徐鵬,鄒冬林,呂芳蕊,塔娜,饒柱石*
1 海軍駐大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室,遼寧大連116005
2 上海交通大學(xué) 振動(dòng)、沖擊、噪聲研究所,上海200240
3 上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200240
作為船舶動(dòng)力裝置的核心部件,推進(jìn)軸系可以將主機(jī)功率轉(zhuǎn)化為螺旋槳的推力,然后經(jīng)推力軸承傳遞給船體,從而推動(dòng)船舶前進(jìn)。在螺旋槳流體激勵(lì)、轉(zhuǎn)軸不平衡激勵(lì)、軸承摩擦激勵(lì)等復(fù)雜的外部載荷作用下,運(yùn)轉(zhuǎn)中的推進(jìn)軸系將不可避免地發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象。過(guò)大的振動(dòng)易導(dǎo)致軸系疲勞失穩(wěn)、軸承磨損甚至是損壞,從而影響軸系的安全穩(wěn)定運(yùn)行,因此,船舶推進(jìn)軸系的振動(dòng)特性一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2]。推進(jìn)軸系振動(dòng)包括彎曲振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和縱向振動(dòng)3 種形式。目前,國(guó)內(nèi)外大多采用線性理論研究推進(jìn)軸系,故可分別獨(dú)立開展3 種振動(dòng)的分析計(jì)算,從而簡(jiǎn)化模型。例如,李全超等[3]研究了船舶推進(jìn)軸系的彎曲振動(dòng)特性,重點(diǎn)分析了支撐參數(shù)對(duì)彎曲振動(dòng)特性的影響規(guī)律;李燎原等[4]研究了船舶橫搖條件下,主機(jī)隔振對(duì)推進(jìn)軸系彎曲振動(dòng)特性的影響;Zhang 等[5]研究了船舶推進(jìn)軸系的縱向振動(dòng)特性;張金國(guó)等[6]分析了推力軸承幾何參數(shù)對(duì)軸系縱向振動(dòng)特性的影響規(guī)律;胡澤超等[7]研究了利用共振轉(zhuǎn)換裝置控制推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法;張陽(yáng)陽(yáng)等[8]分析了推進(jìn)軸系的縱向振動(dòng)特性和振動(dòng)控制策略;Polic 等[9]研究了螺旋槳與冰相互作用下的軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)響應(yīng);談微中等[10]開展了大型船舶推進(jìn)軸系扭振特性的仿真和試驗(yàn)研究。上述研究均是基于線性理論展開,然而,在實(shí)船復(fù)雜的工況條件下,這3 種振動(dòng)形式之間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的耦合作用,例如,軸系彎扭耦合振動(dòng)、多頻現(xiàn)象、組合共振、自激振動(dòng)等。因此,為了避免工程設(shè)計(jì)隱患,有必要建立推進(jìn)軸系的非線性動(dòng)力學(xué)模型。
對(duì)于船舶推進(jìn)軸系不同方向之間的耦合非線性振動(dòng),國(guó)內(nèi)外已開展了相應(yīng)的研究工作。例如,Hua 等[11]、花純利[12]和張振果等[13]分析了推進(jìn)軸系在水潤(rùn)滑橡膠軸承摩擦激勵(lì)下的彎扭耦合振動(dòng)現(xiàn)象,以及軸承摩擦導(dǎo)致自激振動(dòng)的發(fā)生條件。劉宗發(fā)等[14]研究了由螺旋槳偏心導(dǎo)致的軸系彎扭耦合振動(dòng)現(xiàn)象,并分析了軸系疲勞應(yīng)力。朱漢華等[15]研究了潤(rùn)滑耦合沖擊作用下的軸系彎扭耦合振動(dòng)特性。Jiang 等[16]研究了因摩擦激勵(lì)導(dǎo)致的推進(jìn)軸系彎—縱耦合振動(dòng)現(xiàn)象。近年來(lái),這方面的研究成果層出不窮,由此可見(jiàn),軸系非線性效應(yīng)對(duì)其振動(dòng)特性的影響已經(jīng)引起了業(yè)內(nèi)重視。
