型鋼加筋構(gòu)件對(duì)于船體中板自由振動(dòng)的影響【文獻(xiàn)綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>　　船舶與海洋工程</b></p><p>　　型鋼加筋構(gòu)件對(duì)于船體中板自由振動(dòng)的影響</p><p>　　本文的研究背景及意義</p><p>　　船舶結(jié)構(gòu)中的各種振動(dòng)會(huì)引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件的交變應(yīng)力,加速結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，并引

2、起乘員不適。為此,長期以來船舶振動(dòng)問題一直是船舶結(jié)構(gòu)工程人員研究的熱點(diǎn)。</p><p>　　早在19世紀(jì)后期,船體振動(dòng)問題就開始引起人們的注意。近年來,隨著航運(yùn)業(yè)的發(fā)展,主機(jī)功率和轉(zhuǎn)速提高,船舶噸位加大,以及肥大型船舶的出現(xiàn),致使船體振動(dòng)問題日益突出。隨著造船工業(yè)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)和有限元軟件的日趨成熟，人們對(duì)船舶質(zhì)量，使用性能寄船員生活環(huán)境提出了越來越高的要求?，F(xiàn)今隨著大型有限元軟件的日趨成熟和對(duì)船體振動(dòng)要求

3、越來越高，整船或局部的三維有限模型已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于船舶振動(dòng)計(jì)算。但是考慮到實(shí)際建模的復(fù)雜性人們常常將船體總振動(dòng)和局部振動(dòng)分開考慮，因此在船舶振動(dòng)計(jì)算中，主要有如下四類模型：整船有限元模型（粗網(wǎng)格），尾部有限元網(wǎng)格（細(xì)網(wǎng)格），上層建筑有限元模型（細(xì)網(wǎng)格）和整船加上層建筑有限元模型（粗網(wǎng)格）。</p><p>　　而有限元法是一種基于變分原理的把連續(xù)體離散化的數(shù)值解法，具有適應(yīng)性強(qiáng)，效能較高等優(yōu)點(diǎn)。有限元的實(shí)質(zhì)是把

4、求解區(qū)域分成為有限個(gè)單元，這些單元只在求解區(qū)域的節(jié)點(diǎn)處和單元的邊界上互相連接，這樣求解區(qū)域被離散了，并且表示為有限個(gè)單元的組合體。有關(guān)有限元的理論可以參見有關(guān)教材。</p><p>　　船舶行業(yè)中主流的有限元軟件是NASTRAN，它具有開放式的、全模塊化的組織結(jié)構(gòu)使其不但擁有很強(qiáng)的分析功能而又保證很好的靈活性，使用者可針對(duì)自己的工程問題和系統(tǒng)需求通過模塊選擇、組合獲得最佳的應(yīng)用系統(tǒng)。針對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用，NASTRA

5、N中有近70余種單元獨(dú)特的單元庫。所有這些單元可滿足NASTRAN各種分析功能的需要，且保證求解的高精度和高可靠性。模型建好后，NASTRAN即可進(jìn)行分析，如動(dòng)力分析、非線性分析、靈敏度分析、熱分析等。此外，NASTRAN的新版本中還增加了更為完善的梁單元庫，同時(shí)新的基于P單元技術(shù)的界面單元的引入可有效地處理網(wǎng)格劃分的不連續(xù)性(如實(shí)體單元與板殼單元的連接)，并自動(dòng)地進(jìn)行MPC約束。</p><p>　　2. 船體

6、振動(dòng)的原因分析</p><p>　　船體作為自由漂浮在水上的空心彈性梁，在營運(yùn)過程中必然會(huì)受到各種激勵(lì)的作用，激起船體總振動(dòng)和局部振動(dòng)。引起船體振動(dòng)的主要振源是螺旋槳和主機(jī)，他們?cè)谶\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將引起周期性干擾力是船體發(fā)生外胎強(qiáng)迫振動(dòng)。而波浪的沖擊，拋錨等引起的干擾力則是非周期性干擾力，因?yàn)檫@些力對(duì)船舶的作用時(shí)間短，只引起船體的衰減振動(dòng)。</p><p>　　船體產(chǎn)生振動(dòng)過大的主要原因可以歸結(jié)為下

