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基于动力学的螺旋桨影响下的船舶推进系统声振特性研究

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Acta Mechanica Sinica 2024年第2期40卷 214-236页

作者：徐江海薛林邹冬林焦春晓塔娜饶柱石 School of Mechanical Engineering Nanjing University of Science and TechnologyNanjing210094China Institute of Vibration Shock and NoiseState Key Laboratory of Mechanical System and VibrationShanghai Jiao Tong UniversityShanghai200240China Tianjin Navigation Instruments Research Institute Tianjin300131China

船舶推进系统稳定性受到施加在螺旋桨上的负载及其本身的惯性效应的综合影响.论文聚焦非对称动力输入下的双缸推进系统,旨在通过理论建模、数值仿真和实验验证探究推进系统的动力学行为及其影响因素.首先,考虑传动系统的啮合刚度、齿面... 详细信息

船舶推进系统稳定性受到施加在螺旋桨上的负载及其本身的惯性效应的综合影响.论文聚焦非对称动力输入下的双缸推进系统,旨在通过理论建模、数值仿真和实验验证探究推进系统的动力学行为及其影响因素.首先,考虑传动系统的啮合刚度、齿面摩擦、齿侧间隙、非对称激励等时变、非线性因素,建立推进系统非线性动力学模型.其次,采用数值方法研究桨端负载及其惯性效应对于推进系统稳定性和振动响应的影响,揭示多参数影响下的系统复杂的动力学行为.最后,基于理论模型,构建并联推进系统综合实验平台,进一步研究了负载和惯性效应对于推进系统声振特性的影响.研究结果对于从动力学角度进行系统动力参数的设计和螺旋桨的结构优化具有积极意义.

关键词：船舶推进系统惯性效应综合实验平台传动系统声振特性非线性动力学模型动力参数齿侧间隙

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船舶螺旋桨推力的在线高精度辨识方法

中国舰船研究 2024年第3期19卷 310-318页

作者：马相龙吴昊邹冬林薛林塔娜饶柱石上海船舶设备研究所上海200031 上海交通大学机械系统与振动全国重点实验室上海200240 上海交通大学振动、冲击、噪声研究所上海200240 高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240

[目的]螺旋桨推力在轴系上产生的微弱形变信号易被干扰噪声所淹没,导致难以准确测量其推力,故提出一种在低信噪比下仍具有很高精度的螺旋桨推力测量方法。[方法]综合考虑测量数据误差的影响以及数据中潜藏的力学机制,基于Kalman滤波结... 详细信息

[目的]螺旋桨推力在轴系上产生的微弱形变信号易被干扰噪声所淹没,导致难以准确测量其推力,故提出一种在低信噪比下仍具有很高精度的螺旋桨推力测量方法。[方法]综合考虑测量数据误差的影响以及数据中潜藏的力学机制,基于Kalman滤波结合推力–位移状态方程建立轴系推力辨识模型,并以恒定转速、变转速及低频波动转速3种工况为例开展轴系推力测量研究,分析不同信噪比下该方法的推力辨识精度与鲁棒性。[结果]研究结果表明,当信噪比仅为20 dB时,推力辨识的最大相对误差仅为3.56%,验证了其在低信噪比下的高精度辨识能力与鲁棒性。[结论]研究成果可为实船环境下螺旋桨推力及轴系状态的在线实时高精度监测提供参考。

关键词： Kalman滤波推力辨识推进轴系位移测量在线监测

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基于Kalman滤波与应变信号的舰船轴系推力辨识研究

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噪声与振动控制 2024年第2期44卷 32-36,43页

作者：马相龙吴昊薛林塔娜饶柱石邹冬林上海船舶设备研究所上海200031 上海交通大学机械系统与振动全国重点实验室上海200240

在线、实时、准确监测舰船螺旋桨推力对船-机-桨匹配设计、舰船快速性预报及推进轴系健康管理等具有重要意义。然而,受轴系振动及环境干扰等测量噪声影响,螺旋桨推力产生的微弱应变信号易被测量噪声淹没,导致难以准确测量推力。当前,一... 详细信息

