在船舶动力系统研究发展的最早时期,轴系在船舶初期设计阶段是近似等效为不会发生弯曲拉伸变形的绝对刚体,并且这种情况存在了相当长的一段时期,当时的工程师觉得,轴系的载荷或是轴系的受力情况是决定轴系中应力变化的唯一要素。但是到了19世纪90年代,当时较为发达国家的工业在不断地飞速发展,与此同时内燃机被在各行各业被普遍使用,但是在一些运输行业,例如火车、轮船中使用到的内燃机,却经常接二连三地发生断轴事故。接二连三发生的断轴事故,引发了当时的工程师和设计研究人员的注意,扭转振动此时被猜测为引发事故的元凶。但是当时内燃机的功率不是很大,而且设备笨重,扭转振动因此又被当成是一种偶尔发生的情况,大家并没有继续关注下去,往往都是“出了问题再讲”。随着科技的进步,内燃机的功率得到了极大的提高,因为扭转振动引发断轴的严重事故愈加频繁。经过一系列的事故反思,工程师们认识到,设计研发之初,轴系并不能单纯地主观当作绝对刚体来认识,应当客观的把轴系当作弹性体系来研究。自此,工程师们做了大量的研究工作,不断加大对轴系扭转振动规律进行探究的力度。1916年,用于测量轴系扭振的机械式振动仪被德国研究人员盖格尔(Geiger)发明,预示着扭转振动的研究步入了实验和实测进程。此后Timoshenko等工程师用质量圆盘系统近似代替原有的曲轴系,以达到简化的目的,并发展了偏微分方程(PartialDifferentialEquation)分析扭转振动的方法。直至上世纪五十年代末期,人们做了大量的研究工作,对轴系扭转振动的研究手段和计算方法日趋多样化,数据积累越来越多,技术研究能力逐渐的成熟了起来,已经渐渐的有了一系列处理扭转振动问题初步理论上的办法。79360
从现存在的研究来看,主要有两种轴系模型用于船舶轴系扭转振动的计算:一种是集中参数模型,又被称为轴盘模型,它是将离散轴系质量后又把质量再集中到集中点来进行研究,这种模型设计简单,方便计算,适合于对精度要求不高的场景;另外一种是比集中参数模型更趋近现实、精度更高的分布参数模型,它是轴系质量沿轴线连续分布的一种模型。随着电子计算机技术的飞速发展,一系列计算更加建模仿真软件不断涌现出来,它们不仅快捷方便而且还非常及其的精确,扭转振动的研究步入了新阶段。
自由振动计算与强迫振动计算是船舶轴系扭转振动计算的两个主要方面,针对轴系所建立的不同的力学计算模型,所采取的轴系扭转振动计算方法也不尽相同,对于自由振动计算,现阶段采用的方法主要有:解析法、霍尔茨(Holzer)法以及传递矩阵法等;对于强迫振动计算,现阶段采用的方法主要有:有限元法、解析法、传递矩阵法、放大系数法以及能量法等论文网。
霍尔茨(Holzer)法是计算轴系扭转振动的典型方法,传递矩阵法是在霍尔茨(Holzer)法上逐渐演变出来的,霍尔茨(Holzer)法和传递矩阵法都是一种试凑方法,它们先假定一个频率,然后在这个假定频率的基础上进行不断的计算,一直算到固有频率以及固有振型[4]。船舶轴系机构中,一般的质量数都是稳定在十个左右,有时候遇到复杂的船舶轴系系统质量数会增加到三十多个。现如今,发展到现在,我们已经有了很多种能够方法又快速又准确地算出如此多个质量数的船舶轴系的固有频率,其中,霍尔茨(Holzer)法依然是现在最通用的几种实用方法之一,它能够在计算出船舶轴系的固有频率的同时,顺便把船舶轴系中各个轴段的弹性力矩和每个集中质量的相对振幅求解出来,这样每个固有频率下对应的振型就能够求出了。