【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于传递矩阵法的桨轴系统固有振动特性计算方法，属于船舶推进轴系的振动模态分析。
技术介绍
1、桨轴系统作为船舶的主要推进装置，是船舶的核心和主要动力提供者。其振动特性对船舶航行的安全性、舒适性、隐蔽性具有十分重要的影响，因此有必要对船舶桨轴系统的振动特性进行准确的分析。针对轴系这种一维结构，目前有三类梁理论被广泛采用，分别为经典梁理论、一阶剪切理论和高阶剪切理论。经典梁理论基于初等假设，忽略了剪切效应和转动惯量。虽然这使得经典梁理论易于推导，但也限制了其应用范围，使得其仅适用于细长梁在低频段的振动。当经典梁理论用于中厚梁时，其预测的变形会小于梁的实际变形，而梁的固有频率会被高估。为了考虑剪切变形的影响，可以采用一阶剪切理论。timoshenko指出，在采用一阶剪切理论讨论梁的横向振动时，剪切的影响会远大于转动惯量的影响。对潜艇和船舶的推进轴系而言，其轴系的受力和边界条件往往更为复杂，有必要研究变截面梁的建模方法。其次，以往对梁单元的研究往往局限于梁两端的经典边界条件，而较少考虑弹性边界和中间支撑对其振动特性的影响。而在对实际的舰艇轴系而言，其往往具有多个弹性支承，在建模时必须予以考虑。另一方面，轴系在运转时，会受到极大的轴向静载荷。静载荷的增大会导致轴系模态的变化，从而影响其在外激励下的响应。因此，有必要建立完善的轴系模型。
2、本专利技术提供了一种基于传递矩阵法的桨轴系统固有振动特性计算方法与流程。考虑到舰艇轴系的实际结构，将其等效为弹性支承多跨连续timoshenko梁予以分析。首先将其按跨度拆
3、通过对现有技术的文献检索发现，近年来，关于舰船螺旋桨推进轴系振动特性计算方法类似的专利鲜有发表，与本专利技术申请有关的公开资料主要包括：1、一种船舶传动-船体耦合振动系统半解析建模方法(专利公开号cn117332497a 2024年1月)；2、一种梁结构线性振动预测方法(专利公开号cn202311445777.42023年12月)。
4、专利1提出了一种面向螺旋桨-轴系-船体耦合系统建模和匹配设计的半解析方法，以各梁段积分系数作为传递对象进行求解。专利2提出了一种梁结构线性振动预测方法，构造出梁单元中间层上的位移容许函数和多跨梁、交叉梁的拉格朗日能量泛函后，结合经典振动理论进行求解。
5、根据以上查新结果分析，已公开发表的专利与本专利技术在原理和计算方法方面均有较大差异。本专利对基于传递矩阵法的桨轴系统固有振动特性计算方法与流程进行了详细介绍，为船舶桨-轴系统设计阶段的结构优化以及工程中桨-轴系统的振动模态分析提供了一种有效的计算方案。
技术实现思路
1、本专利技术为解决现有技术中需要建立复杂的模型，不方便修改系统结构参数，求解效率低的技术问题，进而提出一种基于传递矩阵法的桨轴系统固有振动特性计算方法。
2、本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是：本专利技术提出一种基于传递矩阵法的桨轴系统固有振动特性计算方法，包括：
3、步骤1：构建螺旋桨推进轴系；
4、步骤2：基于目标螺旋桨推进轴系建立连续多跨梁模型，将连续多跨梁模型按跨度分解；
5、步骤3：基于跨度分解后的连续多跨梁模型获取每个梁段的参数；
6、步骤4：构建传递矩阵；
7、步骤5：基于各个梁段的参数和传递矩阵获取每个梁段的振型常系数列向量和模态振型函数；
8、步骤6：对每个梁段的模态振型函数按照相应位置顺序进行组装，得到连续梁整体模态振型函数解析解。
9、可选的，步骤1的螺旋桨推进轴系左端为螺旋桨，右端为与动力端相连的高弹联轴器。
10、可选的，步骤2中将连续多跨梁模型按跨度分解的步骤包括：
11、步骤2.1：获取轴向压力下连续多跨梁模型中单个梁段的振动方程；
12、步骤2.2：对每个梁段的振动方程进行分解，得到跨度分解后的连续多跨梁模型；
13、单个梁段的振动方程的表达式为：
14、
15、公式(1)中，ai为梁段微元面积，ρi为梁段微元的密度，ii为截面惯性矩，ei为弹性模量，k′为timoshenko梁剪切因子，gi为梁段剪切弹性模量；
16、跨度分解后的每个梁段的振动方程为：
17、zi(x,t)＝zi(x)(acosωt+bsinωt) (2)
18、
19、
20、
21、公式(2)、(3)、(4)和(5)中，ω为系统的固有频率，zi(x,t)为跨度分解后的每个梁段的振动方程，zi(x)为振幅函数，xi-1为跨度分解的位置，b1i,b2i,b3i,b4i均为梁段振型常系数，λ1i,λ2i均为波数。