在线、实时、准确监测舰船螺旋桨推力对船-机-桨匹配设计、舰船快速性预报及推进轴系健康管理等具有重要意义。然而,受轴系振动及环境干扰等测量噪声影响,螺旋桨推力产生的微弱应变信号易被测量噪声淹没,导致难以准确测量推力。当前,一些常用的信号降噪方法,比如傅里叶变换、小波分析等均是基于纯数据降噪,未考虑测量数据中潜藏的力学机制。不同于这类降噪方法,Kalman滤波可同时考虑测量数据噪声及数据中的力学机制,对目标实现最小方差无偏估计,因而有更高的估计精度。因此,本文利用Kalman滤波结合应变测量信号提出一种螺旋桨推力高精度、在线辨识方法。以恒定转速、变转速及低频波动转速3种工况为例,研究了不同信噪比下本文方法的推力辨识精度与鲁棒性。研究表明,在信噪比仅为20 d B时,推力辨识最大相对误差仅为4.85%,因此本文方法在低信噪比下仍有很高的辨识精度与鲁棒性。同时,本文提出方法属于时域辨识方法,在转速突变、螺旋桨缠绕渔网等突发工况时亦能实时跟踪推力变化,因此可用于螺旋桨推力及轴系状态的在线、实时监测。

关键词：振动与波 Kalman滤波推力辨识应变测量在线监测

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基于听觉特征融合的煤矸识别方法研究

振动与冲击 2024年第8期43卷 136-144页

作者：杨政王世博饶柱石杨善国杨建华刘送永刘后广中国矿业大学机电工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学江苏省矿山智能采掘装备协同创新中心江苏徐州221116 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海200240

针对强噪声背景下综放开采过程中垮落煤矸难以识别问题,提出了一种融合低级听觉特征Mel频谱和高级听觉特征听觉神经递质发放率的煤矸识别方法。首先,根据煤矸垮落冲击液压支架尾梁声音信号频谱特点,基于听觉神经滤波器组模型构建了适用... 详细信息

针对强噪声背景下综放开采过程中垮落煤矸难以识别问题,提出了一种融合低级听觉特征Mel频谱和高级听觉特征听觉神经递质发放率的煤矸识别方法。首先,根据煤矸垮落冲击液压支架尾梁声音信号频谱特点,基于听觉神经滤波器组模型构建了适用于煤矸识别任务的听觉模型;然后,利用听觉模型对煤矸垮落声音信号进行分析,获得听觉神经递质发放率;再次,将听觉神经递质发放率与通过Mel频谱提取的峰值特征进行融合,得到煤矸声音听觉感知图;最后,基于所构建的听觉感知图,利用ConvNeXt模型进行煤矸识别。试验结果表明,采用融合听觉特征的煤矸识别方法在不同信噪比下均具有较高的识别准确率;其优越性在背景噪声较大的工况下(信噪比为-5 dB)尤为明显,准确率仍能达到91.52%,显著优于以低级听觉特征和频谱图作为识别特征和利用时频域特征结合机器学习的煤矸识别方法,验证了融合听觉特征的煤矸识别方法对噪声具有优越的鲁棒性。

关键词：放顶煤煤矸识别听觉模型听觉神经递质特征融合卷积神经网络

Design of Floating Mass Type Piezoelectric Actuator for Implantable Middle Ear Hearing Devices

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Chinese Journal of Mechanical Engineering 2009年第2期22卷 221-226页

作者： LIU Houguang TA Na MING Xiaofeng rao zhushi State Key Laboratory of Mechanical System and Vibrations Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240 China

