基于非参数建模的船舶推进轴系随机激励响应研究

作     者：赵峰 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李国宾

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 082402[工学-轮机工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：船舶推进轴系 非参数建模 随机激励 动力学响应 

摘      要：船舶在航行过程中,推进轴系(以下简称轴系)会受到诸多动态因素的影响,如船体变形、螺旋桨水动力、轴承油膜等。这些动态因素的影响往往造成轴系的动力学行为具有较强的不确定性。然而,在以往的轴系动力学响应研究中,大都采用确定性模型和确定性激励,这将难以全面揭示轴系的动力学行为,亦无法准确指导轴系的设计。本文以船舶推进轴系为研究对象,应用有限元法和非参数法建立轴系确定性和不确定性动力学模型,进行不同激励下轴系动力学响应数值计算和试验研究,通过时域波形、频谱和轴心轨迹探讨不确定性下轴系随机动力学响应特性,主要研究内容和结果如下:(1)为了研究不对中激励下轴系的动力学行为,应用有限元法建立了轴系确定性不对中动力学模型,在不对中角度为π/45 rad、π/35 rad、π/25 rad和π/15 rad时,基于Newmark法对动力学响应进行数值计算。结果表明:随着不对中角度的增大,时域波形逐渐呈现出的叠加波形,频谱中二倍频幅值逐渐接近一倍频,轴心轨迹变化依次出现椭圆形、“香蕉形、严重的“香蕉形和“8字形。(2)为了将数据和模型不确定性计入确定性模型中,引入非参数方法建立不确定性不对中动力学模型,在散度控制参数为0.05、不改变不对中力的条件下进行了动力学响应数值求解。结果表明:在确定性激励下,数据和模型不确定性的计入导致轴心轨迹出现了椭圆形、“香蕉形、严重的“香蕉形和“8字形。(3)为了研究随机激励下轴系的动力学行为,引入有界噪声模拟轴系的随机激励,基于确定性和不确定性模型进行了不同随机激励下的动力学响应数值计算,结果表明:在确定性模型下,随着随机激励增大,时域波形起伏明显,低倍频突出,轴心轨迹越来越分散,重复性逐渐降低,但形状保持不变;在不确定性模型下,轴心轨迹形状呈现出多样性,出现了椭圆形、“香蕉形、严重的“香蕉形和“8字形。(4)为验证不同激励下轴系的动力学响应特性,在船舶推进轴系实验台上分别进行了不对中激励和随机激励模拟试验,通过采集的位移信号分析了轴系动力学行为的变化。结果表明:随着不对中程度的增加,时域波形的叠加越来越明显,二倍频逐渐突出,轴心轨迹呈现出由“香蕉形、严重的“香蕉形向“8字形的变化;随着随机激励的增加,轴心轨迹越来越分散,重复性逐渐降低。