22、可选的，步骤3中每个梁段的参数包括：各个弹性支承刚度、轴向静载大小、分解后各梁段的几何参数、材料属性。
23、可选的，步骤4中传递矩阵为4×4阶的转换矩阵，且传递矩阵为系统固有频率的相关函数。
24、可选的，步骤5中获取每个梁段的振型常系数列向量和模态振型函数的步骤包括：
25、步骤5.1：将每个梁段的参数代入传递矩阵中，得到连续梁最左端与最右端梁段振型常系数列向量之间的传递函数；
26、步骤5.2：基于推进轴系的边界条件调节连续多跨梁模型两端的参数，得到与螺旋桨推进轴系的边界条件等效的参数；
27、步骤5.3：将调节后的连续多跨梁模型两端的参数代入频率方程中并通过newton-raphson迭代进行求解，得到螺旋桨推进轴系的各阶固有频率；
28、步骤5.4：对螺旋桨推进轴系的各阶固有频率进行模态截断；
29、步骤5.5：将模态截断后的各阶固有频率代入传递矩阵和连续梁最左端与最右端梁段振型常系数列向量之间的传递函数中，得到第一个梁段的模态振型函数和每个梁段之间的传递关系；
30、步骤5.6：基于第一个梁段的模态振型函数和每个梁段之间的传递关系获取每一梁段的振型常系数列向量和模态振型函数；
31、边界条件方程为：
32、
33、
34、
35、
36、公式(6)、(7)、(8)和(9)中，klt为连续梁左端的扭转弹簧，krt为连续梁右端的扭转弹簧，kll为连续梁左端的径向弹簧，krl为连续梁右端的径向弹簧，ml为连续梁左端的集中质量,mr为连续梁右端的集中质量,jl为连续梁左端的转动惯量，jr为连续梁右端的转动惯本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于传递矩阵法的桨轴系统固有振动特性计算方法，其特征在于，所述一种基于传递矩阵法的桨轴系统固有振动特性计算方法的步骤包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于传递矩阵法的桨轴系统固有振动特性计算方法，其特征在于，步骤1的螺旋桨推进轴系左端为螺旋桨，右端为与动力端相连的高弹联轴器。
3.根据权利要求1所述的一种基于传递矩阵法的桨轴系统固有振动特性计算方法，其特征在于，步骤2中将连续多跨梁模型按跨度分解的步骤包括：
4.根据权利要求1所述的一种基于传递矩阵法的桨轴系统固有振动特性计算方法，其特征在于，步骤3中每个梁段的参数包括：各个弹性支承刚度、轴向静载大小、分解后各梁段的几何参数、材料属性。
5.根据权利要求1所述的一种基于传递矩阵法的桨轴系统固有振动特性计算方法，其特征在于，步骤4中传递矩阵为4×4阶的转换矩阵，且传递矩阵为系统固有频率的相关函数。
6.根据权利要求1所述的一种基于传递矩阵法的桨轴系统固有振动特性计算方法，其特征在于，步骤5中获取每个梁段的振型常系数列向量和模态振型函数的步骤包括：
7.
8.根据权利要求1所述的一种基于传递矩阵法的桨轴系统固有振动特性计算方法，其特征在于，步骤6中连续梁整体模态振型函数解析解的表达式为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于传递矩阵法的桨轴系统固有振动特性计算方法，其特征在于，所述一种基于传递矩阵法的桨轴系统固有振动特性计算方法的步骤包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于传递矩阵法的桨轴系统固有振动特性计算方法，其特征在于，步骤1的螺旋桨推进轴系左端为螺旋桨，右端为与动力端相连的高弹联轴器。
3.根据权利要求1所述的一种基于传递矩阵法的桨轴系统固有振动特性计算方法，其特征在于，步骤2中将连续多跨梁模型按跨度分解的步骤包括：
4.根据权利要求1所述的一种基于传递矩阵法的桨轴系统固有振动特性计算方法，其特征在于，步骤3中每个梁段的参数包括：各个弹性支承刚度、轴向静载大小、分解后各梁段的几何参数、材料属性。
...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴闯，李久石，商德江，肖妍，张超，刘永伟，袁佳伟，苏佳明，郭东辉，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：
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