7、述三個(gè)方面：</p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)考慮不周，如船舶主尺度與主機(jī)的選擇，螺旋槳與船體附屬體間隙以及與尾部線型的配合，船體結(jié)構(gòu)吃孫，布置和結(jié)構(gòu)的連續(xù)性等。</p><p>　　建造質(zhì)量的問題，如螺旋槳的制造質(zhì)量差，軸線對(duì)中不良，結(jié)構(gòu)連續(xù)性被破壞，焊接殘余應(yīng)力與初撓度等。</p><p>　　營運(yùn)管理問題，如船體的轉(zhuǎn)載不當(dāng)，軸系變形，主機(jī)個(gè)缸燃燒不均，機(jī)件磨損，松動(dòng)

8、，螺旋槳受損等。</p><p>　　以及局部振動(dòng)與船體總振動(dòng)的耦合也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。</p><p>　?。?）船底板格與船體分段及全船相比，質(zhì)量微小，振動(dòng)頻率高，故板格振動(dòng)可以從船體分段及全船的總振動(dòng)中分離出來，單獨(dú)計(jì)算。而艉分段作為立體結(jié)構(gòu)，質(zhì)量較大，且與船體前部耦合，故艉部的振動(dòng)不能與船體梁總振動(dòng)分離，應(yīng)視為總振動(dòng)中的一部分。</p><p>　?。?）機(jī)艙船底

9、板架質(zhì)量較大，且與貨艙區(qū)雙層底骨架相互交錯(cuò)，連接剛度大耦合緊，其振動(dòng)不能與船體總振動(dòng)相分離。[20]</p><p><b>　　3.船舶振動(dòng)的分析</b></p><p>　　文獻(xiàn)【1】 主要提出來內(nèi)河船舶振動(dòng)的主要振源，振動(dòng)的所帶來的嚴(yán)重后果以及相應(yīng)的一些減振避振的措施。</p><p>　　文獻(xiàn)【2】 本文中介紹利用matlab軟件編寫的

10、程序?qū)匦伪“逶谒倪吂讨闆r下進(jìn)行有限元分析，求得矩形薄板在四邊固支是自由振動(dòng)的固有頻率，并闡述了編程的基本思路。</p><p>　　文獻(xiàn)【3】 本文主要概述了整船結(jié)構(gòu)振動(dòng)計(jì)算中力學(xué)模型的建立，模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算方法等3個(gè)問題的研究狀況，并對(duì)齊方法進(jìn)行評(píng)述。</p><p>　　文獻(xiàn)【4】 本文講述了建立上層建筑振動(dòng)模型的幾個(gè)關(guān)鍵性問題以及計(jì)算模型實(shí)例。</p><

11、p>　　文獻(xiàn)【5】 本文介紹了在船舶結(jié)構(gòu)有限元建模時(shí)，設(shè)計(jì)人員通常采用板梁結(jié)合的形式的方法。</p><p>　　文獻(xiàn)【6】 本文介紹了采用三維模型的有限元計(jì)算方法得出某船體垂向總振動(dòng)的各階固有頻率和振型。</p><p>　　文獻(xiàn)【7】 本文介紹了采用比水面船舶常規(guī)槳舵配置多一只舵或少一二只舵, 通過合理布置槳舵相對(duì)位置, 以降低船舶的振動(dòng)和噪聲、提高船舶推進(jìn)效率、提高船舵控制航向

