丁德勇，張 偉，楊 坤

1海軍裝備部駐沈陽地區(qū)軍事代表局，遼寧沈陽 110031

2海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 200129

3海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢 430033

艦船艉軸架系統(tǒng)固有振動(dòng)特性測(cè)試與分析方法

丁德勇1，張 偉2，楊 坤3

1海軍裝備部駐沈陽地區(qū)軍事代表局，遼寧沈陽 110031

2海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 200129

3海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢 430033

艉軸架系統(tǒng)是由艉軸、前（后）艉軸架臂以及螺旋槳等共同組成的復(fù)雜構(gòu)件系統(tǒng)，其固有振動(dòng)特性的有效測(cè)試、合理分析和振型識(shí)別對(duì)于開展艦船艉軸架設(shè)計(jì)、建造以及控制艦體尾部振動(dòng)等具有重要意義。為此，針對(duì)艉軸架系統(tǒng)的構(gòu)成特征以及組成構(gòu)件的固有振動(dòng)特性，分別建立理論分析模型，通過分析，認(rèn)為艉軸架系統(tǒng)固有特性屬于復(fù)雜構(gòu)件系統(tǒng)的振動(dòng)問題，其固有特性取決于艉軸及前（后）艉軸架臂的共同特性，兩者間存在較大關(guān)聯(lián)性，實(shí)際模態(tài)的識(shí)別應(yīng)根據(jù)工程需要加以確定。基于以上分析，給出艉軸架系統(tǒng)固有特性測(cè)試要求和振型識(shí)別原則，并以某型艦的艉軸架系統(tǒng)為例開展固有振動(dòng)特性試驗(yàn)測(cè)試和模態(tài)識(shí)別，取得了良好的效果。

艉軸架系統(tǒng)；前單臂軸架；后雙臂軸架；固有特性

0 引 言

水面艦船推進(jìn)器（螺旋槳）一般布置在艦體艉部，艦船主動(dòng)力裝置通過軸系傳遞功率至螺旋槳，為艦船航行提供動(dòng)力，同時(shí)，也將螺旋槳的振動(dòng)通過軸系傳遞至船體［1］。針對(duì)艦船艉部軸系振動(dòng)問題，張洪田等［2］建立了船舶軸系扭振計(jì)算的Ricoati傳遞矩陣法的數(shù)學(xué)模型，對(duì)船舶軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問題進(jìn)行了計(jì)算與分析。周瑞等［3］利用傳遞矩陣求解了推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)固有頻率和固有振型的方法。螺旋槳推進(jìn)方式中，軸系一般為船長的1/3～1/2，為保證軸系具有足夠的剛度，并有效控制螺旋槳引起的偏振激勵(lì)，必要的結(jié)構(gòu)措施是設(shè)置多點(diǎn)支撐約束，而艉軸架設(shè)計(jì)正是確保艦船艉軸剛度、強(qiáng)度和振動(dòng)控制特性的關(guān)鍵技術(shù)途徑。針對(duì)艦船軸系振動(dòng)，合理的艉軸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于艦體艉部振動(dòng)控制具有重要的工程意義。

在對(duì)艦船艉軸架系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，螺旋槳和軸系尺度主要取決于艦船推進(jìn)效率需求，為已知確定量。因此，艉軸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就主要集中為艉軸架結(jié)構(gòu)、數(shù)量和支撐點(diǎn)位置。在設(shè)計(jì)方法上，文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［5］給出了艉軸架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)，并綜合考慮了艉軸、螺旋槳的剛度和質(zhì)量分布特征，給出了艉軸架結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。同時(shí)，在實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)者們也常常采用有限元法對(duì)整個(gè)艉軸架系統(tǒng)進(jìn)行模型化分析。然而，理論和經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算方法往往采用了較多的模型簡化處理，因此，合理、有效的實(shí)船測(cè)試對(duì)于檢驗(yàn)計(jì)算方法的有效性，以及正確評(píng)價(jià)艉軸架系統(tǒng)的固有特性尤顯重要。針對(duì)船體結(jié)構(gòu)模態(tài)信息參數(shù)識(shí)別問題，不少學(xué)者開展了測(cè)試?yán)碚摵驮囼?yàn)方法研究：金咸定［6］基于船舶結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的基本問題，并圍繞其相關(guān)領(lǐng)域（包括艦船振動(dòng)模態(tài)、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、從振動(dòng)到聲學(xué)等）的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)述；孫謙等［7］研究了一種在實(shí)船航行振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行總振動(dòng)阻尼研究的測(cè)點(diǎn)布置和識(shí)別計(jì)算方法；王雪仁等［8］針對(duì)船舶大型結(jié)構(gòu)開展了子結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別理論和試驗(yàn)研究。但由于艉軸架系統(tǒng)的固有特性存在一定的復(fù)雜性，因此，目前尚未形成嚴(yán)格的實(shí)船測(cè)試規(guī)范以及模態(tài)識(shí)別要求，主要是根據(jù)設(shè)計(jì)人員和測(cè)試人員的經(jīng)驗(yàn)完成固有特性測(cè)試方案、模態(tài)及固有頻率的提取。

