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随着电机技术的发展,尤其是永磁推进电机技术的成熟,电动力推进系统已逐步成长为一种高性能动力输出方式,并且在水下航行器等领域有着越来越广泛地应用。以电动机为核心的动力系统不可避免地将给航行器带来振动与噪声的影响,虽然完全消除结构的振动和噪声是不切实际的,但是为了使系统安全、可靠地工作,将振动限制在可以接受的程度是非常必要的。所以,针对水下航行器动力推进系统的噪声机理和振动特性的研究,对提高航行器自身安全性能,拓展工作环境适应性能,以及改善系统信号接收和发射性能等具有重要意义。 本文首先对水下航行器动力推进系统的噪声源进行定位;随后依据激励性质的区别,将噪声源分为电磁激励与机械激励两个主要方向,并分别从这两个方向入手深入研究其振动与噪声特性;在充分掌握系统内部各主要激励成分的成因的基础上,详细建立了包括激振动力设备、隔振悬挂系统以及壳体在内的完整动力系统的半解析法模型,从系统的角度对任意激励下的振动特性进行了分析;最后,通过两次湖上实验采集的航行器振动与噪声数据,对本文的理论与仿真研究进行了验证。 在对动力系统中电磁激励的振动与噪声研究中,首先全面分析了电动机定转子之间的气隙磁场以及由其产生的电磁激振力,进而对作为电磁噪声的主因的法向电磁力的解析表达式进行了合理简化,并选择直接将其以力的形式作用于永磁同步电动机的有限元模型中,从而将复杂的机电耦合问题转化为简单机械问题,这样的处理方式将可以避免对永磁同步电动机气隙磁场的建模,也意味着可以不再需要对电磁场计算结果进行存储,以及可能随之而来的计算结果提取并以载荷形式再施加与目标模型,大大简化了问题的分析步骤。随后,本文以此永磁同步电动机电磁激励振动的简洁机械模型为基础,并结合被动振动控制理论的弹簧振子模型,通过仿真的方式对此型永磁同步电动机进行了隔振器的优化筛选与设计。 对动力系统中的机械激励的振动与噪声研究主要集中于对旋转机构的转子动力学研究,其中,转子系统各阶临界转速的计算对以高性能永磁同步电机为核心的动力系统的振动与辐射噪声特性研究具有重要意义。传递矩阵法是计算转子系统各阶临界转速的一种重要方法,而对转子系统的离散化处理是应用传递矩阵法的前提。本文从转子离散的基本原理出发,给出了基于赤道转动惯量的定义,而使转子轴分段离散后,其单元直径与长度必须满足的关系,进而将其作为转子离散的准则,并通过对已知转子系统的数值仿真验证了相较于过往只满足经验公式的其他离散方法,此优化的离散方法将有效地提高传递矩阵法对转子系统临界转速的计算精度。根据此结果,将优化的转子离散化准则与传递矩阵法相结合,对本文所研究的变频器驱动的永磁同步电机的临界转速进行了精确计算。 此外,动力系统中机械激励的振动与噪声还来源于它所包括的其它机械零部件,无论是齿轮还是滚动轴承,都属于旋转机构,而在工作中它们都具有和自身结构特征相关的振动与噪声特征。这些主要反映在频谱中的振动与噪声特征,将对整个动力系统的噪声辨识与故障诊断提供重要依据。本文在对它们的振动噪声特征进行完整理论推导的基础上,发现动力系统中的齿轮与轴承等旋转机械附件的振动特征频率基本可以表示为电机输入转速与其相关结构参数的函数,因此,本文编制了基于Matlab语言平台的动力系统旋转机械附件的振动特征频率计算自动化程序,根据输入工况条件,以及部件结构参数就可以方便、准确地计算出它们的振动特征频率,使用简单,易于操作。 在详细了解水下航行器动力推进系统中不同性质的激励源之后,本文进一步以包括激振设备、悬挂连接以及壳体在内的动力系统为研究对象,从整体系统的角度研究其振动特性。摒弃过去刚体假设以及简单梁单元假设,代之以传递矩阵法得到整个动力激振设备的盘轴串联模型,并结合截顶圆锥壳体的振动方程,在受迫振动条件下,建立了整体系统的半解析模型,通过仿真证明了该模型具有较好的精度,并且比有限元法具有更好的计算效率。最后,以此半解析模型为基础,对整体动力系统的隔振悬挂方式进行了仿真与预测,为下一阶段的航行器减振降噪设计研究提供了依据。 本文最后详尽描述了某水下航行器湖上实航实验的实验目的、实验条件、实验设备与实验方法,并通过对两次湖上实验数据的处理与分析,对本文的理论与仿真研究进行了验证,结果显示本文所设计的水下航行器动力推进系统的隔振措施基本达到了设计要求,具有较好的减隔振效果。同时,针对当前减隔振方案中的不足,以第四章的研究内容为基础,为下一阶段的研究与湖上实验提供了理论与数据上的支持。