12、的性能。此方法特別對(duì)水面船舶設(shè)計(jì)有實(shí)用價(jià)值。</p><p>　　文獻(xiàn)【8】 應(yīng)用LQ G算法對(duì)簡化艙段船殼的振動(dòng)控制表明,增大結(jié)構(gòu)的阻尼,使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)降低,有效地控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)。</p><p>　　文獻(xiàn)【9】 本文評(píng)述了我國近年來在船舶振動(dòng)，沖擊與噪聲領(lǐng)域的研究進(jìn)展。其中包括：（1）振動(dòng)計(jì)算方法及振動(dòng)預(yù)報(bào)，(2) 高速船振動(dòng)特性及計(jì)算，（3）船舶水彈性力學(xué)，（4）結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)波及能量流，

13、（5）船舶振動(dòng)控制，（6）爆炸、沖擊、碰撞及其響應(yīng)，等等。</p><p>　　文獻(xiàn)【10】本文介紹了采用mindlin板單元和參考軸桿單元, 建立了考慮板剪切變形、骨架剪切變形和骨架偏心影響的船舶板梁組合結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析模型, 并研究比較了不同船舶板梁組合結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析有限元模型的計(jì)算精度。最后通過對(duì)某艙室甲板固有頻率計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的比較, 討論了船舶局部結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析中邊界條件處理問題。</p><

14、;p>　　文獻(xiàn)【11】，【12】都是關(guān)于船舶防振及減振問題的分析探討。主要是通過顯示中的實(shí)例船舶進(jìn)行討論，文獻(xiàn)【11】是一般小型船舶，文獻(xiàn)【12】是對(duì)48m集裝箱船振動(dòng)進(jìn)行分析。并對(duì)其固有頻率進(jìn)行估算和分析。</p><p>　　文獻(xiàn)【13】 討論了船舶結(jié)構(gòu)有限元模型化的問題，提出了幾個(gè)船舶結(jié)構(gòu)分析專用單元。這些單元能準(zhǔn)確地反映船舶結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，既能保證精度又有很高的效率。同時(shí)，還介紹了一個(gè)有作者開發(fā)的結(jié)構(gòu)靜

15、力，動(dòng)力有限元分析軟件SAFE.它具有通用單元庫和船舶結(jié)構(gòu)專用單元庫，可以進(jìn)行有限元與邊界元的耦合分析。SAFE有高效率的內(nèi)外村文件管理系統(tǒng)和前后處理軟件，可在微機(jī)上進(jìn)行全船分析，是船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的一個(gè)理想的分析工具。</p><p>　　文獻(xiàn)【14】本文主要是以28000噸多用途貨船為例，建立三維有限元模型進(jìn)行總振動(dòng)計(jì)算機(jī)振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算。并對(duì)振動(dòng)情況作出了評(píng)估。</p><p>　　文獻(xiàn)

16、【15】探討采用聲學(xué)邊界元法軟件SYSNO ISE 進(jìn)行船舶振動(dòng)聲學(xué)數(shù)值計(jì)算的具體方法。以某船為例, 對(duì)船舶有限元分析模型的建模、船舶振動(dòng)頻響分析方法以及動(dòng)力計(jì)算結(jié)果與聲學(xué)邊界元模型接口等具體步驟進(jìn)行說明。介紹了如何應(yīng)用SYSNO ISE 軟件建立船舶三維邊界元聲學(xué)分析模型, 并采用間接邊界元法, 對(duì)某船近場(chǎng)振動(dòng)聲學(xué)特性進(jìn)行了計(jì)算分析。</p><p>　　文獻(xiàn)【16】本文通過應(yīng)用有限元法和流體邊界元法對(duì)船舶尾板

17、的振動(dòng)性能作較全面的分析研究, 從而了解尾板自身的振動(dòng)特性以及尾板對(duì)船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的影響, 為尾板的設(shè)計(jì)提供結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能方面的依據(jù)。</p><p>　　文獻(xiàn)【17】 利用有限元技術(shù)對(duì)船體總，上層建筑整體和各層甲板局部自由振動(dòng)頻率及上層建筑振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行預(yù)報(bào)。介紹了用于振動(dòng)計(jì)算的單層甲板模型，尾部上層建筑模型，全船模型和簡化全船模型機(jī)應(yīng)用實(shí)例。研究了上層建筑和船體之間的耦合影響，并根據(jù)具體算例對(duì)各種模型化方法的效