由于設(shè)計(jì)者和測(cè)試者對(duì)此問題的理解和認(rèn)知程度存在差異，往往會(huì)造成測(cè)試數(shù)據(jù)不足、完備性較差、計(jì)算與測(cè)試結(jié)果不一致，無法有效支撐后續(xù)設(shè)計(jì)工作的開展等問題。對(duì)此，本文擬通過艉軸架系統(tǒng)固有特性理論分析，并結(jié)合實(shí)船測(cè)試情況對(duì)艉軸架系統(tǒng)的固有特性測(cè)試要求和模態(tài)識(shí)別基本原則加以探討，以供艦船設(shè)計(jì)和建造者參考。

1 艉軸架系統(tǒng)固有特性的理論分析

1.1 艉軸固有特性分析

艉軸、前后艉軸架和螺旋槳共同構(gòu)成艉軸架系統(tǒng)。以艉軸為對(duì)象進(jìn)行分析時(shí)，可將其視為彈性支座上的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，建立力學(xué)分析模型如圖1所示。其中，螺旋槳可采用梁端大質(zhì)量點(diǎn)M等效代替，艉軸與船體的水密固定支撐處可視為連續(xù)梁另一端的固支約束，而前、后艉軸架臂則實(shí)質(zhì)上是連續(xù)梁跨中的兩個(gè)彈性支座。在螺旋槳激勵(lì)作用下，艉軸將以彈性支座上的連續(xù)梁形式產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，其固有振動(dòng)特性除了與艉軸質(zhì)量、剛度分布特征及螺旋槳質(zhì)量分布特征相關(guān)外，還同時(shí)取決于艉軸架的約束剛度及其固有特性。當(dāng)艉軸架剛度較大，固有頻率遠(yuǎn)高于艉軸時(shí)，艉軸的固有特性可視為剛性支座上的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)來加以處理，此時(shí)，艉軸架能對(duì)艉軸振動(dòng)起到良好的抑振效果，有效控制艉軸振動(dòng)向艦體艉部的傳遞。當(dāng)艉軸架剛度設(shè)計(jì)不足時(shí)，尤其是當(dāng)艉軸固有頻率與艉軸架較為接近時(shí)，艉軸架將無法有效控制艉軸振動(dòng)的傳遞，這在艉軸架設(shè)計(jì)中必須避免。

圖1 艉軸固有特性理論分析模型Fig.1 Natural characteristic theoretical analysis model of stern shaft

1.2 艉軸架結(jié)構(gòu)固有特性分析

為保證對(duì)艉軸具有足夠的約束支撐，水面艦船一般設(shè)置有2個(gè)艉軸架，分別為前單臂軸架和后雙臂軸架。對(duì)艉軸架固有特性進(jìn)行分析時(shí)，考慮到艉軸對(duì)其的約束作用和艉軸（含螺旋槳等）質(zhì)量分布的影響，建立了艉軸架的力學(xué)分析模型，如圖2所示。軸架與艦體底部剛性固定，艉軸與軸架剛性連接，其對(duì)艉軸架的影響可等效視為附加質(zhì)量Mw和附加剛度Kw。由該模型進(jìn)行分析可知，艉軸對(duì)艉軸架不僅僅是附加質(zhì)量的影響，同時(shí)還應(yīng)考慮艉軸對(duì)其彎曲剛度的改變。文獻(xiàn)［5］中僅考慮了艉軸的附加質(zhì)量，而未考慮艉軸的附加剛度影響。

