集装箱船舱口盖自由振动分析【开题报告】.doc

1、毕业论文开题报告 船舶与海洋工程 集装箱船舱口盖自由振动分析 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 1.研究集装箱船的原因 船舶是一个复杂的水上工程建筑物，具有环境各种条件特殊、类型多、系统复杂、技术含量高、投资巨大、使用周期长等特点。它航行于江河湖海，担负着运输、生产、战斗及其他各种任务。我国有漫长的海岸线，无数的内河湖泊，还有广阔富饶的海疆，为此就需要大量的、各种类型的船舶来从事各方面的工作，为社会主义革命和建设服务。 随着全球经济一体化的发展，我国与世界各国的联系越来越紧密。国际物流业作 为现代服务经济的重要组成部分，必将成为中国对外贸易的巨大推动力量，也将成为我国新的经济

2、增长点。而在国际货物运输中，海洋运输占据了举足轻重的地位，据统计，海洋运输在国际货运总量中占 80%以上，是国际物流中最主要的运输方式。 集装箱船是专门运输集装箱的货船。集装箱船的突出优点是装卸速度快，可大幅度缩短船舶在码头的停泊时间，从而增加航次。普通杂货船的最大缺点是装卸效率太低，难以实现装卸作业机械化，其停泊港口的时间几乎占整个营运时间的 40% 50%，装卸费用占营运费用的 40% 60%。集装箱船还由于装卸人员的减少， 理货手续的简化，包括费用节省，易于实现装卸作业的机械化，从而使货运成本远远低于普通杂货船。 总结集装箱船运输的优越性主要体现在： 1）提高装卸效率、减轻劳动强度； 2

3、）减少货损货差、提高货运质量； 3）加快车船周期、提高运输能力； 4）节省包装费用、简化理货手续； 5) 减少营运费用、降低运输成本； 6）简化货运手续、便于货物联运。 2.船舶振动特性的研究现状 船舶结构是由杆、梁、板、壳等构件组成的弹性体，船体构件的质量与刚度具有分布的性质，包含了无限个质点。船舶受波浪和机械设备产生等多种载荷作用将产生结构振动，理论上 是将这类具有无限个自由度的弹性体振动，简化为有限个自由度系统进行振动分析。 船舶振动是在 50 年代后半期才开始蓬勃发展起来的一门学科，是研究船体结构振1 动以及与船体结构振动有关的动力装置、船型等问题。 20 世纪 60 年代后，随着电子

4、计算机和有限元理论的发展，目前己广泛采用有限元技术分析复杂的弹性体结构的振动。 能量法。应用求解船舶自由振动的方法很多，有瑞利法、西曼斯曼法等。能量法的基本原理是应用能量守恒定律。瑞利法是将船体结构振动简化为单自由度系统的振动，它是计算弹性系统振动的基础，具体做法是假设振形函数，满足几何 的 (即端点的位移和转角 )边界条件，将船体结构振动系统中最大动能与最大位能相等。 迁移矩阵法。船体的振动采用这种方法是较适宜的。它是将整个船体考虑为一根变剖面梁，分成若干段具有均匀刚性、质量分布的等直梁，从微段的微分方程出发，列出剖面的状态参数 (包括该处的变形和内力 )构成状态矢量，考察各微段结合处的状态

5、矢量在经过一个微段以及结合点处的传递和变化关系，并与船体两端的边界条件相结合，从而得到振动系统的数值解。 有限元法。 船体结构的有限元计算已经扩展到三维舱段立体结构计算或整艘船舶全部结构的有限元计算，船体各细部可 以真实的反映在计算中，使结构计算达到相当的精确和详细程度。对于一些技术密集型船舶、高性能船舶、特种新型船舶，传统的船舶设计规范很难满足其设计需要，有限元方法就成为这类船舶结构设计必不可少的工具 型船近似估算法。由于船舶振动问题的重要性，要求在船舶设计的早期估算船体振动的固有频率，以便为方案设计提供资料，把可能发生的振动隐患消灭于未然。但在船舶设计的早期，详细计算所需要的一些原始数据，

6、如剖面惯性矩、质量与浮力的分布曲线等尚未得到，要进行较为深入的计算是不可能的，因此，需要用型船的资料，近似估算船体振动的固有频 率。 3有限元法在船舶舱口盖（板梁结构）振动计算中的应用 有限元法也称有限单元法或有限元素法，是计算机辅助工程 CAE 的一种，有限元方法已成为工程结构分析中应用最广泛、最有效的数值方法之一。在我国造船领域，有限元技术的发展始于 20 世纪 70 年代，经过多年的研究开发，一些专用软件广泛应用在船舶设计、计算中，对我国船舶事业的发展作出了重大的贡献 。至今，亦已成为船舶设计中常用的一种方法。 在用有限元法率计算时，首先将结构离散成很多单元，如板元、膜元、梁元、杆元等，