18、果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。</p><p>　　文獻(xiàn)【18】主要針對(duì)艦艇結(jié)構(gòu)局部計(jì)算模型進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究，探討了確定計(jì)算模型的幾個(gè)關(guān)鍵性問題。同時(shí)結(jié)合目前我國新一代艦艇的設(shè)計(jì)和建造時(shí)間，具體分析可多種艦艇就夠局部振動(dòng)的計(jì)算模型，對(duì)振動(dòng)計(jì)算模型的建立具有一定的指導(dǎo)意義。</p><p>　　文獻(xiàn)【19】本文從船舶振動(dòng)危害、現(xiàn)象與振源、阻尼技術(shù)及其在船舶上的應(yīng)用、船舶振動(dòng)隔離技術(shù)、動(dòng)力吸振器的研究以及

19、整船振動(dòng)控制技術(shù)的研究諸方面綜述了船舶振動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)展, 重點(diǎn)關(guān)注了近幾年來主動(dòng)控制技術(shù)在船舶振動(dòng)控制中的應(yīng)用研究, 并對(duì)今后船舶振動(dòng)控制研究的發(fā)展提出了建議。</p><p>　　文獻(xiàn)【20】 本文對(duì)船舶局部結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析中邊界條件的簡化問題做了系統(tǒng)的分析研究，比較分析了各種不同邊界處理方法對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響"在此基礎(chǔ)上提出了一種邊界簡化和修正的方法。并通過實(shí)例分析說明。</p><

20、p>　　文獻(xiàn)【21】本文著重介紹了大型自卸船在不同的設(shè)計(jì)階段的船體振動(dòng)予報(bào)與控制, 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是采用ISO 6954 的標(biāo)準(zhǔn), 相信文中的結(jié)論對(duì)今后設(shè)計(jì)同型船的設(shè)計(jì)將是有益的。</p><p>　　文獻(xiàn)【22】針對(duì)30 000 t大湖型散貨船有害振動(dòng)問題，通過振動(dòng)測(cè)試、模型試驗(yàn)和三維有限元計(jì)算，找出主要的激勵(lì)源是螺旋槳誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力，并準(zhǔn)確進(jìn)行了艉部伴流場(chǎng)評(píng)估和脈動(dòng)壓力預(yù)報(bào).最后從船體結(jié)構(gòu)上采取合理優(yōu)化的減振

21、措施，獲得了明顯的減振效果，使該船得以順利交船.同時(shí)在船舶振動(dòng)診斷與治理方面，取得了有益的經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)今后的船舶減振設(shè)計(jì)提出建。</p><p>　　文獻(xiàn)【23】本文重點(diǎn)介紹黃船公司在建產(chǎn)品8 000 kW海洋救助船和小水線面雙體船的振動(dòng)情況，對(duì)震動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并采取了有效的工藝措施，達(dá)到減震降噪的目的。</p><p>　　文獻(xiàn)【24】本文主要是對(duì)299500t原油船振動(dòng)的

22、分析，其中提到的關(guān)于船體振動(dòng)的計(jì)算方法有：</p><p>　　船舶總體自由振動(dòng)計(jì)算方法船舶總體自由振動(dòng)計(jì)算方法，目前常用的計(jì)算方法有三種：</p><p>　　(1)近似計(jì)算方法；</p><p>　　(2)將船舶總體簡化為梁模型，采用遷移矩陣法和有限元法計(jì)算船舶總體振動(dòng)固有頻率；</p><p>　　(3)將船舶總體離散成三維模型(用膜、

