垂荡、横摇作用下船用转子-轴承系统的非线性动力学特性研究

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舰船在航行中产生的大幅值、低频率的牵连运动如垂荡、横荡、纵荡、横摇、纵摇、艏摇等都会对舰船动力装备的核心部件也就是船用转子-轴承系统产生严重的影响。因此,研究牵连运动下转子-轴承系统的非线性动力学特性具有深远的理论意义和工程应用价值。本文考虑了船体两种重要的牵连运动形式:垂荡、横摇,基于短轴承理论分别建立了垂荡、横摇作用下船用转子-轴承系统的动力学模型,利用多种非线性动力学理论对转子系统动力学特性进行了研究,主要内容及结果如下:(1)考虑舰船垂荡运动,在非惯性参考系基于短轴承油膜力模型建立了转子-轴承系统的动力学模型。理论模型显示垂荡作用下船用转子-轴承系统具有明显的几何非线性特性。利用数值计算结合多种动力学稳定性分析方法讨论了系统的动力学特性,结果表明:垂荡运动对船用转子系统的动力学行为影响显著。在低转速时,系统呈现周期1运动:随着转速的增加,系统会出现准周期、周期2、混沌和双Hoρf分岔等动力学特性。(2)对垂荡作用下转子-轴承系统的非线性动力学特性进行了参数分析,分别讨论了垂荡激励幅值、频率比及转子偏心率等参数变化对系统动力学特性的影响。结果显示:垂荡幅值和转子偏心率的增加都会使作用在系统的垂荡惯性力增大从而使转子位移出现持续增长,其动力学特性也渐趋复杂;随频率比的增加,系统运动由复杂混沌状态逐渐恢复稳定。参数分析表明垂荡运动对转子系统垂向运动的影响大于对横向运动的影响。(3)考虑船体横摇运动,根据运动学理论基于短轴承油膜力模型建立了横摇作用下船用转子-轴承系统的动力学模型。动力学模型表明横摇运动会使转子系统出现明显的动态科氏惯性力,通过对系统非线性动力学响应的计算和分析发现:横摇作用会使转子系统的振幅较无横摇时有明显的增加,且转子进入不同步准周期运动的转速大大提前,同时系统不会再出现无横摇时表现出的如周期1、周期2等简单的同步周期性运动。(4)对横摇运动下的转子-轴承系统动力学特性进行了参数分析。结果显示:横摇运动幅值增加会使系统的稳态位移逐渐增加,转子的运动状态也由准周期向混沌运动变化。频率比较小时,转子运动状态复杂多变且其位移幅值较大,随着频率比的增加,转子系统的位移逐渐减小,运动状态呈现出准周期规律。转子偏心率增加时系统运动状态在某临界值附近会出现明显变化。参数分析显示横摇运动对转子系统运动的影响在横向更大。
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