圖2 軸架固有特性理論分析模型Fig.2 Natural characteristic theoretical analysis model of the bracket

1.3 艉軸架系統(tǒng)固有特性主要特征及測(cè)試原則

通過以上理論模型分析可知，艉軸架系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其中，艉軸與前、后艉軸架臂各自存在固有特性，它們之間相互影響，相互關(guān)聯(lián)。由于不同構(gòu)件的固有特性相差較大，因此，這種復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的固有特征模態(tài)并非簡單的振型可以描述，對(duì)其固有特性的評(píng)價(jià)也不能籠統(tǒng)地加以評(píng)判，而應(yīng)對(duì)不同構(gòu)件分別予以討論，然后綜合分析。

從結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞規(guī)律來看，艉軸架實(shí)質(zhì)上是艉軸振動(dòng)向艦體傳遞的主要通道，因此，艉軸架系統(tǒng)固有特性的重點(diǎn)應(yīng)為艉軸架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在實(shí)際工程中，艉軸架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目的主要有兩點(diǎn)：一是增加懸臂艉軸的約束剛度，形成多點(diǎn)約束，減小艉軸變形；二是控制螺旋槳激勵(lì)載荷作用下的艉軸振動(dòng)，并減小其向艦體艉部傳遞的可能性。根據(jù)文獻(xiàn)［4］的要求，艉軸架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能提高其剛度特性，以使前單臂橫向的首階和后雙臂各主振動(dòng)的首階固有頻率高于螺旋槳最大工況葉頻20%。

然而，在實(shí)際工程中直接對(duì)艉軸架進(jìn)行測(cè)試存在一定的困難。為提高艉軸架的約束剛度，前單臂艉軸架結(jié)構(gòu)一般較為短粗，其橫向模態(tài)往往難以識(shí)別。而后雙臂艉軸架結(jié)構(gòu)為交叉構(gòu)件，當(dāng)兩臂長度差異較大時(shí)，兩者的固有振型也存在一定的差異，從而增加了后雙臂艉軸架主振動(dòng)模態(tài)的識(shí)別難度。

基于以上分析，給出艉軸架系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試基本原則如下：

1）艉軸架系統(tǒng)固有特性的測(cè)試應(yīng)以艉軸架結(jié)構(gòu)固有特性為主要測(cè)試對(duì)象，艉軸振動(dòng)特性可做為軸架特性分析的參考。

2）由于結(jié)構(gòu)特征的差異，前單臂和后雙臂艉軸架的測(cè)試應(yīng)采用不同的測(cè)試方案，該方案應(yīng)充分考慮其結(jié)構(gòu)特征以及其固有特性的方向性差異。例如，對(duì)于前單臂軸架須重點(diǎn)測(cè)試其橫向特性，而后雙臂軸架的橫向和縱向特性均應(yīng)得到有效評(píng)估。

2 艉軸架系統(tǒng)固有特性的實(shí)船測(cè)試與模態(tài)分析

2.1 實(shí)船測(cè)試方案介紹

針對(duì)艦船艉軸架系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了兩種模態(tài)測(cè)試方案，其中方案1參考文獻(xiàn)［9］進(jìn)行，其具體測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，前單臂軸架布置3個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)，后雙臂軸架布置7個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)，艉軸上布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)。施加不同方向的激勵(lì)，通過敲擊法可得到結(jié)構(gòu)在不同方向上的模態(tài)信息。由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)測(cè)試對(duì)環(huán)境背景噪聲要求苛刻，因此實(shí)船艉軸架的振動(dòng)測(cè)試選擇在船舶處于坐墩狀態(tài)，夜間所有工廠及船上設(shè)備處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)進(jìn)行。

圖3 方案1測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Measuring points assignment for scheme 1