To overcome some of the problems inherent in conventional heating aids such as low gain at high fi＇equencies due to acoustic feedback, discomfort in occlusion of the extemal ear canal and so on, implantable middle ear hearing devices （IMEHDs） have been developed over the past two decades. For such kinds of IMEHDs, this paper presents the design of a floating mass piezoelectric actuator using a PMN-30%PT stack as a new type of vibrator. The proposed piezoelectric actuator consists of only three components of a piezoelectric stack, a metal case and a clamp. For the purpose of aiding the design of this actuator, a coupling biomechanics model of human middle ear and the piezoelectric actuator was constructed. This model was built based on a complete set of computerized tomography section images of a healthy volunteer＇s left ear by reverse engineering technology. The validity of this model was confirmed by comparing the motion of the tympanic membrane and stapes footplate obtained by this model with published experimental measurements on human temporal bones. It is shown that the designed actuator can be implanted on the incus long process by a simple surgical operation, and the stapes footplate displacement by its excitation at 10.5 V root-mean-square（RMS） voltage was equivalent to that from acoustic stimulation at 100 dB sound pressure level（SPL）, which is adequate stimulation to the ossicular chain. The corresponding power consumption is 0.04 mW per volt of excitation at 1 kHz, which is low enough for the transducer to be used in an implantable middle ear device.

关键词： piezoelectric actuator implantable middle ear hearing device floating mass fmite element model

Study on the dynamic behavior of herringbone gear structure of marine propulsion system powered by double-cylinder turbines

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Science China(Technological Sciences) 2022年第3期65卷 611-630页

作者： XU JiangHai JIAO ChunXiao ZOU DongLin TA Na rao zhushi State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration Institute of VibrationShock and NoiseShanghai Jiao Tong UniversityShanghai 200240China Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration Shanghai 200240China

Propulsion systems powered by double-cylinder turbines(DCT)are widely used in large-scale ***,the nonlinear instability leads to hidden dangers associated with the safe operation,and there is a lack of theoretical and systematic research on this *** on the gear transmission principle and non-Newtonian thermal elastohydrodynamic lubrication(EHL)theory,a torsional model of a two-stage herringbone system forced by unsymmetrical load is *** nonlinear and time-varying factors of meshing friction,meshing stiffness,and gear pair backlash are included in the model,and multiple meshing states,including single-and double-sided impact are *** nonlinear phenomena of the dynamic system are explored and the effects of the unsymmetrical load on the system stability are *** results indicate that the stability of the gear system is improved,and that the back-sided impact gradually disappears with the increases of load ratio between the two inputs and the input load ***,it is found that the gear pairs on the low-load side experience more severe vibration than those on the high-load ***,the stability of the gear pairs decreases along the power transmission path of the multistage gear *** results of this research will be useful when making predictions of the stability of such systems and in the optimization of the load parameters.

关键词： DCT propulsion system DI-SO herringbone gears unsymmetrical load nonlinear instability mechanism

欧拉-伯努利梁运动场的正交性及其能量传导特性分析

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力学学报 2015年第1期47卷 135-146页

作者：周俊饶柱石塔娜上海交通大学振动冲击噪声研究所上海200240 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海200240

从无阻尼欧拉-伯努利梁振动方程解析解出发,推导了有限长梁的关于谱系数的时间-空间平均能量和功率流表达式.在此基础上,从泛函分析观点,探讨了弯曲运动场:衰减振动、行波模式分解关于能量、功率泛函的正交性.结果表明:弯曲衰减振动模... 详细信息

从无阻尼欧拉-伯努利梁振动方程解析解出发,推导了有限长梁的关于谱系数的时间-空间平均能量和功率流表达式.在此基础上,从泛函分析观点,探讨了弯曲运动场:衰减振动、行波模式分解关于能量、功率泛函的正交性.结果表明:弯曲衰减振动模式和行波模式关于功率流、机械能时间-空间平均是相互独立的,即关于场能和场功率互不干涉,满足叠加原理;衰减振动场导能与行波场导能的重要区别在于功率流关于右、左衰振动模式分解不满足叠加原理,即弯曲衰减振动场间的相互"干涉"是使其具有能量传导能力的内在原因.通过右端集中阻尼器支撑的梁的稳态功率流仿真分析计算,表明低频区振动导能不可忽略,同时,衰减振动场和行波场间存在一定的能量交换现象,但随着频率升高,振动场传导能量不断下降,同时能量传导效率也不断下降.

