指导。