上述測(cè)試方案中，由于前單臂軸架、后雙臂軸架以及軸系構(gòu)成了系統(tǒng)的復(fù)雜性，識(shí)別前單臂和后雙臂軸架的固有模態(tài)存在較大困難，容易將系統(tǒng)高階振動(dòng)模態(tài)中前單臂或后雙臂局部模態(tài)作為局部結(jié)構(gòu)的首階模態(tài)振型而造成模態(tài)識(shí)別錯(cuò)誤。由于上述測(cè)點(diǎn)布置僅反映了整個(gè)艉軸架系統(tǒng)的局部，因此，本文結(jié)合已有的理論分析基礎(chǔ)，提出一種擴(kuò)展的測(cè)試方案2，以解決前單臂軸架、后雙臂軸架以及整個(gè)系統(tǒng)模態(tài)識(shí)別困難的問題。方案2的測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 方案2測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.4 Measuring points assignment for scheme 2

在方案2中，將測(cè)點(diǎn)擴(kuò)展到了前半部分軸系，減少了后雙臂測(cè)點(diǎn)，可將之視為端部彈性支承的剛性直梁。前半部分軸系的測(cè)點(diǎn)數(shù)目可根據(jù)實(shí)際測(cè)試進(jìn)行增減，至少應(yīng)保證2個(gè)，以保證能進(jìn)行有效的模態(tài)識(shí)別。

2.2 測(cè)試結(jié)果及固有特性分析

依據(jù)方案1和方案2的測(cè)試要求，分別進(jìn)行兩種方案的整體橫向、垂向激振試驗(yàn)和后雙臂軸架的縱向激振試驗(yàn)。在測(cè)試過程中，為了能獲取可靠有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文在選擇激振點(diǎn)時(shí)，分別選擇了后雙臂軸架軸套、前單臂軸架軸套以及軸中部進(jìn)行激振，進(jìn)行對(duì)比以選取最佳識(shí)別結(jié)果。方案2的模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 方案2模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Mode shapes of scheme 2

通過方案2的整體模態(tài)識(shí)別結(jié)果可知：由于艉軸架的軸向剛度較軸系的彎曲剛度大得多，使得艉軸的垂向振動(dòng)模態(tài)呈分段梁振型形式，螺旋槳端部呈懸臂梁振型形式，中部軸和前端軸呈兩端約束梁振型模態(tài)，各軸之間在軸架處滿足轉(zhuǎn)角相等，整體呈S型。艉軸的橫向振動(dòng)則由于軸架橫向剛度較小，其首階模態(tài)振型呈現(xiàn)整體擺動(dòng)，由于后雙臂軸架剛度以及螺旋槳大質(zhì)量分布特征，使得艉部振幅明顯較小。由整體分析可知，前單臂的1階橫向振動(dòng)模態(tài)即體現(xiàn)在整體1階橫向振動(dòng)中，單獨(dú)針對(duì)前單臂軸架進(jìn)行模態(tài)識(shí)別，結(jié)果如圖5（c）所示，由此得到了前單臂軸架的橫向1階振動(dòng)模態(tài)。由上述分析可知，在軸系系統(tǒng)呈現(xiàn)1階橫向振動(dòng)或垂向振動(dòng)時(shí)，后雙臂軸架的整體振幅較小，體現(xiàn)為駐點(diǎn)形式，為了得到后雙臂軸架的局部振動(dòng)模態(tài)，必須結(jié)合方案1和方案2進(jìn)行分析。方案1的艉軸架系統(tǒng)橫向和垂向振動(dòng)模態(tài)如圖6所示。

圖6 方案1整體模態(tài)振型Fig.6 Mode shapes of whole system for scheme 1

需要說明的是，在上述方案1中，整體1階橫向振動(dòng)實(shí)際為方案2中的軸系整體橫向3階模態(tài)的局部模態(tài)，因?yàn)榉桨?的橫向1階和2階模態(tài)振型中的后雙臂軸架的振幅較小，為了分析后雙臂軸架的局部模態(tài)，將之剔除了。基于方案1的橫向1階振動(dòng)，進(jìn)行后雙臂軸架的橫向1階振動(dòng)模態(tài)識(shí)別，結(jié)果如圖7（a）所示。而后雙臂軸架的縱向1階模態(tài)試驗(yàn)及識(shí)別則需要單獨(dú)進(jìn)行激振試驗(yàn)，其結(jié)果如圖7（b）所示。

