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船体垂荡和纵摇耦合作用下转子-轴承系统的非线性动力学特性研究

张文卓  
【摘要】:船舶在海上航行时,由于风浪的影响将在平衡位置附近做复杂的摇荡运动,而这类摇荡运动产生的大位移、低频率的运动会以牵连运动的形式对船舶动力装置运行的稳定性造成影响,因此研究船体摇荡运动下船用旋转机械的动力学特性具有重要意义。本文以船用旋转机械的核心部件转子-轴承系统为研究对象,考虑了船体垂荡和纵摇的耦合运动以及转子在轴瓦内发生倾斜等因素,通过第二类拉格朗日方程推导了船用转子-轴承系统的动力学方程,采用数值方法研究了该系统的非线性动力学行为,主要工作和结果如下:(1)分析了转子转速变化时系统的动力学行为。基于短轴承油膜力假设,建立了船体垂荡和纵摇耦合运动下船用转子-轴承系统的动力学模型,数值计算结果表明,在船体垂荡和纵摇耦合运动的影响下,转子系统第一次失稳后会出现复杂的拟周期分岔与倒分岔现象;在高转速时,船舶运动会提高转子的第二次失稳转速,系统再次经过拟周期分岔进入拟周期运动,直至最终转子碰触轴瓦内壁。(2)探讨了船体运动参数变化时转子系统的振动特性。当垂荡运动幅值在较小范围内变化时,牵连运动对船用转子系统的动力学特性的影响不大;随着垂荡幅值的不断增大,转子的振幅会随之急剧增加,系统运动从拟周期突变为混沌。随着纵摇幅值持续增加,系统从混沌变为拟周期状态,转子的振幅经历了先减小再持续增大的过程,同时,纵摇运动将导致转子在轴承中发生倾斜,转子受到油膜力矩的作用,使转子出现进动现象。当频率比变化时,转子系统由周期2状态通过拟周期分岔进入拟周期状态,并最终过渡到混沌状态。(3)研究了转子-轴承系统参数变化时转子系统的动力学特性。当转子偏心距改变时垂荡和纵摇耦合运动作用下船用转子系统的动力学分岔特性表现为:单周期→拟周期→周期2;而当偏心距增大到一定值时,转子振幅开始随之急剧增大,并且转子纵向运动的位移明显大于横向运动的位移。当轴承长径比增加时,轴承油膜力会随之急剧增大,转子系统不再出现无牵连运动时的单周期、周期2等简单运动形式;通过对比分析无牵连运动时转子的振幅发现,系统长径比较大时转子的振幅比无牵连运动作用时有所减小。


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