CN113971317B - 一种轮缘推进系统动态传递力的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮缘推进系统动态传递力的计算方法，涉及船舶减振降噪技术领域，该方法包括：确定轮缘推进系统中由轮缘电机至主船体的力传递路径上的各个结构部件的设计参数；根据各个结构部件的设计参数计算轮缘推进系统的位移阻抗参数；根据轮缘推进系统的位移阻抗参数计算得到激励力沿着力传递路径传递时产生的放大系数和相位差；把放大系数和相位差结合到轮缘电机产生的激励力中，得到轮缘推进系统动态传递力。本发明方法突破了传统组合建模数值分析技术的局限性，在分析获取轮缘推进系统各个结构部件的设计参数后即可根据本方法步骤进行计算而获取到轮缘推进系统动态传递力数值，省时省力，节约计算成本。

Description

一种轮缘推进系统动态传递力的计算方法

技术领域

本发明涉及船舶减振降噪技术领域，尤其是一种轮缘推进系统动态传递力的计算方法。

背景技术

轮缘推进器是一种全新的船用无轴推进装置，此推进方式摈弃了传统桨轴驱动推进方式，将电机的环形定子和转子集成在导管结构内部，并与海水相隔离，电机的环形转子上固定集成桨叶，通过电机定子和转子之间的电磁作用带动桨叶周向旋转，从而产生推动船体前进的动力。相对传统的有轴推进方式，轮缘推进取消了推进轴系，不仅避免了传统的传动轴系产生的耦合线谱噪声，还使得主船体上以往安装轴系的位置空间得以释放，轮缘推进器在水面船舶和水下装备上都有很大的应用空间和前景。

轮缘推进器因取消轴系对降低低频噪声非常有利，这也是使用轮缘驱动的吸引力所在。但轴系的取消使得轮缘推进器产生的推力通过推力轴承传递到导管结构，再经过多联结构传递到主船体上；传递到主船体上的动态力激励主船体结构，从而产生水下辐射噪声。这一轮缘推进系统动态传递力的大小将决定采用轮缘推进后主船体产生水下辐射噪声的水平，因此对轮缘推进系统动态传递力的计算评估是决定轮缘推进系统设计好坏的关键因素之一。以往对轮缘推进系统动态传递力的计算是采用的整体组合建模数值分析技术，而整体组合建模数值分析技术需要对整个轮缘推进系统和主船体进行详细建模和整体分析，这需要耗费大量的人力成本和计算成本；而若在初步设计阶段没有详细设计图纸时，对轮缘推进系统动态传递力的计算则无法开展。因此传统的数值分析技术存在应用的局限性。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种轮缘推进系统动态传递力的计算方法，本发明的技术方案如下：

一种轮缘推进系统动态传递力的计算方法，轮缘推进系统动态传递力的计算方法包括：

确定轮缘推进系统中由轮缘电机至主船体的力传递路径上的各个结构部件的设计参数；

根据各个结构部件的设计参数计算轮缘推进系统的位移阻抗参数；

根据轮缘推进系统的位移阻抗参数计算得到激励力沿着力传递路径传递时产生的放大系数和相位差；

把放大系数和相位差结合到轮缘电机产生的激励力中，得到轮缘推进系统动态传递力，轮缘推进系统动态传递力为轮缘电机产生的激励力沿着力传递路径传递并作用在主船体上的动载荷，轮缘推进系统动态传递力计算公式如下所示：

F＝βPe^i(ωt+θ)；

其中F为轮缘推进系统动态传递力，P为激励力的幅值，ω为激励力的角频率，t为时间，i为虚数单位，e为自然对数的底数，β为放大系数，θ为相位差。

进一步的技术方案为，在轮缘推进系统中，电机组件通过传动组件安装至主船体，电机组件包括轮缘电机及其集成桨叶以及推力轴承，传动组件包括导管及多联结构；每个结构部件的设计参数至少包括结构部件的刚度k、结构部件的质量m和结构部件的阻尼系数c，结构部件至少包括电机组件、传动组件和主船体。

