艦船艉軸架系統(tǒng)固有振動特性測試與分析方法

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）有限責任公司軍事代表室，上海 200129

3海軍工程大學艦船工程系，湖北武漢 430033

艦船艉軸架系統(tǒng)固有振動特性測試與分析方法

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）有限責任公司軍事代表室，上海 200129

3海軍工程大學艦船工程系，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雜構件系統(tǒng)，其固有振動特性的有效測試、合理分析和振型識別對于開展艦船艉軸架設計、建造以及控制艦體尾部振動等具有重要意義。為此，針對艉軸架系統(tǒng)的構成特征以及組成構件的固有振動特性，分別建立理論分析模型，通過分析，認為艉軸架系統(tǒng)固有特性屬于復雜構件系統(tǒng)的振動問題，其固有特性取決于艉軸及前（后）艉軸架臂的共同特性，兩者間存在較大關聯(lián)性，實際模態(tài)的識別應根據(jù)工程需要加以確定。基于以上分析，給出艉軸架系統(tǒng)固有特性測試要求和振型識別原則，并以某型艦的艉軸架系統(tǒng)為例開展固有振動特性試驗測試和模態(tài)識別，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

水面艦船推進器（螺旋槳）一般布置在艦體艉部，艦船主動力裝置通過軸系傳遞功率至螺旋槳，為艦船航行提供動力，同時，也將螺旋槳的振動通過軸系傳遞至船體［1］。針對艦船艉部軸系振動問題，張洪田等［2］建立了船舶軸系扭振計算的Ricoati傳遞矩陣法的數(shù)學模型，對船舶軸系扭轉振動問題進行了計算與分析。周瑞等［3］利用傳遞矩陣求解了推進軸系縱向振動固有頻率和固有振型的方法。螺旋槳推進方式中，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，必要的結構措施是設置多點支撐約束，而艉軸架設計正是確保艦船艉軸剛度、強度和振動控制特性的關鍵技術途徑。針對艦船軸系振動，合理的艉軸架結構設計對于艦體艉部振動控制具有重要的工程意義。

在對艦船艉軸架系統(tǒng)進行設計時，螺旋槳和軸系尺度主要取決于艦船推進效率需求，為已知確定量。因此，艉軸架系統(tǒng)的設計就主要集中為艉軸架結構、數(shù)量和支撐點位置。在設計方法上，文獻［4］和文獻［5］給出了艉軸架結構的振動設計衡準，并綜合考慮了艉軸、螺旋槳的剛度和質量分布特征，給出了艉軸架結構的經驗計算公式。同時，在實際工程中，設計者們也常常采用有限元法對整個艉軸架系統(tǒng)進行模型化分析。然而，理論和經驗的計算方法往往采用了較多的模型簡化處理，因此，合理、有效的實船測試對于檢驗計算方法的有效性，以及正確評價艉軸架系統(tǒng)的固有特性尤顯重要。針對船體結構模態(tài)信息參數(shù)識別問題，不少學者開展了測試理論和試驗方法研究：金咸定［6］基于船舶結構動力學的基本問題，并圍繞其相關領域（包括艦船振動模態(tài)、穩(wěn)態(tài)響應、從振動到聲學等）的歷史和發(fā)展現(xiàn)狀進行了評述；孫謙等［7］研究了一種在實船航行振動試驗數(shù)據(jù)的基礎上進行總振動阻尼研究的測點布置和識別計算方法；王雪仁等［8］針對船舶大型結構開展了子結構模態(tài)識別理論和試驗研究。但由于艉軸架系統(tǒng)的固有特性存在一定的復雜性，因此，目前尚未形成嚴格的實船測試規(guī)范以及模態(tài)識別要求，主要是根據(jù)設計人員和測試人員的經驗完成固有特性測試方案、模態(tài)及固有頻率的提取。

