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摘 要：本文主要根据舰船宣传机械水下非接触性爆炸冲击动力学的问题进行了相关研究和讨论，提出了一种基础冲击转子-轴承系统建模理论。综合考虑了转子的轴向力、旋转惯性力、陀螺效应、剪切力、轴承的油膜力以及轴向的扭矩。通过在空间域和时间域分别求解方程，得到相关系统冲击相应的时间过程。在此技术上，得到基础冲击转子-轴承系统装置，并利用相关实验进行计算方法和模型建立的正确性验证。
关键词：舰船；旋转机械；实验研究；冲击动力学
传统的转子系统冲击学理论只对轴承油膜力、惯性力、陀螺力等因素进行了考虑，对于柴油机、推进轴系、燃气轮机单元等这类旋转机械来说，在实际的带载运行过程中，冲击动力学理论还需要对系统的轴向力，扭矩等因素进行考虑。本文建立综合考虑轴承油膜力、惯性力、 陀螺力、轴向力、扭矩等因素的基础冲击转子系统模型，对动力学方成进行求解之后，并利用相关实验进行计算方法和模型建立的正确性验证。
一、动力学方程求解和动力学理论验证
经过一系列的推到和计算可以得到舰船旋转机械基础冲击动力学微分方程性质为偏微分方程，主要包括时间变量t和空间变量s。通过将直接积分法利用在时间域上的计算，在空间域上采取有限单元的方法进行计算，利用有限单元法和伽辽金法可以将系统的偏微分方程转化成为常微分方程，时间历程可由直接积分法迭代求解得到。Newmark 直接积分方法在瞬态响应的计算中应用最为广泛是由于其计算的稳定性。经过计算和转化之后，可以得到系统总运动的微分方程为Me qe+Ce qe+Ke qe=Qe ， qe是指节点发生位移的向量，主要包括两个转动位移和两个平动位移。阻尼矩阵Ce，主要由轴承阻尼带来的阻尼矩阵和陀螺矩阵这两部分组成。Ke由轴单位本身刚度项，工作轴向力带来的刚度项，工作扭矩带来的刚度项和轴承的刚度项四部分组成。Qe是指力矩载荷和节点力向量，系统质量矩阵为Me。
利用转子系统的自由震动可以对本文旋转机械基础冲击学理论方法进行可靠性的检验。使总运动的微分方程右边等于0，在考虑陀螺力矩的基础上，将转子进动角速度的两个大于零的数值作为正进动的频率，两个小于零的值作为反进动的频率。将此方程的计算结果与转子系统的精确解进行对比，发现计算结果与精确解吻合程度较高，初步验证对本文理论的正确性进行了验证。
二、实验验证
在转子系统基础冲击概念的基础上，设计了图1，图2的实验装置。
在前文中的理论模型建设的过程中，只对基础的平动加速度激励进行了考虑，并没有考虑旋转加速度，所以在本实验中旋转加速度激励也不在考虑的范围之内，在很大程度上提高了实验的可操作度。图2所示的钢架使锤击作用没有直接发生在固定基础上而是作用在了钢架上，这样以来，在固定基础装置上各处的锤击力都能保证相等，从而实现了装置上下平移加速度运动冲击激励。
固定基础两端即两个加速度传感器轴承支撑部分的加速度信号是整个转子系统的基础加速度冲击激励的输入信号。为了确保锤击过程中固定基础保持了平动运动，需要对两个加速度的信号进行对比验证。验证模型和计算理论的唯一标准即位移传感器 C 拾取转盘位置垂直固定基础平面的位移响应数据。
通过钢架冲击锤施加给固定基础的时间历程加速度如图3所示。从下往上按顺序为截取时间段内加速度、右端轴承座位置加速度、左端轴承座位置加速度曲线。通过对图像进行分析可得，左右端轴承座位置加速度曲线相似度较高，在很大程度上证明了锤击过程中固定基础保持了平动运动，符合实验要求，转子系统的冲击输入即基础平动加速度的运动激励。