在上述研究中,非線性效應(yīng)都是由于存在非線性激勵(lì)源(例如,摩擦激勵(lì))所致;而在實(shí)際工程應(yīng)用中,幾何大變形也會(huì)導(dǎo)致軸系的非線性效應(yīng)。對(duì)小型船舶的推進(jìn)軸系而言,其剛度較大,幾何非線性效應(yīng)很小。然而,大型船舶的推進(jìn)軸系一般很長(zhǎng)(可能上百米跨度)且細(xì)長(zhǎng)比較?。?xì)長(zhǎng)比即軸系截面回轉(zhuǎn)半徑與軸系長(zhǎng)度之比,細(xì)長(zhǎng)比越小,表明軸系越“柔”,這是工程中考察梁剛度的一個(gè)重要指標(biāo)),其在螺旋槳流體激勵(lì)和不平衡載荷激勵(lì)下,容易產(chǎn)生較大的軸系橫向變形,進(jìn)而在縱向變形和橫向變形之間產(chǎn)生較嚴(yán)重的彈性耦合作用,這就是大變形幾何非線性導(dǎo)致的梁彎—縱耦合振動(dòng)現(xiàn)象?;诖?,本文擬建立并求解船舶推進(jìn)軸系的彎—縱耦合非線性動(dòng)力學(xué)方程,然后采用有限元法和多尺度法分析推進(jìn)軸系產(chǎn)生彎—縱耦合非線性效應(yīng)時(shí)的異常振動(dòng)現(xiàn)象,用以為大型船舶推進(jìn)軸系的工程設(shè)計(jì)提供參考。
典型的船舶推進(jìn)軸系由螺旋槳、后艉軸承、前艉軸承、中間軸承及推力軸承組成,如圖1 所示。本文假設(shè)軸系具有均勻截面,并將螺旋槳簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量,各軸承簡(jiǎn)化為彈簧與阻尼。
圖1 船舶推進(jìn)軸系簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic of marine propulsion shafting
采用瑞利梁力學(xué)模型,利用Hamilton 變分原理建立考慮彎—縱耦合非線性效應(yīng)的推進(jìn)軸系振動(dòng)偏微分方程[17]:
式中:ρ為軸段密度;A為軸段橫截面面積;u,v,w分別為軸系的縱向(x向)、橫向(y向)、垂向(z向)振動(dòng)位移;E為彈性模量;Id為截面慣性矩;kj為各徑向軸承的剛度,其中j=1,2,3;x為軸系的縱向距離;xj為螺旋槳到各徑向軸承的縱向距離;δ(x)為狄拉克函數(shù)。
式(1)列出了彎—縱耦合引起的非線性項(xiàng):第1個(gè)方程最后一項(xiàng)的物理意義為軸系發(fā)生彎曲變形時(shí),導(dǎo)致縱向方向產(chǎn)生的附加作用力;第2 個(gè)和第3 個(gè)方程倒數(shù)第2 項(xiàng)的物理意義為軸系發(fā)生縱向變形時(shí),導(dǎo)致彎曲方向產(chǎn)生的附加作用力;第2個(gè)和第3 個(gè)方程最后一項(xiàng)的物理意義為軸系產(chǎn)生較大的彎曲變形時(shí),橫向變形與垂向變形相互耦合產(chǎn)生的附加作用力。如果忽略這些非線性項(xiàng),式(1)即可簡(jiǎn)化為軸系的線性振動(dòng)偏微分方程。
式(1)中,軸系首尾兩端需滿足的力平衡邊界條件為