23、板、桁條及梁模擬整個(gè)船體結(jié)構(gòu))，用有限元方法計(jì)算船舶總體固有頻率及振型。</p><p>　　船舶總體振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算方法</p><p>　　船舶總體振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算方法，常用的計(jì)算方法有三種：</p><p>　　(1)近似計(jì)算方法；</p><p><b>　　(2)振型疊加法；</b></p><p&

24、gt;<b>　　(3)直接積分法</b></p><p>　　文獻(xiàn)【25】 本文介紹了用特征值計(jì)算的Lanczos法德基本理論，以大連教學(xué)實(shí)習(xí)船為例，利用MSC軟件建立了該穿的全船細(xì)網(wǎng)格模型。分析了該船的低階整體自由振動(dòng)和上層建筑局部自由振動(dòng)，總結(jié)了該船的振動(dòng)特性。 </p><p>　　文獻(xiàn)【26】 本文以某國際航行船舶為例，按照中國船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范

25、要求，應(yīng)用三維有限元方法，進(jìn)行了艏樓甲板錨機(jī)固定座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。計(jì)算結(jié)果表明，原設(shè)計(jì)滿足局部強(qiáng)度要求，部分構(gòu)件尺寸存在進(jìn)一步優(yōu)化空間</p><p><b>　　4.總結(jié)</b></p><p>　　隨著船舶事業(yè)的發(fā)展，船舶振動(dòng)問題成為一個(gè)比較突出的問題。船體板面加筋的振動(dòng)計(jì)算，目前有兩種方法：經(jīng)驗(yàn)公式法和有限元法。有限元在船舶振動(dòng)中的應(yīng)用，使船舶振動(dòng)分析上升到了一

26、個(gè)新水平。利用有限元法可以相當(dāng)準(zhǔn)確并迅速的計(jì)算出船體的某種響應(yīng)特性，解決了許多過去無法解決的問題。文獻(xiàn)【13】中提到使用普通的有限元計(jì)算通常把船體板帶加強(qiáng)筋理想化為正交異性材料。這只有在加筋很密，斷面很小且均勻分布時(shí)，才可以得到較滿意的位移結(jié)果（盈利結(jié)果仍不準(zhǔn)確），否則將會(huì)有較大的誤差。并提出了平面矩形和四邊形加筋元?？紤]到模擬某些特殊部位和提高精度的需求，又開發(fā)4-9節(jié)等參加筋元和帶內(nèi)部自由度的改進(jìn)加筋元,和。船體上層建筑振動(dòng)可以說是

27、一個(gè)由無限多的諧振器組成的系統(tǒng)，稍不注意就會(huì)出現(xiàn)激振力與某一諧振器發(fā)生共振，造成結(jié)構(gòu)、部件、甚至機(jī)械設(shè)備的損壞。因此，必須針對(duì)各種振動(dòng)情況分析計(jì)算公式和有限元結(jié)果，采取措施，只有這樣才能保證船舶營運(yùn)的安全，延長船舶的使用壽命。</p><p>　　在過去年中, 有限元法已在結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中得到成功的應(yīng)用, 出現(xiàn)了一些大型通用軟件, 如NASTRAN、ANSYS、JIGFEX等.這些軟件的功能幾乎是無可挑剔的, 但存

28、在數(shù)據(jù)量太大的不足。于是人們轉(zhuǎn)而研究有限元前處理, 試圖自動(dòng)或半自動(dòng)剖分有限元網(wǎng)絡(luò)和生成外載荷。但迄今為止, 前處理軟件一般只對(duì)平面或空間連續(xù)體單連域或多連域十分有效, 而對(duì)于像船體這樣的復(fù)雜組合結(jié)構(gòu), 開發(fā)通用前處理軟件是很難的.而且在結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力的計(jì)算中，常規(guī)有限元方法精度低，很難得到令人滿意的結(jié)果。因此，如何用有限元方法來提高結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力計(jì)算的精度，至今還是一個(gè)有待于進(jìn)一步研究的問題。</p><p><

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