实验结果刚性转盘位置的位移的实际移动时间历程如图4所示。利用图3中截取的时间段内加速度作为输入激励，进行相关的计算，计算结果如图5所示，通过对比分析可以发现，图4与图5有较高的吻合程度。图4在7.34秒到7.35秒之间发生了相对位移突变的现象，与理论计算值有较大的出入。根据分析可得，7.34秒到7.35秒之间加速度激励数值较小，在实际的实验过程中，油膜的非线性或者油膜连接处理成刚性联接都会在很大程度上影响实验结果，造成此过程中实验结果与理论计算值不符的情况出现。后续主要对不考虑偏心质量矩，转速2：8 900 rpm；考虑偏心质量矩 100 g·mm，转速 2：8 900 rpm；考虑偏心质量矩100g·mm，转速?1：6800rpm这三种情况进行实现发现规律与第一种情况基本相同，从而证明了实验验证的有效性和正确性。
三、总结
本文不仅将舰船旋转机械基础冲击动力学局限于传统的转子-轴承系统，采用有限单元的模型方法对转子模型进行了重新的建立。在综合考虑了转子的轴向力、旋转惯性力、陀螺效应、剪切力、轴承的油膜力以及轴向的扭矩等多种因素的基础上，改善了传统研究考虑因素不够全面的缺点。本文主要将舰船旋转机械基础冲击动力学模型的建立和一些相关的计算分为了理论部分和实验部分。进行实验的相关装置经济成本低，较易携带，进行实验的操作性和实验的准确性也较高，对于转子系统加速度冲击的现象模拟的还原度高，实验结果有一定的可靠性，很好得对本文基础冲击动力学理论进行了验证。
参考文献：
[1] 贺少华， 吴新跃. 舰载旋转机械基础冲击响应建模和计算研究[J]. 爆炸与冲击， 2011， 31（6）： 561-566.
[2] 鐘一谔. 转子动力学[M]. 北京： 清华大学出版社， 1987.
[3] Cavalca K L， Cavalcante P F， Okabe E P. An investigation on the influence of supporting structure on the dynsmics of the rotor system[J]. Mechanical Systems and Signal Processing， 2005， 19： 157-174.
[4] Singh M P， Chang T S， Suarez L E. A responses spectrum method for seismic design evaluation of rotating machines[J]. Journal of Vibration and Acoustics， 1992， 114： 454-460.
关键词：舰船；旋转机械；实验研究；冲击动力学
传统的转子系统冲击学理论只对轴承油膜力、惯性力、陀螺力等因素进行了考虑，对于柴油机、推进轴系、燃气轮机单元等这类旋转机械来说，在实际的带载运行过程中，冲击动力学理论还需要对系统的轴向力，扭矩等因素进行考虑。本文建立综合考虑轴承油膜力、惯性力、 陀螺力、轴向力、扭矩等因素的基础冲击转子系统模型，对动力学方成进行求解之后，并利用相关实验进行计算方法和模型建立的正确性验证。
一、动力学方程求解和动力学理论验证
经过一系列的推到和计算可以得到舰船旋转机械基础冲击动力学微分方程性质为偏微分方程，主要包括时间变量t和空间变量s。通过将直接积分法利用在时间域上的计算，在空间域上采取有限单元的方法进行计算，利用有限单元法和伽辽金法可以将系统的偏微分方程转化成为常微分方程，时间历程可由直接积分法迭代求解得到。Newmark 直接积分方法在瞬态响应的计算中应用最为广泛是由于其计算的稳定性。经过计算和转化之后，可以得到系统总运动的微分方程为Me qe+Ce qe+Ke qe=Qe ， qe是指节点发生位移的向量，主要包括两个转动位移和两个平动位移。阻尼矩阵Ce，主要由轴承阻尼带来的阻尼矩阵和陀螺矩阵这两部分组成。Ke由轴单位本身刚度项，工作轴向力带来的刚度项，工作扭矩带来的刚度项和轴承的刚度项四部分组成。Qe是指力矩载荷和节点力向量，系统质量矩阵为Me。
利用转子系统的自由震动可以对本文旋转机械基础冲击学理论方法进行可靠性的检验。使总运动的微分方程右边等于0，在考虑陀螺力矩的基础上，将转子进动角速度的两个大于零的数值作为正进动的频率，两个小于零的值作为反进动的频率。将此方程的计算结果与转子系统的精确解进行对比，发现计算结果与精确解吻合程度较高，初步验证对本文理论的正确性进行了验证。