进一步的技术方案为，对于轮缘推进系统中的电机组件，电机组件包括轮缘电机及其集成桨叶以及推力轴承，确定电机组件的设计参数包括：

获取轮缘电机及其集成桨叶的集中总质量并作为电机组件的质量m₁；

获取推力轴承弹性支撑的阻尼比ξ_z、推力轴承弹性支撑的安装频率f_z和推力轴承弹性支撑的额定载荷P_z；

根据推力轴承弹性支撑的安装频率f_z和推力轴承弹性支撑的额定载荷P_z计算得到推力轴承弹性支撑的动刚度作为电机组件的刚度k₁；

根据推力轴承弹性支撑的安装频率f_z、推力轴承弹性支撑的额定载荷P_z和推力轴承弹性支撑的阻尼比ξ_z计算得到推力轴承弹性支撑的阻尼系数作为电机组件的阻尼系数c₁。

进一步的技术方案为，推力轴承弹性支撑的动刚度

推力轴承弹性支撑的阻尼系数c₁为c₁＝0.4πP_zf_zξ_z。

进一步的技术方案为，对于轮缘推进系统中的传动组件，传动组件包括导管及多联结构，确定传动组件的设计参数包括：

获取导管及多联结构的等效刚度并作为传动组件的刚度k₂；

获取导管及多联结构的一阶纵向振动固有频率f_m2、导管及多联结构所用材料的相对阻尼系数ξ_m2；

根据导管及多联结构的等效刚度k₂和导管及多联结构的一阶纵向振动固有频率f_m2计算得到导管及多联结构的等效质量作为传动组件的质量m₂；

根据导管及多联结构的一阶纵向振动固有频率f_m2、导管及多联结构的等效质量m₂和导管及多联结构所用材料的相对阻尼系数ξ_m2计算得到导管及多联结构的阻尼系数作为传动组件的阻尼系数c₂。

进一步的技术方案为，导管及多联结构的等效质量m₂为

所述导管及多联结构的阻尼系数c₂为c₂＝4πm₂f_m2ξ_m2。

进一步的技术方案为，对于轮缘推进系统中的主船体，确定主船体的设计参数包括：

获取主船体的等效刚度并作为主船体的刚度k₃；

获取主船体的一阶纵向振动固有频率f_m3、主船体所用材料的相对阻尼系数ξ_m3；

根据主船体的等效刚度k₃和主船体的一阶纵向振动固有频率f_m3计算得到主船体的等效质量作为所述主船体的质量m₃；

根据主船体的一阶纵向振动固有频率f_m3、主船体的等效质量m₃和主船体所用材料的相对阻尼系数ξ_m3计算得到主船体的阻尼系数作为主船体的阻尼系数c₃。

进一步的技术方案为，主船体的等效质量m₃为

所述主船体的阻尼系数c₃为c₃＝4πm₃f_m3ξ_m3。

进一步的技术方案为，放大系数和相位差由下式计算得到：

其中，C1、C2、C3、C4是由根据各个结构部件的刚度k、质量m和阻尼系数c计算得到的位移阻抗参数。

进一步的技术方案为，位移阻抗参数的计算方法包括：

C1＝A₁B₁-ωc₁B₂-k₁B₃+ωc₁B₄；

C2＝A₁B₂+ωc₁B₁-k₁B₄-ωc₁B₃；

C3＝(k₁k₂-ω²c₁c₂)(k₃-ω²m₃)-(ω²k₁c₂c₃+ω²k₂c₁c₃)；

C4＝ωc₃(k₁k₂-ω²c₁c₂)+(ωk₁c₂+ωk₂c₁)(k₃-ω²m₃)；

式中参数如下：

其中，k₁为电机组件的刚度，k₂为传动组件的刚度，k₃为主船体的刚度，m₁为电机组件的质量，m₂为传动组件的质量，m₃为主船体的质量，c₁为电机组件的阻尼系数，c₂为传动组件的阻尼系数，c₃为主船体的阻尼系数。