由于設計者和測試者對此問題的理解和認知程度存在差異，往往會造成測試數(shù)據(jù)不足、完備性較差、計算與測試結果不一致，無法有效支撐后續(xù)設計工作的開展等問題。對此，本文擬通過艉軸架系統(tǒng)固有特性理論分析，并結合實船測試情況對艉軸架系統(tǒng)的固有特性測試要求和模態(tài)識別基本原則加以探討，以供艦船設計和建造者參考。

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成艉軸架系統(tǒng)。以艉軸為對象進行分析時，可將其視為彈性支座上的連續(xù)梁結構，建立力學分析模型如圖1所示。其中，螺旋槳可采用梁端大質量點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、后艉軸架臂則實質上是連續(xù)梁跨中的兩個彈性支座。在螺旋槳激勵作用下，艉軸將以彈性支座上的連續(xù)梁形式產生振動響應，其固有振動特性除了與艉軸質量、剛度分布特征及螺旋槳質量分布特征相關外，還同時取決于艉軸架的約束剛度及其固有特性。當艉軸架剛度較大，固有頻率遠高于艉軸時，艉軸的固有特性可視為剛性支座上的連續(xù)梁結構來加以處理，此時，艉軸架能對艉軸振動起到良好的抑振效果，有效控制艉軸振動向艦體艉部的傳遞。當艉軸架剛度設計不足時，尤其是當艉軸固有頻率與艉軸架較為接近時，艉軸架將無法有效控制艉軸振動的傳遞，這在艉軸架設計中必須避免。

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 艉軸架結構固有特性分析

為保證對艉軸具有足夠的約束支撐，水面艦船一般設置有2個艉軸架，分別為前單臂軸架和后雙臂軸架。對艉軸架固有特性進行分析時，考慮到艉軸對其的約束作用和艉軸（含螺旋槳等）質量分布的影響，建立了艉軸架的力學分析模型，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，其對艉軸架的影響可等效視為附加質量Mw和附加剛度Kw。由該模型進行分析可知，艉軸對艉軸架不僅僅是附加質量的影響，同時還應考慮艉軸對其彎曲剛度的改變。文獻［5］中僅考慮了艉軸的附加質量，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試原則

通過以上理論模型分析可知，艉軸架系統(tǒng)是一個復雜的動力學系統(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，相互關聯(lián)。由于不同構件的固有特性相差較大，因此，這種復雜動力學系統(tǒng)的固有特征模態(tài)并非簡單的振型可以描述，對其固有特性的評價也不能籠統(tǒng)地加以評判，而應對不同構件分別予以討論，然后綜合分析。

從結構振動傳遞規(guī)律來看，艉軸架實質上是艉軸振動向艦體傳遞的主要通道，因此，艉軸架系統(tǒng)固有特性的重點應為艉軸架結構的設計。在實際工程中，艉軸架結構的設計目的主要有兩點：一是增加懸臂艉軸的約束剛度，形成多點約束，減小艉軸變形；二是控制螺旋槳激勵載荷作用下的艉軸振動，并減小其向艦體艉部傳遞的可能性。根據(jù)文獻［4］的要求，艉軸架結構的設計應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的首階固有頻率高于螺旋槳最大工況葉頻20%。

然而，在實際工程中直接對艉軸架進行測試存在一定的困難。為提高艉軸架的約束剛度，前單臂艉軸架結構一般較為短粗，其橫向模態(tài)往往難以識別。而后雙臂艉軸架結構為交叉構件，當兩臂長度差異較大時，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模態(tài)的識別難度。

基于以上分析，給出艉軸架系統(tǒng)試驗測試基本原則如下：

1）艉軸架系統(tǒng)固有特性的測試應以艉軸架結構固有特性為主要測試對象，艉軸振動特性可做為軸架特性分析的參考。

2）由于結構特征的差異，前單臂和后雙臂艉軸架的測試應采用不同的測試方案，該方案應充分考慮其結構特征以及其固有特性的方向性差異。例如，對于前單臂軸架須重點測試其橫向特性，而后雙臂軸架的橫向和縱向特性均應得到有效評估。