关键词：功率流振导正交性欧拉-伯努利梁泛函分析

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杆系结构静/动力学计算的直接方法

上海交通大学学报 2016年第1期50卷 52-58,64页

作者：周俊饶柱石塔娜上海交通大学振动、冲击、噪声研究所上海200240 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海200240

针对有限单元法计算精度受网格密度制约的问题,提出一种求任意复杂杆系静、动力学问题精确解的方法.该方法基于节点分析法,逐个节点列位移相容方程和内力平衡方程,以谱系数作为未知数,杆件变形和截面内力则采用相应问题的精确解来描述.... 详细信息

针对有限单元法计算精度受网格密度制约的问题,提出一种求任意复杂杆系静、动力学问题精确解的方法.该方法基于节点分析法,逐个节点列位移相容方程和内力平衡方程,以谱系数作为未知数,杆件变形和截面内力则采用相应问题的精确解来描述.用代数符号化的方式,对方程系数矩阵的组建过程进行了详细描述,为通用程序编制提供依据.对建模过程中的分布式载荷和铰接接头的处理方法进行了探讨并给出处理方法.通过平面钢架屈曲分析和空间管路谐响应分析,证实所提方法具有计算精度高、划分单元数少的特点,特别适合于需要精确解的场合.

关键词：解析解节点法框架杆系梁

轴颈倾斜下船用复合衬层艉轴承混合润滑特性分析及结构优化

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振动与冲击 2022年第19期41卷 22-29页

作者：吕芳蕊饶柱石王珏河海大学机电工程学院江苏常州213022 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海200240

船用艉轴承支撑着悬伸于船外的螺旋桨轴,由于螺旋桨的重力作用,其轴颈中心线不再平行于轴承孔中心线,而是在竖直平面内发生倾斜。轴颈倾斜使轴承膜厚及压力沿轴向不再均匀分布,显著降低轴承承载能力,使之处于混合润滑状态,且易导致碰磨... 详细信息

船用艉轴承支撑着悬伸于船外的螺旋桨轴,由于螺旋桨的重力作用,其轴颈中心线不再平行于轴承孔中心线,而是在竖直平面内发生倾斜。轴颈倾斜使轴承膜厚及压力沿轴向不再均匀分布,显著降低轴承承载能力,使之处于混合润滑状态,且易导致碰磨、严重磨损甚至轴瓦烧焦等问题,严重危害轴系服役安全。为提高轴颈倾斜下水润滑艉轴承的性能,改善压力分布,提出了一种采用复合衬层的轴承设计方法,以高分子材料作为承载表面,在高分子承载层与金属外壳之间加入橡胶层,橡胶层为等厚或非等厚结构。在此基础上建立了复合衬层水润滑轴承的混合润滑模型,分析了单一衬层结构、等厚复合衬层结构及非等厚复合衬层结构下的轴承性能。结果表明,对于处于混合润滑状态的水润滑轴承,复合衬层改善了压力分布、降低了摩擦因数和混合润滑状态过渡到流体动力润滑状态时的转速,而非等厚复合衬层对润滑性能具有更显著的改善作用。总结得到非等厚复合衬层轴承最优橡胶层厚的拟合公式,并给出了公式的适用范围,公式形式简洁,便于应用于轴承设计计算。相关工作为船用轴承优化设计和承载能力提升提供了新思路。

关键词：船用艉轴承轴颈倾斜混合润滑结构优化