本发明的有益效果：本发明方法突破了传统组合建模数值分析技术的局限性，在分析获取轮缘推进系统各个结构部件的设计参数后即可根据本方法步骤进行计算而获取到轮缘推进系统动态传递力数值，省时省力，节约计算成本。

附图说明

图1是本发明流程图。

图2是本发明的轮缘推进系统及其安装示意图。

图3是本发明各个结构部件设计参数计算的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，本实施例的一种轮缘推进系统动态传递力的计算方法，本发明可以实现对轮缘推进系统动态传递力进行快速计算，在不同设计阶段根据轮缘推进系统各个结构部件的设计参数即可分析评估而获得传递力数值，突破了传统计算方法的局限性，轮缘推进系统动态传递力的计算方法包括：

确定轮缘推进系统中由轮缘电机至主船体的力传递路径上的各个结构部件的设计参数；

根据各个结构部件的设计参数计算轮缘推进系统的位移阻抗参数；

根据轮缘推进系统的位移阻抗参数计算得到激励力沿着力传递路径传递时产生的放大系数和相位差；

把放大系数和相位差结合到轮缘电机产生的激励力中，得到轮缘推进系统动态传递力，轮缘推进系统动态传递力为轮缘电机产生的激励力沿着力传递路径传递并作用在主船体上的动载荷，轮缘推进系统动态传递力计算公式如下所示：

F＝βPe^i(ωt+θ)；

其中F为轮缘推进系统动态传递力，P为激励力的幅值，ω为激励力的角频率，t为时间，i为虚数单位，e为自然对数的底数，β为放大系数，θ为相位差。

在一个实施例中，轮缘推进系统包含轮缘电机1、集成桨叶2、推力轴承4、导管3、多联结构5和主船体6，轮缘推进器主要包括轮缘电机1和集成桨叶2，轮缘推进器前端面通过推力轴承4嵌入安装于导管3，导管3通过多联结构5固定安装于主船体6，如图2所示。为了在保证计算精度的基础上便于计算，该实施例分为三部分考虑：电机组件、传动组件和主船体，电机组件包括轮缘电机及其集成桨叶以及推力轴承，传动组件包括导管及多联结构，则电机组件通过传动组件安装至主船体，则该方法的实现方式包括：

确定轮缘推进系统中由轮缘电机至主船体的力传递路径上的各个结构部件的设计参数。分别计算个结构部件的设计参数如图3所示。

确定电机组件的设计参数的方法包括：(1)获取轮缘电机及其集成桨叶的集中总质量并作为电机组件的质量m₁。(2)获取推力轴承弹性支撑的阻尼比ξ_z、推力轴承弹性支撑的安装频率f_z和推力轴承弹性支撑的额定载荷P_z。(3)根据推力轴承弹性支撑的安装频率f_z和推力轴承弹性支撑的额定载荷P_z计算得到推力轴承弹性支撑的动刚度作为电机组件的刚度k₁。(4)根据推力轴承弹性支撑的安装频率f_z、推力轴承弹性支撑的额定载荷Pz和推力轴承弹性支撑的阻尼比ξ_z计算得到推力轴承弹性支撑的阻尼系数作为电机组件的阻尼系数c₁。

其中，推力轴承弹性支撑的动刚度k₁由计算公式如式(a)所示，推力轴承弹性支撑的阻尼系数c₁由计算公式如式(b)所示：

c₁＝0.4πP_zf_zξ_z   (b)

确定传动组件的设计参数的方法包括：(1)获取所述导管及多联结构的等效刚度并作为传动组件的刚度k₂。(2)获取导管及多联结构的一阶纵向振动固有频率f_m2、导管及多联结构所用材料的相对阻尼系数ξ_m2。(3)根据导管及多联结构的等效刚度k₂和导管及多联结构的一阶纵向振动固有频率f_m2计算得到导管及多联结构的等效质量作为传动组件的质量m₂。(4)根据导管及多联结构的一阶纵向振动固有频率f_m2、导管及多联结构的等效质量m₂和导管及多联结构所用材料的相对阻尼系数ξ_m2计算得到导管及多联结构的阻尼系数作为传动组件的阻尼系数c₂。