7、通过节点连接而构成计算模型。在此基础上计算单元刚度矩 阵，再组装构成整个结构的刚度矩阵 ;同时，采用相应的办法 (如集中质量法或一致质量法 )构成质量矩阵。在2 计算船体结构固有频率时，可不计阻尼影响，从而将船体振动问题离散化为多自由度系统的自由振动方程，再应用子空间迭代法、 Lanczos 法和单茨 ( Ritz)向量法计算结构特征值及特征向量 (固有频率及模态形状 )。 目前广泛应用于船体振动计算的有限元模型主要有二维有限元计算模型、三维有限元计算模型、包括整个船体娓部在内的三维有限元计算模型、船体艉部结构和船体梁相结合的整船三维有限元计算模型共四类。但是各种有限元模型各有优 缺点，如舱口

8、盖二维有限元模型由于没有考虑船体与舱口盖之间的藕合影响，对基础刚度的取法有一定的人为误差，计算精度相对较差，但原始数据的准备比较简单，计算时间短，因此可作为初步估算之用；单独舱口盖筑三维有限元模型反映了舱口盖的实际结构，但需估算基础刚度，在有舱口盖基础刚度试验数据的情况下，可采用该模型，对于计算单独舱口盖固有频率来说，其计算结果是令人满意的，但它未能考虑与船体的祸合影响，有其局限性；整船三维模型能同时反映舱口盖的基础支撑情况和与船体总振动之间的祸合影响，计算精度较高，但模型比较复杂，数据量较多， 计算成本也较高，可按实际情况选用。 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题 论文研究了船体结构中的舱

9、口盖自由振动计算方法，主要研究内容包括以下几个方面： (1) 薄板的自由振动振动公式推导。从薄板板结构横向振动微分方程推导了薄板板结构固有频率和振型求解的解析方法，板结构四边简支、两对边简支的矩形薄板的自由振动。 (2) 船体板梁振动计算有限元理论与方法，学习了有限元方法在板结构动力学分析中的理论和方法应用，主要有有限元基本理论、振动方程、板结构的刚度矩阵和质量矩阵计算、固有频率和振型的计算等。 (3) 对于 舱口盖 结构的振动分析。 应用 大型有限元计算软件 MSC.Patran/Nastran 完成了舱口盖板梁结构振动分析，包括 Patran 软件模态分析功能学习、舱口盖板梁结构的有限元建

10、模与计算、舱口盖板梁结构振动计算结果分析等。 三、研究步骤、方法及措施 1、 学习 板梁结构 的相关内容，查找有关资料 ； 2、 学习有限元算法，对有限元有一定得了解 ； 3、 学习 PATRAN 软件基本操作 ； 3 4、 学习 PATRAN 软件 ，初步建立三维模型； 5、 学习 PATRAN 软件 对模型进行不同大小网格的划分； 6、 用 PATRAN 软件 对模型进行自由振动分析； 7、撰写结论总结。 四 、参考文献 1 吴福光 ， 蔡承武 . 振动理论 M. 北京 : 高等教育出版社， 1987 2 铁摩辛柯 . 板壳理论 M. 北京 : 科学出版社， 1977 3 WAN Zhen

11、g-quan ， XU Bing-han.Stress Concentration Factors of Cutout of LongitudinalJ. Journal of Ship Mechanics， 2002， 6(3): 103 108 4 翁长俭，张宝玉 . 振动学 M. 北京：人民交通大学出版社， 1985 5 GUO Lie， WU Shi-chong， ZHU Sheng-chang， HE Fu-jian. The Prediction of Local Vibration Characteristics of Naval Ship StructuresJ. Journa

12、l of Ship Mechanics.2000， 12， （ 6）： 69 83 6 孙滢，张春辉，秦远珍舱盖结构的 PATRAN/NASTRAN 有限元分析 J贵州工业大学学报， 1999， 6（ 28）： 98 101 7 孙丽萍 . 船舶结构有限元分析 M. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社， 2004 8 金仲达 . 船舶概论 M. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社， 2002 9 刘炳楠，孙先波，古长江，张卫东 . 船舶舱口盖的分类及修理 J.中国修船， 2006，4， (2)： 19 22 10 顾永宁船体振动响应预报 J船舶工程， 1998， 5 (6)： 53 135 五、研究工作进度 (1) 2010.10.15-2010.11.5 外文资料翻译及文献综述撰写 (含开题报告 )； (2) 2011.02.16-2011.03.31 船舶振动和板壳振动理论收集； (3) 2011.04.01-2011.04.15 有限元理论与方法研 究； (4) 2011.04.16-2011.04.30 Patran 软件学习； (5) 2011.05.01-2011.05.15 舱口盖建模、模态分析； (6) 2011.05.16-2011.05.31 完成毕业论文写作和打印； (7) 2011.06.01-2011.06.05 毕业答辩准备、毕业答辩、教师评阅。