[發(fā)明專利]一種內(nèi)燃機(jī)曲軸系統(tǒng)縱扭耦合剛度的計算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710645583.7
• 申請日: 2017-08-01
• 公開（公告）號: CN107563000B
• 公開（公告）日: 2019-01-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭宜斌;王艷寧;李玩幽;李宏亮;陳華清;敖晨陽;張博;王乃昆;王東華;盧熙群;率志君;張亮
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種內(nèi)燃機(jī)曲軸系統(tǒng)縱扭耦合剛度的計算方法，包括如下步驟：測量并記錄內(nèi)燃機(jī)曲軸系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)；確定曲軸系統(tǒng)的軸承約束條件；建立縱扭耦合剛度分析模型；在目標(biāo)曲柄主軸頸處施加單位扭矩，建立空間超靜定系統(tǒng)平衡方程，并建立多余約束處的變形協(xié)調(diào)條件；得到將變形協(xié)調(diào)條件轉(zhuǎn)變?yōu)榍蠼馕粗嘤嗉s束力的補充方程；再聯(lián)立系統(tǒng)平衡方程，求解出曲軸系統(tǒng)軸承處的支撐反力、目標(biāo)曲柄固定端處的約束力及約束力矩；在目標(biāo)曲柄主軸頸和相鄰曲柄主軸頸分別施加單位軸向作用力，計算得到單位扭矩作用下的軸向位移柔度；最終求出耦合剛度。本發(fā)明方法計算內(nèi)燃機(jī)曲軸系統(tǒng)縱扭耦合剛度精度高且易于工程實現(xiàn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于振動工程領(lǐng)域，具體涉及一種內(nèi)燃機(jī)曲軸系統(tǒng)縱扭耦合剛度的計算方法。

背景技術(shù)

軸系振動問題是內(nèi)燃機(jī)的一種主要振動和危害來源，其振動形式是復(fù)雜的三維空間振動，包括扭轉(zhuǎn)、縱向、彎曲振動及三種振動形式的耦合。近年來，具有低油耗、低轉(zhuǎn)速、長沖程、高燃燒壓力和高輸出功率的柴油機(jī)被廣泛使用。由于這種柴油機(jī)的沖程、曲柄長度大，導(dǎo)致其曲軸系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度和軸向剛度相對較低，但彎曲剛度卻相對較大，從而使得整個船舶軸系的縱扭耦合振動問題更為突出。

Dorey在1939年最早揭示了曲軸系統(tǒng)中扭轉(zhuǎn)振動引起軸向振動的耦合現(xiàn)象。但直到二十世紀(jì)六十年代，Dort等才對扭轉(zhuǎn)-軸向耦合振動做了進(jìn)一步的深入研究。通過對曲柄變形進(jìn)行分析，在軸系自由振動方程中引入了耦合項，并通過大量的曲軸模型實驗測出扭轉(zhuǎn)-軸向變形影響系數(shù)，推導(dǎo)了扭轉(zhuǎn)-軸向耦合自由振動的解法(Dort D V,Visser NJ.Crankshaft coupled free torsional-axial viarations of a ship’s propulsionsystem[J].International Shipbuilding Process,1963,10(169):333-350)。日本NK船級社的Homori等在Dort研究的基礎(chǔ)上引入了有限元技術(shù)，使用MSC/NASTRAN建立單曲拐的有限元模型，計算出曲拐各部分獨立的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)，再通過分析空間曲拐梁的力與位移的關(guān)系，計算了三個影響因子，依此為基礎(chǔ)計算出了內(nèi)燃機(jī)軸系扭轉(zhuǎn)、軸向和扭轉(zhuǎn)-軸向耦合剛度，最后對整個軸系進(jìn)行了自由振動、強(qiáng)迫振動和曲柄過渡圓角處的應(yīng)力分析(Homori S,Kamata M,Sasaki Y.Comprehensive evaluation of the vibration andstrength of long-stroke diesel engine crank shaftings[J].19th InternationalCongress on Combustion Engines CIMAC,1991,D60:I-20)。MAN B&W公司的Jakobsen等首先運用有限元模型確定了半曲拐的剛度，然后用自由度縮聚法將單曲拐的剛度矩陣進(jìn)行縮減，主節(jié)點選取在曲柄銷中心和主軸頸中心位置，將這些縮聚矩陣拼裝成系統(tǒng)的整體慣性，剛度，阻尼矩陣以及總外力列向量，然后應(yīng)用狀態(tài)空間法進(jìn)行自由振動和強(qiáng)迫振動計算分析(Jakobsen S B.Coupling axial and torsional vibration calculations on long-stroke diesel engines[J].SNAME Transactions,1991,99():405-419)。1995年Kikuchi等針對日本Mitsubishi(三菱)重工的船用主機(jī)進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)-軸向耦合振動的研究，將Jacobsen的研究又向前推進(jìn)了一步。但是Jacobsen和Kikuchi的工作均采用通用的有限元程序進(jìn)行計算，他們的論文中未給出具體計算模型的推導(dǎo)(Kikuchi A,Makuta H,Yoshihara S.Vibration analysis of a dies-el engine crankshaft systemconsidering coupling effects of torsional and axial modes[J].21stInternational Congress on Combustion Engines CIMAC,1995,D36:1-16)。