其中，导管及多联结构的等效刚度k₂及一阶纵向振动固有频率f_m2，均可通过部件结构动力学计算、结构测试试验或者初始设计阶段工程经验估算等获得。导管及多联结构所用材料的相对阻尼系数ξ_m2可通过查收材料力学性能手册获得。导管及多联结构的等效质量m₂按式(c)计算，导管及多联结构的阻尼系数c₂按式(d)计算：

c₂＝4πm₂f_m2ξ_m2   (d)

确定主船体的设计参数的方法包括：(1)获取主船体的等效刚度并作为主船体的刚度k₃。(2)获取主船体的一阶纵向振动固有频率f_m3、主船体所用材料的相对阻尼系数ξ_m3。(3)根据主船体的等效刚度k₃和主船体的一阶纵向振动固有频率f_m3计算得到主船体的等效质量作为主船体的质量m₃。(4)根据主船体的一阶纵向振动固有频率f_m3、主船体的等效质量m₃和主船体所用材料的相对阻尼系数ξ_m3计算得到主船体的阻尼系数作为主船体的阻尼系数c₃。

其中，主船体的等效刚度k₃及一阶纵向振动固有频率f_m3，均可通过部件结构动力学计算、结构测试试验或者初始设计阶段工程经验估算等获得。主船体所用材料的相对阻尼系数ξ_m3可通过查收材料力学性能手册获得。主船体的等效质量m₃按式(e)计算，主船体的阻尼系数c₃按式(f)计算：

c₃＝4πm₃f_m3ξ_m3   (f)

根据各个结构部件设计参数计算轮缘推进系统的位移阻抗参数，第一位移阻抗参数C1按式(g)计算，第二位移阻抗参数C2按式(h)计算，第三位移阻抗参数C3按式(i)计算，第四位移阻抗参数C4按式(j)计算：

C1＝A₁B₁-ωc₁B₂-k₁B₃+ωc₁B₄   (g)

C2＝A₁B₂+ωc₁B₁-k₁B₄-ωc₁B₃   (h)

C3＝(k₁k₂-ω²c₁c₂)(k₃-ω²m₃)-(ω²k₁c₂c₃+ω²k₂c₁c₃)   (i)

C4＝ωc₃(k₁k₂-ω²c₁c₂)+(ωk₁c₂+ωk₂c₁)(k₃-ω²m₃)   (j)

式(g)和式(h)中，

根据轮缘推进系统的位移阻抗参数计算得到激励力沿着力传递路径传递时产生的放大系数和相位差，并结合到轮缘电机产生的激励力中。轮缘电机产生的激励力F₁＝Pe^{i (ωt)}，其中P为激励力的幅值，ω为激励力的角频率，t为时间，i为虚数单位，e为自然对数的底数，激励力通过动力学分析获取。则可以得到轮缘推进系统动态传递力F的轮缘推进系统计算公式如式(k)所示：

以某安装于实船上的轮缘推进系统为例，对本申请的动态传递力的计算方法介绍如下：

轮缘电机及其集成桨叶的集中总质量m₁＝160kg、推力轴承弹性支撑的安装频率f_z＝8Hz、推力轴承弹性支撑的额定载荷P_z＝6000N、推力轴承弹性支撑的阻尼比ξ_z＝0.01。

按如下公式计算得到推力轴承弹性支撑的动刚度k₁和推力轴承弹性支撑的阻尼系数c₁为：

c₁＝0.4πP_zf_zξ_z＝602.9N·s/m

对导管及多联结构和主船体分别进行结构动力学计算得到：导管及多联结构的等效刚度k₂＝6000000N/m及一阶纵向振动固有频率f_m2＝22Hz，主船体的等效刚度k₃＝900000000N/m及一阶纵向振动固有频率f_m3＝16Hz。