2 艉軸架系統(tǒng)固有特性的實船測試與模態(tài)分析

2.1 實船測試方案介紹

針對艦船艉軸架系統(tǒng)，設計了兩種模態(tài)測試方案，其中方案1參考文獻［9］進行，其具體測點布置如圖3所示，前單臂軸架布置3個加速度測點，后雙臂軸架布置7個加速度測點，艉軸上布置5個測點。施加不同方向的激勵，通過敲擊法可得到結構在不同方向上的模態(tài)信息。由于結構振動模態(tài)測試對環(huán)境背景噪聲要求苛刻，因此實船艉軸架的振動測試選擇在船舶處于坐墩狀態(tài)，夜間所有工廠及船上設備處于停止狀態(tài)時進行。

圖3 方案1測點布置示意圖Fig.3 Measuring points assignment for scheme 1

上述測試方案中，由于前單臂軸架、后雙臂軸架以及軸系構成了系統(tǒng)的復雜性，識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)高階振動模態(tài)中前單臂或后雙臂局部模態(tài)作為局部結構的首階模態(tài)振型而造成模態(tài)識別錯誤。由于上述測點布置僅反映了整個艉軸架系統(tǒng)的局部，因此，本文結合已有的理論分析基礎，提出一種擴展的測試方案2，以解決前單臂軸架、后雙臂軸架以及整個系統(tǒng)模態(tài)識別困難的問題。方案2的測點布置如圖4所示。

圖4 方案2測點布置示意圖Fig.4 Measuring points assignment for scheme 2

在方案2中，將測點擴展到了前半部分軸系，減少了后雙臂測點，可將之視為端部彈性支承的剛性直梁。前半部分軸系的測點數(shù)目可根據(jù)實際測試進行增減，至少應保證2個，以保證能進行有效的模態(tài)識別。

2.2 測試結果及固有特性分析

依據(jù)方案1和方案2的測試要求，分別進行兩種方案的整體橫向、垂向激振試驗和后雙臂軸架的縱向激振試驗。在測試過程中，為了能獲取可靠有效的試驗數(shù)據(jù)，本文在選擇激振點時，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行激振，進行對比以選取最佳識別結果。方案2的模態(tài)試驗結果如圖5所示。

圖5 方案2模態(tài)試驗結果Fig.5 Mode shapes of scheme 2

通過方案2的整體模態(tài)識別結果可知：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角相等，整體呈S型。艉軸的橫向振動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，由于后雙臂軸架剛度以及螺旋槳大質量分布特征，使得艉部振幅明顯較小。由整體分析可知，前單臂的1階橫向振動模態(tài)即體現(xiàn)在整體1階橫向振動中，單獨針對前單臂軸架進行模態(tài)識別，結果如圖5（c）所示，由此得到了前單臂軸架的橫向1階振動模態(tài)。由上述分析可知，在軸系系統(tǒng)呈現(xiàn)1階橫向振動或垂向振動時，后雙臂軸架的整體振幅較小，體現(xiàn)為駐點形式，為了得到后雙臂軸架的局部振動模態(tài)，必須結合方案1和方案2進行分析。方案1的艉軸架系統(tǒng)橫向和垂向振動模態(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階橫向振動實際為方案2中的軸系整體橫向3階模態(tài)的局部模態(tài)，因為方案2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?；诜桨?的橫向1階振動，進行后雙臂軸架的橫向1階振動模態(tài)識別，結果如圖7（a）所示。而后雙臂軸架的縱向1階模態(tài)試驗及識別則需要單獨進行激振試驗，其結果如圖7（b）所示。

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

2.3 艉軸架系統(tǒng)模態(tài)試驗結果

整理上述所有模態(tài)試驗結果，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)試驗結果Tab.1 Mode test results of the shaft bracket system

