轴-壳体系统耦合振动控制原理分析及试验

    0 前言

    舰船系统振动与声辐射影响结构安全性和人员舒适性。机械噪声是低航速下舰船系统的主要噪声源[1]，包括运转设备振动通过联接激发船体振动以及推进轴系振动通过轴承基座激发船体振动。对于第一部分的控制，主要措施是将动力系统与基础结构相隔离[2-3]。针对由螺旋桨脉动激励引起的船体振动声辐射，主要从力传递路径中的轴、基座以及推力轴承等方面着手。LEWIS 等[4]提出在原有推力轴承基础上并联辅助磁推力轴承的减振方法，通过对磁推力轴承进行控制，有效减小轴与推力轴承座之间的动态力。GOODWIN[5]将共振变换器引入螺旋桨—轴系振动控制，之后的学者在 GOODWIN 工作的基础上继续研究了共振变换器的问题，其中DYLEJKO[6]建立了近似模型，得到了不同参数下的共振变换器；MERZ[7]采用有限元/边界元法分析了共振变换器以及分布式主动吸振。在国内，曹贻鹏等[8]研究了被动吸振器在轴系纵向振动控制中的作用；王家盛[9]研究了用于轴系纵振控制的离心式动力吸振装置，该装置原理上可以自动调节吸振频率；冯国平等[10]通过改变推力轴承的刚度和基座结构形式降低艉部振动声辐射。总之，现有研究包括对轴承座进行分布式主动吸振、采用辅助磁推力对推力轴承实施主动减振、采用共振变换器隔离轴系—轴承座之间振动传递以及对轴进行动力吸振或隔振的被动控制方法。

    本文针对轴—壳体系统耦合振动问题，采用在轴上进行振动控制的方案，研究通过在轴上施加控制力抑制轴的纵向振动以及整个系统振动的控制方法，并使用自适应前馈控制策略进行主动控制仿真，分析系统参数对于控制的影响，并对控制方法进行试验验证。

    1 轴—壳体耦合系统模型

    耦合系统模型如图 1 所示，带有螺旋桨的轴通过艉轴承、中间轴承和推力轴承分别与壳体和简化为梁的基座相连。轴长为 3.89 m，圆截面直径为 0.07m，螺旋桨质量为 26 kg。壳体由加筋锥壳与加筋圆柱壳以及半椭球形舱门组合而成，其中锥壳长 5.08m，倾角为 7.35°，与圆柱壳相连的截面直径为 1.8 m，圆柱壳由 5 段长 2.25 m 的舱段拼接而成，柱壳另一端连接长直径 4 m，短直径为 1.8 m 的半椭球形舱门。建模时分别通过解析法与有限元法求得轴系与壳体的频响函数，再利用频响函数综合法[11]将轴系与壳体综合在一起，求得整个系统的耦合振动模型。

    轴—壳体系统的频域模型根据文献[12]可由式(1)表示为

    式中，A、B 分别为轴系、壳体子结构，下标 I、C 分别表示非界面坐标与界面坐标。轴承刚度如下表所示。图 2 表示在轴向单位力激励下的振动响应，图 2 中 59 Hz 为轴的一阶纵振频率，77 Hz 为轴—壳体耦合振动频率，100 Hz 为壳体一阶纵振频率，22 Hz 为壳体一阶弯曲频率，56 Hz 为壳体二阶弯曲频率，93 Hz 为壳的三阶弯曲频率。图 3 给出了其中几阶频率所对应的模态振型。