导管及多联结构所用材料的相对阻尼系数ξ_m2＝0.03，主船体所用材料的相对阻尼系数ξ_m3＝0.01。则按如下公式计算得到导管及多联结构的等效质量m₂、导管及多联结构的阻尼系数c₂、主船体段的等效质量m₃、主船体的阻尼系数c₃为：

c₂＝4πm₂f_m2ξ_m2＝2605.7N·s/m

c₃＝4πm₃f_m3ξ_m3＝179140.1N·s/m

通过对轮缘推进系统的动力学分析，获取轮缘电机产生的激励力F₁＝Pe^i(ωt)＝1000.e^j·26t，其中激励力的幅值P＝1000，激励力的角频率ω＝26，t为时间，i为虚数单位，e为自然对数的底数。

根据各个结构部件设计参数计算得到轮缘推进系统的位移阻抗参数为：

C1＝A₁B₁-ωc₁B₂-k₁B₃+ωc₁B₄＝6.69273E+21

C2＝A₁B₂+ωc₁B₁-k₁B₄-ωc₁B₃＝1.73944E+20

其中，

C3＝(k₁k₂-ω²c₁c₂)(k₃-ω²m₃)-(ω²k₁c₂c₃+ω²k₂c₁c₃)＝7.62858E+21

C4＝ωc₃(k₁k₂-ω²c₁c₂)+(ωk₁c₂+ωk₂c₁)(k₃-ω²m₃)＝2.07451E+20。

则计算得到放大系数β和相位差θ为：

由此可以计算得到轮缘推进系统动态传递力为：

F＝βPe^i(ωt+θ)＝1140e^{i(26t+0.0012)}。

本发明方法计算步骤清晰、操作简便快捷，可以方便准确得获得轮缘推进系统动态传递力的大小，从而可以指导轮缘推进系统在实船上的工程设计应用。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轮缘推进系统动态传递力的计算方法，其特征在于，所述轮缘推进系统动态传递力的计算方法包括：

确定所述轮缘推进系统中由轮缘电机至主船体的力传递路径上的各个结构部件的设计参数；

根据各个结构部件的设计参数计算所述轮缘推进系统的位移阻抗参数；

根据所述轮缘推进系统的位移阻抗参数计算得到激励力沿着所述力传递路径传递时产生的放大系数和相位差；

把所述放大系数和所述相位差结合到所述轮缘电机产生的激励力中，得到所述轮缘推进系统动态传递力，所述轮缘推进系统动态传递力为所述轮缘电机产生的激励力沿着所述力传递路径传递并作用在所述主船体上的动载荷，所述轮缘推进系统动态传递力计算公式如下所示：

F＝βPe^i(ωt+θ)；

其中F为所述轮缘推进系统动态传递力，P为激励力的幅值，ω为激励力的角频率，t为时间，i为虚数单位，e为自然对数的底数，β为所述放大系数，θ为所述相位差。

2.根据权利要求1所述的轮缘推进系统动态传递力的计算方法，其特征在于，在所述轮缘推进系统中，电机组件通过传动组件安装至主船体，所述电机组件包括轮缘电机及其集成桨叶以及推力轴承，所述传动组件包括导管及多联结构，每个所述结构部件的设计参数至少包括所述结构部件的刚度k、所述结构部件的质量m和所述结构部件的阻尼系数c。

3.根据权利要求2所述的轮缘推进系统动态传递力的计算方法，其特征在于，对于所述轮缘推进系统中的电机组件，所述电机组件包括轮缘电机及其集成桨叶以及推力轴承，确定所述电机组件的设计参数包括：

获取所述轮缘电机及其集成桨叶的集中总质量并作为所述电机组件的质量m₁；

获取所述推力轴承弹性支撑的阻尼比ξ_z、推力轴承弹性支撑的安装频率f_z和推力轴承弹性支撑的额定载荷P_z；

根据所述推力轴承弹性支撑的安装频率f_z和所述推力轴承弹性支撑的额定载荷P_z计算得到所述推力轴承弹性支撑的动刚度作为电机组件的刚度k₁；

根据所述推力轴承弹性支撑的安装频率f_z、所述推力轴承弹性支撑的额定载荷P_z和所述推力轴承弹性支撑的阻尼比ξ_z计算得到所述推力轴承弹性支撑的阻尼系数作为电机组件的阻尼系数c₁。