通過與理論計算進行對比，可知表1的測試結果具有較好的可信度。結合簡化理論模型及試驗結果可知：針對方案1試驗中采集到的單臂和雙臂上測點的振動信號進行局部模態(tài)分析時，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點，識別的模態(tài)振型也不能較好地反映艉軸架系統(tǒng)的模態(tài)信息?？傊M行艉軸架單臂和雙臂軸架的局部模態(tài)識別需要完整的艉軸架系統(tǒng)模態(tài)信息。要較好地識別艉軸架系統(tǒng)的模態(tài)信息，認為有效的測點布置方案應當是在方案2的基礎上增加雙臂結構上的測點數(shù)目，并增加單臂靠前艉軸上的測點數(shù)目。

3 結 語

本文針對艦船艉軸架系統(tǒng)的模態(tài)振動問題，建立了理論分析模型，并基于理論分析結果，在原測試方案的基礎上設置補充測試方案，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)識別困難的問題。通過在某型艦船艉軸架系統(tǒng)振動實船試驗過程中的實施，探討了艉軸架系統(tǒng)動力學固有特性測試要求和振型識別原則，并給出了有效的測點布置方案，其結果可供艦船設計和建造者參考。

［1］吳梵，郭日修.艦艇尾部振動的回顧［J］.船舶力學，1998，2（1）：69-77.

WU Fan，GUO Rixiu.A review on the research of the stern vibration of ships［J］.Journal of ship Mechanics.，1998，2（1）：69-77.

［2］張洪田，湯孺濤.船舶軸系扭轉振動計算的Riccati傳遞矩陣法［J］.船舶工程，1994，16（1）：31-35.

ZHANG Hongtian，TANG Rutao.A mathematical model for estimation of marine shafting torsional vibration using Riccati Transfer Matrix Method［J］.Ship Engineering，1994，16（1）：31-35.

［3］周瑞，江祎，管文生.船舶推進軸系縱振計算方法及影響因素分析［J］.中國艦船研究，2011，6（6）：17-22.

ZHOU Rui，JIANG Yi，GUAN Wensheng.Calculation method of ship propulsion shafting longitudinal vibraiton and influencing factors［J］.Chinese Journal of Ship Research，2011，6（6）：17-22.

［4］海軍規(guī)范所，等.GJB4000-2000 艦船通用規(guī)范［S］.北京：總裝備部軍標出版發(fā)行部，2000.

［5］中國船舶工業(yè)總公司第七研究院第七〇二研究所.GJB/Z 119-99 水面艦艇結構設計計算方法［S］.北京：中國人民解放軍總裝備部，1999.

［6］金咸定.船舶結構動力學的進展與信息化［J］.振動與沖擊，2002，21（4）：1-6.

JIN Xianding.Advance in ship structure dynamics and application of information technology［J］.Journal of Vibration and Shock，2002，21（4）：1-6.

［7］ 孫謙，陳志堅.基于實船航行試驗的艦船總振動阻尼識別方法［J］.中國艦船研究，2011，6（6）：34-37，44.

SUN Qian，CHEN Zhijian.Hull vibration damping identification method based on prototype experiment［J］.Chinese Journal of Ship Research，2011，6（6）：34-37，44.

［8］王雪仁，賈地，繆旭弘.大型復雜結構振動特性分析方法研究［J］.船舶力學，2012，16（4）：390-398.

WANG Xueren，JIA Di，MIAO Xuhong.Study on the method for predicting vibration of large and complex structures［J］.Journal of Ship Mechanics，2012，16（4）：390-398.

［9］ 國防科學技術委員會.GJB350.9-87 水面戰(zhàn)斗艦艇系泊和航行試驗規(guī)程（振動試驗）［S］.北京：國防科學技術委員會，1988.

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 網絡出版時間：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：艦艇強度與振動。E-mail：yangkuntuo＠163.com

楊 坤。

喻 菁］