二、实验验证
在转子系统基础冲击概念的基础上，设计了图1，图2的实验装置。
在前文中的理论模型建设的过程中，只对基础的平动加速度激励进行了考虑，并没有考虑旋转加速度，所以在本实验中旋转加速度激励也不在考虑的范围之内，在很大程度上提高了实验的可操作度。图2所示的钢架使锤击作用没有直接发生在固定基础上而是作用在了钢架上，这样以来，在固定基础装置上各处的锤击力都能保证相等，从而实现了装置上下平移加速度运动冲击激励。
固定基础两端即两个加速度传感器轴承支撑部分的加速度信号是整个转子系统的基础加速度冲击激励的输入信号。为了确保锤击过程中固定基础保持了平动运动，需要对两个加速度的信号进行对比验证。验证模型和计算理论的唯一标准即位移传感器 C 拾取转盘位置垂直固定基础平面的位移响应数据。
通过钢架冲击锤施加给固定基础的时间历程加速度如图3所示。从下往上按顺序为截取时间段内加速度、右端轴承座位置加速度、左端轴承座位置加速度曲线。通过对图像进行分析可得，左右端轴承座位置加速度曲线相似度较高，在很大程度上证明了锤击过程中固定基础保持了平动运动，符合实验要求，转子系统的冲击输入即基础平动加速度的运动激励。
实验结果刚性转盘位置的位移的实际移动时间历程如图4所示。利用图3中截取的时间段内加速度作为输入激励，进行相关的计算，计算结果如图5所示，通过对比分析可以发现，图4与图5有较高的吻合程度。图4在7.34秒到7.35秒之间发生了相对位移突变的现象，与理论计算值有较大的出入。根据分析可得，7.34秒到7.35秒之间加速度激励数值较小，在实际的实验过程中，油膜的非线性或者油膜连接处理成刚性联接都会在很大程度上影响实验结果，造成此过程中实验结果与理论计算值不符的情况出现。后续主要对不考虑偏心质量矩，转速2：8 900 rpm；考虑偏心质量矩 100 g·mm，转速 2：8 900 rpm；考虑偏心质量矩100g·mm，转速?1：6800rpm这三种情况进行实现发现规律与第一种情况基本相同，从而证明了实验验证的有效性和正确性。
三、总结
本文不仅将舰船旋转机械基础冲击动力学局限于传统的转子-轴承系统，采用有限单元的模型方法对转子模型进行了重新的建立。在综合考虑了转子的轴向力、旋转惯性力、陀螺效应、剪切力、轴承的油膜力以及轴向的扭矩等多种因素的基础上，改善了传统研究考虑因素不够全面的缺点。本文主要将舰船旋转机械基础冲击动力学模型的建立和一些相关的计算分为了理论部分和实验部分。进行实验的相关装置经济成本低，较易携带，进行实验的操作性和实验的准确性也较高，对于转子系统加速度冲击的现象模拟的还原度高，实验结果有一定的可靠性，很好得对本文基础冲击动力学理论进行了验证。
参考文献：
[1] 贺少华， 吴新跃. 舰载旋转机械基础冲击响应建模和计算研究[J]. 爆炸与冲击， 2011， 31（6）： 561-566.
[2] 鐘一谔. 转子动力学[M]. 北京： 清华大学出版社， 1987.
[3] Cavalca K L， Cavalcante P F， Okabe E P. An investigation on the influence of supporting structure on the dynsmics of the rotor system[J]. Mechanical Systems and Signal Processing， 2005， 19： 157-174.
[4] Singh M P， Chang T S， Suarez L E. A responses spectrum method for seismic design evaluation of rotating machines[J]. Journal of Vibration and Acoustics， 1992， 114： 454-460.