4.根据权利要求3所述的轮缘推进系统动态传递力的计算方法，其特征在于，所述推力轴承弹性支撑的动刚度

所述推力轴承弹性支撑的阻尼系数c₁为c₁＝0.4πP_zf_zξ_z。

5.根据权利要求2所述的轮缘推进系统动态传递力的计算方法，其特征在于，对于所述轮缘推进系统中的传动组件，所述传动组件包括导管及多联结构，确定所述传动组件的设计参数包括：

获取所述导管及多联结构的等效刚度并作为所述传动组件的刚度k₂；

获取所述导管及多联结构的一阶纵向振动固有频率f_m2、所述导管及多联结构所用材料的相对阻尼系数ξ_m2；

根据所述导管及多联结构的等效刚度k₂和所述导管及多联结构的一阶纵向振动固有频率f_m2计算得到所述导管及多联结构的等效质量作为所述传动组件的质量m₂；

根据所述导管及多联结构的一阶纵向振动固有频率f_m2、所述导管及多联结构的等效质量m₂和所述导管及多联结构所用材料的相对阻尼系数ξ_m2计算得到所述导管及多联结构的阻尼系数作为所述传动组件的阻尼系数c₂。

6.根据权利要求5所述的轮缘推进系统动态传递力的计算方法，其特征在于，所述导管及多联结构的等效质量m₂为

所述导管及多联结构的阻尼系数c₂为c₂＝4πm₂f_m2ξ_m2。

7.根据权利要求2所述的轮缘推进系统动态传递力的计算方法，其特征在于，对于所述轮缘推进系统中的主船体，确定所述主船体的设计参数包括：

获取所述主船体的等效刚度并作为所述主船体的刚度k₃；

获取所述主船体的一阶纵向振动固有频率f_m3、所述主船体所用材料的相对阻尼系数ξ_m3；

根据所述主船体的等效刚度k₃和所述主船体的一阶纵向振动固有频率f_m3计算得到所述主船体的等效质量作为所述主船体的质量m₃；

根据所述主船体的一阶纵向振动固有频率f_m3、所述主船体的等效质量m₃和所述主船体所用材料的相对阻尼系数ξ_m3计算得到所述主船体的阻尼系数作为所述主船体的阻尼系数c₃。

8.根据权利要求7所述的轮缘推进系统动态传递力的计算方法，其特征在于，所述主船体的等效质量m₃为

所述主船体的阻尼系数c₃为c₃＝4πm₃f_m3ξ_m3。

9.根据权利要求2所述的轮缘推进系统动态传递力的计算方法，其特征在于，所述放大系数和所述相位差由下式计算得到：

其中，C1、C2、C3、C4是由根据各个结构部件的刚度k、质量m和阻尼系数c计算得到的位移阻抗参数。

10.根据权利要求9所述的轮缘推进系统动态传递力的计算方法，其特征在于，所述位移阻抗参数的计算方法包括：

C1＝A₁B₁-ωc₁B₂-k₁B₃+ωc₁B₄；

C2＝A₁B₂+ωc₁B₁-k₁B₄-ωc₁B₃；

C3＝(k₁k₂-ω²c₁c₂)(k₃-ω²m₃)-(ω²k₁c₂c₃+ω²k₂c₁c₃)；

C4＝ωc₃(k₁k₂-ω²c₁c₂)+(ωk₁c₂+ωk₂c₁)(k₃-ω²m₃)；

式中参数如下：

其中，k₁为电机组件的刚度，k₂为传动组件的刚度，k₃为主船体的刚度，m₁为电机组件的质量，m₂为传动组件的质量，m₃为主船体的质量，c₁为电机组件的阻尼系数，c₂为传动组件的阻尼系数，c₃为主船体的阻尼系数。

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