圖7 后雙臂軸架振動(dòng)模態(tài)Fig.7 Vibration modes of the rear double-arm shaft bracket

2.3 艉軸架系統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

整理上述所有模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，得到艉軸架系統(tǒng)整體模態(tài)固有頻率，前單臂軸架及后雙臂軸架的局部模態(tài)固有頻率如表1所示。

表1 艉軸架系統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Mode test results of the shaft bracket system

通過與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，可知表1的測(cè)試結(jié)果具有較好的可信度。結(jié)合簡化理論模型及試驗(yàn)結(jié)果可知：針對(duì)方案1試驗(yàn)中采集到的單臂和雙臂上測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行局部模態(tài)分析時(shí)，容易與系統(tǒng)模態(tài)的局部模態(tài)信息混淆，且該方案在單臂前艉軸上沒有布置測(cè)點(diǎn)，識(shí)別的模態(tài)振型也不能較好地反映艉軸架系統(tǒng)的模態(tài)信息?？傊?，進(jìn)行艉軸架單臂和雙臂軸架的局部模態(tài)識(shí)別需要完整的艉軸架系統(tǒng)模態(tài)信息。要較好地識(shí)別艉軸架系統(tǒng)的模態(tài)信息，認(rèn)為有效的測(cè)點(diǎn)布置方案應(yīng)當(dāng)是在方案2的基礎(chǔ)上增加雙臂結(jié)構(gòu)上的測(cè)點(diǎn)數(shù)目，并增加單臂靠前艉軸上的測(cè)點(diǎn)數(shù)目。

3 結(jié) 語

本文針對(duì)艦船艉軸架系統(tǒng)的模態(tài)振動(dòng)問題，建立了理論分析模型，并基于理論分析結(jié)果，在原測(cè)試方案的基礎(chǔ)上設(shè)置補(bǔ)充測(cè)試方案，較好地解決了艦船艉軸架系統(tǒng)前單臂軸架、后雙臂軸架模態(tài)識(shí)別困難的問題。通過在某型艦船艉軸架系統(tǒng)振動(dòng)實(shí)船試驗(yàn)過程中的實(shí)施，探討了艉軸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)固有特性測(cè)試要求和振型識(shí)別原則，并給出了有效的測(cè)點(diǎn)布置方案，其結(jié)果可供艦船設(shè)計(jì)和建造者參考。

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The Experiment and Analytical Method of the Inherent Characteristics of Ship Shaft Bracket Systems

Ding Deyong1，Zhang Wei2，Yang Kun3
1 Shenyang Military Representative Department，Naval Armament Department of PLAN，Shenyang 110031，China
2 Naval Military Representative Office in Jiangnan Shipyard（Group）Co.，Ltd，Shanghai 200129，China
3 Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

The shaft bracket system is a complex component system composed of a stern shaft，a front（rear）shaft bracket arm and a propeller.The effective testing，reasonable analysis and modal identification of its natural vibration characteristics are crucial to the overall ship shaft bracket design as well as the construction and control of ship tern vibration.This paper first investigates the constitution features of the stern shaft frame system and the natural vibration characteristics of its band components by establishing a theoretical analysis model.It is observed that the inherent characteristics of the shaft bracket system closely associates with the stern shaft and the front（rear）shaft bracket arm，while the actual modal identification should be determined according to the project requirement.Finally，the specific requirements and mode recognition principles of the inherent characteristics test of shaft bracket systems are provided，with a certain type of ship shaft bracket system taken as an example.The experiment yielded good results，which provides a future reference for the ship design and construction.

shaft bracket system；single-arm shaft bracket；double-arm shaft bracket；inherent characteristic

U661.44

A

1673－3185（2013）02－95－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2013.02.017

http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20130313.1620.017.html

2012－09－03 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2013-03-13 16∶20

丁德勇（1975－），男，工程師。研究方向：艦船建造與工藝。

張 偉（1975－），男，工程師。研究方向：艦船建造與工藝。E-mail：combzhou＠hotmail.com

楊 坤（1986－），男，博士生。研究方向：艦艇強(qiáng)度與振動(dòng)。E-mail：yangkuntuo＠163.com

楊 坤。

喻 菁］