式中:L為軸系長(zhǎng)度;M1為螺旋槳質(zhì)量;kt為推力軸承的剛度;F為外激勵(lì)載荷;t為時(shí)間;α為載荷相位;Ω為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)速度;ω=7Ω,為葉片次激勵(lì)頻率轉(zhuǎn)速(7 葉槳);Ip為轉(zhuǎn)軸截面極慣性矩;Jd1為螺旋槳徑向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Jp1為螺旋槳極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
式(2)中:第1 個(gè)方程表示縱向力平衡;第2 個(gè)和第3 個(gè)方程分別表示橫向剪力平衡與彎矩平衡;第4 個(gè)和第5 個(gè)方程分別表示垂向剪力平衡與彎矩平衡。同樣,如果忽略非線性項(xiàng),式(2)即可簡(jiǎn)化為軸系線性振動(dòng)偏微分方程所需滿足的力平衡邊界條件。
對(duì)于式(1)和式(2)所示偏微分方程的定解問(wèn)題,可以采用有限元數(shù)值方法進(jìn)行求解[18-19],也可以進(jìn)一步降維之后采用多尺度近似解析方法來(lái)求解[17]。有限元數(shù)值方法的求解過(guò)程較簡(jiǎn)單,適用于任意幾何形狀的軸系,具有一定的通用性;但該方法屬于數(shù)值方法,難以獲得系統(tǒng)的解析解,故無(wú)法揭示某些機(jī)理性的規(guī)律。而多尺度法屬于漸進(jìn)解析法,因而可以獲得非線性系統(tǒng)的解析解,但其求解過(guò)程較復(fù)雜。本文將同時(shí)采用這2 種方法進(jìn)行求解:在第3.1~3.3 節(jié)利用有限元法分析系統(tǒng)產(chǎn)生彎—縱耦合效應(yīng)時(shí)的振動(dòng)現(xiàn)象;在第3.4 節(jié)利用多尺度法分析軸系相關(guān)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)彎—縱耦合效應(yīng)的影響規(guī)律。
對(duì)式(1)和式(2)應(yīng)用有限元理論,即可推導(dǎo)出單元質(zhì)量矩陣Me、陀螺矩陣Ge和單元?jiǎng)偠染仃嘖e,其中Ke包含(線性剛度矩陣),(一次位移剛度矩陣)和(二次位移剛度矩陣)。Me,Ge及的構(gòu)成與線性情況完全一致,故此處不再列出具體形式,僅列出非線性剛度矩陣和。
式中,a~f和~等系數(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[19]。
將軸系各單元的Me,Ge,Ke組裝在一起,考慮集中質(zhì)量、支撐彈簧及阻尼的影響,即可得到軸系彎—縱耦合效應(yīng)的振動(dòng)微分方程:
式中:q(t)為位移向量;Cˉ=ΩG+C,其中C為阻尼矩陣;F(t)為載荷向量。
可以采用Newmark法等數(shù)值積分方法求解式(5),當(dāng)系統(tǒng)非線性較弱時(shí),通過(guò)減小步長(zhǎng)即可取得很高的求解精度。但如果系統(tǒng)的非線性較強(qiáng),即使步長(zhǎng)很小且計(jì)算量很大,其求解精度也無(wú)法令人滿意,此時(shí),可以結(jié)合Newton-Raphson 方法進(jìn)行求解:首先,通過(guò)Newmark 法得到該時(shí)間步下的近似解,然后通過(guò)Newton-Raphson 方法進(jìn)一步搜索得到更精確的數(shù)值解[18]。如果需得到系統(tǒng)的周期解,還可以結(jié)合打靶法,詳見(jiàn)文獻(xiàn)[19]。
利用Galerkin 方法即可將式(6)所示的偏微分方程轉(zhuǎn)化為常微分方程,其中試探函數(shù)將采用線性模態(tài)振 型。設(shè)u(x,t)=φ1(x)X1(t) ,v(x,t)=φ1(x)Y1(t) ,w(x,t)=ψ1(x)Z1(t) ,其中:φ1(x) 為縱向第1 階模態(tài)振型;φ1(x)為橫向彎曲第1 階模態(tài)振型;ψ1(x) 為垂向彎曲第1 階模態(tài)振型;X1(t) ,Y1(t),Z1(t)分別為時(shí)間尺度上的縱向、橫向及垂向振動(dòng)位移。將其代入式(6),結(jié)合邊界條件并引入模態(tài)阻尼,得
