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轴—壳体耦合振动建模与主动控制方法研究

李攀硕  
【摘要】:水下航行器的声隐身性能一直是低噪声装备研究的重点,在过去的几十年中,多数研究主要集中在结构振动与声辐射的机理以及振动与声辐射控制两个方面。机理研究主要讨论梁、板、壳组合系统的振动与声学特性,而振动声辐射控制则研究被动与主动控制的原理与实现。由非均匀伴流场中螺旋桨轴承力所激励的轴—壳系统振动是结构低频振动声辐射的主要来源,由于通常的被动减振措施低频效果不理想,轴承力诱导的低频振动声辐射难于消除。论文在现有研究的基础上,以控制脉动轴承力诱导的系统振动为目的,讨论其中的基本问题,并揭示部分振动规律。 论文通过子结构建模,分析轴—壳耦合系统固有动态特性,明确推力轴承刚度等参数对系统振动特性的影响,并比较螺旋桨激励力与控制力所诱导的系统振动。在此基础上,对轴系振动进行控制仿真,通过在源头上控制振动传递来达到抑制壳体振动的目的,提高航行器的隐身性能。论文的主要内容包括: 第二章:根据频响函数综合法,在解析法与有限元方法的基础上,建立了轴—壳体系统耦合振动模型。分别利用解析法和有限元法分析末端带有集中质量的轴的三向自由振动以及加筋壳体的自由振动,求得各自的频响函数,然后根据轴—壳体之间的连接性条件,综合轴、壳体的频响函数,得到整个系统多输入输出频率响应。通过有限元软件对所得结果进行验证,并对螺旋桨脉动推力下系统的振动进行分析,获得耦合振动频响函数曲线以及模态振型等。 第三章:在第二章所建轴—壳体耦合振动模型的基础上,分析了参数变化对系统的影响,对控制力在不同施加位置所引起的振动以及螺旋桨激励力所引起的系统振动进行了对比,并分析、比较了螺旋桨横向激励与纵向激励下的系统振动特性。结果表明,壳底部加强纵筋刚度与推力轴承刚度均对系统纵向振动有明显影响,两者的增大都将导致轴纵振频率的增大,当刚度增大到轴—壳之间相当于刚性连接时,轴的纵振频率不再变化,相同条件下轴的纵振频率主要受两者间刚度较小者影响,另外,加强纵筋刚度的改变还会引起壳体纵振频率变化。对于控制力施加位置的选择,研究结果表明,在轴上不同位置施加控制力均可有效实现与激励力的对消,而同样作为振动传递结构的基座却因为其原点频响幅频特性存在明显“沉降”,因而不能作为控制力的理想施加位置。对横向激励下的系统振动的研究显示,横向激励下的纵向振动在低频段将出现许多纵向激励下所没有的频率特征,而由其激励的横向振动频率与纵向振动频率几乎无异,但振幅较高,同时横向激励下的壳体纵向振动幅值对橡胶轴承的支承刚度非常敏感,壳体纵向振动随支承刚度增大能迅速增大到与纵向激励下的振动同等量级。 第四章:在前面几章分析的基础上,针对螺旋桨脉动推力激励下的系统振动,研究在轴上施加控制力来降低轴的纵振,进而降低壳体振动的控制策略,采用基于自适应滤波结构的自适应对消控制方法和归一化LMS算法进行仿真。仿真结果表明,该方法可以有效抑制系统振动,且在不同的推力轴承刚度下,控制力大小的需求不同,并验证了第三章关于控制位置选择的结论。 第五章:建立了轴—壳体系统耦合振动试验模型,通过试验模型的振动测试与控制,得到了壳体与推力轴承基座的固有模态、系统在不同工况下的频响函数以及振动控制效果等。试验结果表明,在静推力不变的情况下,轴的纵振频率随转速的升高而降低;在轴上进行控制的自适应对消方法可应用于轴—壳体系统的振动控制。


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