式(7)是基于變分原理,并結(jié)合Galerkin 方法而得到的。實(shí)際上,針對(duì)能量泛函,采用Ritz 法結(jié)合Lagrange 方程也可以得到式(7),具體詳見(jiàn)文獻(xiàn)[20]。采用多尺度法和經(jīng)典龍格庫(kù)塔方法[21]求解式(7),即可得到軸系彎—縱耦合作用下的非線性振動(dòng)特性。
本節(jié)將闡述彎—縱耦合效應(yīng)對(duì)軸系非線性振動(dòng)特性的影響,例如,多頻現(xiàn)象、跳躍現(xiàn)象及能量遷移現(xiàn)象等,并將簡(jiǎn)單分析軸系各參數(shù)(例如,各支承軸承、螺旋槳質(zhì)量、軸系細(xì)長(zhǎng)比等)對(duì)彎—縱耦合非線性強(qiáng)弱程度的影響。
對(duì)于線性系統(tǒng),穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的頻率成分始終與激勵(lì)力保持一致;然而,對(duì)于非線性系統(tǒng),響應(yīng)中除了激勵(lì)力頻率成分之外,還可能出現(xiàn)別的頻率成分,即多頻響應(yīng)現(xiàn)象。以表1 所示的推進(jìn)軸系為研究對(duì)象,利用上文介紹的有限元方法進(jìn)行求解。
表1 推進(jìn)軸系的主要參數(shù)Table 1 The main parameters of propulsion shafting
假設(shè)軸系的縱向葉頻激勵(lì)頻率f縱=23.3 Hz,橫向葉頻激勵(lì)頻率f橫=20 Hz。利用Newmark 法并結(jié)合Newton-Raphson 法計(jì)算軸系的振動(dòng)響應(yīng),選取軸系中點(diǎn)處響應(yīng)的時(shí)域與頻域?yàn)榭疾鞂?duì)象,計(jì)算結(jié)果如圖2 所示。
從圖2 中可以看出,盡管橫向與縱向均為單頻激勵(lì),但考慮彎—縱耦合非線性效應(yīng)之后,響應(yīng)中除了激勵(lì)頻率成分之外,還出現(xiàn)了其他新的頻率成分(表2)。
由此可見(jiàn),即使僅存在單頻激勵(lì),軸系彎—縱耦合非線性效應(yīng)也會(huì)使其出現(xiàn)多頻響應(yīng)現(xiàn)象,新的頻率成分為激勵(lì)頻率的各種組合,而組合形式主要與非線性的階次和響應(yīng)乘積有關(guān)。由式(1)可知,軸系彎—縱耦合的非線性階次主要為二次和三次,且以彎曲響應(yīng)和縱向響應(yīng)的乘積為主,因此,新的頻率成分也表現(xiàn)為激勵(lì)頻率的2 倍或3倍,而響應(yīng)中的乘積關(guān)系在頻譜中則體現(xiàn)為激勵(lì)頻率的相加與相減。
圖2 軸系L/2 處振動(dòng)響應(yīng)時(shí)域與頻域曲線Fig.2 Time domain and frequency domain response at L/2 of shafting
表2 響應(yīng)中新的頻率成分組合Table 2 The new frequency components in the response
筆者所在團(tuán)隊(duì)曾測(cè)試了數(shù)艘在役艦船的推進(jìn)軸系振動(dòng)響應(yīng),根據(jù)測(cè)試結(jié)果,上述多頻響應(yīng)現(xiàn)象是真實(shí)存在的。
本節(jié)將利用有限元法結(jié)合打靶法進(jìn)行求解[19]。軸系升速與降速時(shí),葉頻激勵(lì)力作用下的軸系幅頻響應(yīng)曲線如圖3 所示。從圖中可以看出:1)彎—縱耦合效應(yīng)呈“硬彈簧”特性,故軸系的共振頻率略大于線性固有頻率;2)在某些頻率點(diǎn)處,響應(yīng)曲線同時(shí)存在3 個(gè)解(2 個(gè)穩(wěn)定解和1 個(gè)不穩(wěn)定解),所以存在跳躍現(xiàn)象。
圖3 葉頻激勵(lì)下的軸系幅頻響應(yīng)曲線Fig.3 Amplitude frequency response curves of shaft under blade frequency excitation
從物理的角度分析,彎—縱耦合非線性效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致軸系產(chǎn)生正的非線性剛度,并疊加在原來(lái)的線性剛度上,從而增加軸系的共振頻率。
圖4 所示為不同阻尼比和細(xì)長(zhǎng)比時(shí)的軸系幅頻響應(yīng)曲線(圖中,σ為頻率失調(diào)參數(shù),且7Ω-ε2σ=wf,其中wf為軸系橫向第1 階正進(jìn)動(dòng)固有頻率)。從圖中可以看出,阻尼比越小、細(xì)長(zhǎng)比越小時(shí),軸系彎—縱耦合的非線性效應(yīng)越強(qiáng)。因此,可以通過(guò)增加阻尼比來(lái)抑制幾何非線性效應(yīng),從而提高軸系的穩(wěn)定性。
眾所周知,對(duì)于線性振動(dòng)而言,各個(gè)方向的振動(dòng)具有相互獨(dú)立的特點(diǎn),互不干涉。但是對(duì)于非線性振動(dòng)而言,其各個(gè)方向的振動(dòng)之間則可能存在能量遷移現(xiàn)象。如圖5 所示,當(dāng)軸系存在彎—縱耦合效應(yīng)時(shí),在某些特定工況下,彎曲振動(dòng)與縱向振動(dòng)之間存在能量滲透。圖5 中:au為縱向振動(dòng)幅值;av為彎曲振動(dòng)的正進(jìn)動(dòng)幅值;bv為彎曲振動(dòng)的反進(jìn)動(dòng)幅值。在計(jì)算過(guò)程中,僅在縱向方向施加激勵(lì)力,而彎曲方向沒(méi)有載荷[20,22]。從圖中可以看出,對(duì)于臨界載荷f2:當(dāng)激勵(lì)力小于f2時(shí),隨著激勵(lì)力的增加,縱向振動(dòng)幅值也線性增加,彎曲振動(dòng)幅值為0,這與線性振動(dòng)的結(jié)論一致;當(dāng)激勵(lì)力大于f2時(shí),隨著激勵(lì)力進(jìn)一步增加,縱向振動(dòng)幅值不變,能量飽和之后,多余的能量將轉(zhuǎn)移到彎曲方向,進(jìn)而導(dǎo)致彎曲振動(dòng)幅值進(jìn)一步增加。同時(shí),正進(jìn)動(dòng)與反進(jìn)動(dòng)之間的能量分配與其進(jìn)動(dòng)頻率成反比[22],因此反進(jìn)動(dòng)的幅值大于正進(jìn)動(dòng)。
圖4 幅頻響應(yīng)曲線隨阻尼比和細(xì)長(zhǎng)比的變化規(guī)律Fig.4 Variation of amplitude frequency response curves with damping ratio and slenderness ratio
臨界載荷f2與系統(tǒng)參數(shù)、激勵(lì)頻率及非線性強(qiáng)弱程度等密切相關(guān),圖6 所示為臨界載荷f2隨系統(tǒng)阻尼比的變化規(guī)律。從圖中可以看出,隨著阻尼比的減小,臨界載荷f2也隨之減小,這表明在很小的激勵(lì)力作用下也可發(fā)生能量遷移現(xiàn)象。
在設(shè)計(jì)推進(jìn)軸系時(shí),為了有效控制軸系縱向振動(dòng),可以充分利用這種能量滲透特性,使縱向振動(dòng)幅值保持在一個(gè)“極限值”,而不會(huì)隨縱向激勵(lì)力的增加而進(jìn)一步增加。
圖5 縱向振動(dòng)幅值、彎曲振動(dòng)幅值隨激勵(lì)力的變化規(guī)律Fig.5 Variation of longitudinal vibration amplitude and bending vibration amplitude with excitation force
圖6 臨界載荷隨阻尼比的變化規(guī)律Fig.6 Variation of critical load with damping ratio
本節(jié)將利用多尺度法探討軸承剛度、螺旋槳質(zhì)量及細(xì)長(zhǎng)比等參數(shù)對(duì)非線性參數(shù)Λ1(反映軸系彎—縱耦合非線性強(qiáng)弱程度)的影響[23],計(jì)算結(jié)果如圖7 所示。從圖中可以看出:在一定范圍內(nèi)增加后艉軸承剛度,可以抑制彎—縱耦合非線性效應(yīng);在一定范圍內(nèi)增加前艉軸承剛度和推力軸承剛度,可以增強(qiáng)彎—縱耦合非線性效應(yīng);中間軸承對(duì)彎—縱耦合效應(yīng)的影響較??;增加螺旋槳質(zhì)量、減少細(xì)長(zhǎng)比也可以增強(qiáng)彎—縱耦合效應(yīng)。
軸系參數(shù)對(duì)系統(tǒng)彎—縱耦合效應(yīng)的影響機(jī)理具體如下:
圖7 軸系各參數(shù)對(duì)彎—縱耦合效應(yīng)的影響Fig.7 Effect of the shaft parameters on the geometric nonlinear
1)推進(jìn)軸系的第1 階彎曲振動(dòng)模態(tài)一般表現(xiàn)為螺旋槳處的振動(dòng)。因此,增加后艉軸承剛度或減小螺旋槳質(zhì)量可以有效減小軸系的彎曲振動(dòng),從而抑制軸系的彎—縱耦合效應(yīng)。
2)對(duì)于軸系第1 階縱向振動(dòng)而言,由于推力軸承剛度一般遠(yuǎn)小于軸系自身的拉伸或壓縮剛度,因此縱向第1 階模態(tài)以軸系整體平移為主。這種振動(dòng)模式不會(huì)使軸系產(chǎn)生縱向變形,所以也不會(huì)引起軸系的彎—縱耦合效應(yīng)。然而,隨著推力軸承剛度的增加,當(dāng)其值與軸系自身的拉伸或壓縮剛度相當(dāng)時(shí),軸系第1 階縱向振動(dòng)將不再表現(xiàn)為整體平移,而是軸系自身的縱向變形,此時(shí)軸系將產(chǎn)生明顯的彎—縱耦合效應(yīng)。同時(shí),隨著推力軸承剛度的增加,軸系彎—縱耦合效應(yīng)越來(lái)越強(qiáng)。前艉軸承對(duì)第1 階彎曲振動(dòng)的影響規(guī)律與縱向振動(dòng)相似,本文不再贅述。
3)由于中間軸承位于軸系前端,其對(duì)軸系第1階彎曲振動(dòng)模態(tài)的影響很小,故對(duì)系統(tǒng)彎—縱耦合效應(yīng)的影響也不明顯。
4)增加軸系的細(xì)長(zhǎng)比可以有效增加軸系的剛度,從而減小軸系彎曲及縱向變形,最終抑制軸系的彎—縱耦合效應(yīng)。
本文建立了軸系彎—縱耦合時(shí)的非線性振動(dòng)偏微分方程,闡述了有限元法、多尺度法等非線性方程求解方法,分析了彎—縱耦合效應(yīng)對(duì)軸系非線性振動(dòng)特性的影響,得到如下結(jié)論:
1)與線性模型相比,彎—縱耦合效應(yīng)將增加軸系的固有頻率。
2)當(dāng)軸系產(chǎn)生彎—縱耦合效應(yīng)時(shí),軸系振動(dòng)響應(yīng)中將出現(xiàn)多頻響應(yīng)、響應(yīng)跳躍及能量遷移等復(fù)雜的振動(dòng)現(xiàn)象。
3)增加后艉軸承剛度可以抑制軸系彎—縱耦合效應(yīng),增加前艉軸承剛度和推力軸承剛度可以增加軸系彎—縱耦合效應(yīng),而中間軸承對(duì)軸系彎—縱耦合效應(yīng)的影響則較小。
4)激勵(lì)載荷越大、阻尼比越小,軸系彎—縱耦合效應(yīng)將越強(qiáng)。