集装箱船锚机底座的自由振动分析【开题报告】.doc

1、 毕业论文开题报告 船舶与海洋工程 集装箱船锚机底座的自由振动分析 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 1.船体振动特性的研究现状 船舶结构是杆 、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

2、杂的弹性体结构的振动。 能量法。应用求解船舶总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

3、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，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

4、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。 2.船舶振动特性的研究的必要性 船体是一种复杂的弹性结构，在船舶的营运过程中将受到各种外界激振力的作用而产生总体的振动，这种振动有时会对船员及乘客的舒适性等产生有害影响，使乘客和服务 人员感到不适，还会使设备仪表失灵或损坏，而且振动还会在结构构件中产生交变应力，加速结构疲劳，影响船体强度。因此在船舶设计阶段就需要准确地估算出船体结构的动态特性及其响应，指导正确选择螺旋桨叶数和主机缸数，以免船舶总体发生共振。另外，船体是一种复杂的弹性结构，在船舶的营运过程中总会受到主机、螺旋桨、波浪等外界激振力的作用而产生不同程度的振

5、动甚至有害振动，从而对船舶结构强度产生破坏，对船舶的正常运营、船员及乘客的舒适性等带来严重影响。因此，在船舶的设计阶段，必须要能较准确地预报船体结构振动的固有频率及响应，以正 确选择主机型号和螺旋桨叶数等，从而避免共振，降低振动响应。 因此，在船体总振动的分析过程中，对建模方法的研究是非常有研究意义的。由于船舶总体结构较为复杂，其完整三维模型的建立较为复杂，而在总振动研究中船体看作梁模型来处理，即船体梁。因此通过构造简单箱型薄壁梁模型，并研究其建模方法，对船体总振动建模方法研究也是具有指导意义的。 3.有限元法在船舶锚机底座振动计算中的应用 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

6、 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。 有限元方法是一套求解微分方程的系统化数值计算方法，它比传统解法具有理论完整可靠，物理直观意义明确 ,解题效能强等优点。特别是这种方法适应性强 ,形式规范，所以近年来在电子计算机的配合下，已推广应用到很多工程技术部门和某些科学领域，实现了固体力学、弹性力学、航天结构、反应堆结构、高层建筑结构、石油运移等相关领域的实际计算。 有限元方法在船舶各方面也有积极的应用，可以应用于复杂的上层建筑、船舶主体部分、船舶轴系的扭转振动等等。尤其船体结构中的许多板类构件，如船壳或锚机底座等，因为其结构太复杂而不能用经典技术来进行分

7、 析，所以不得不应用一种近似的方法在我国造船领域，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，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

8、 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、三维有限元模型、包括整个船体娓部在内的上层建筑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，如锚机底座二维有限元模型由于没有考虑船体与锚机底座之间的藕合影响，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；锚机底座三维有限元模型反映了锚机底座的实际结构，但需估算基础刚度，在有锚机底座基础刚度试验数据的情况下，可采用该模

9、型，对于计算单独锚机底座的自振频率来说，其计算结果是令人满意的，但它未能考虑与船体的耦合影响，有其局限性；整船三维模型能同时反映锚机底座的基础支撑情况和与船体总振动之间的耦合影响，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锚机底座自由振动计算方法，主要研究内容 包括以下几个方面： 1、讨论了薄板振动问题，推导薄板自由振动公式。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，以及板结构四边简支和两对边简支的矩形薄板的自由振动 ,并以四边简支的薄板为算例对其进行有限元分析；

10、 2、对船体板梁组合结构振动进行简单的分析介绍，并以短对边固支的加筋板为算例对其进行有限元分析； 3、对于锚机底座结构的振动分析。应用大型有限元计算软件 MSC.Patran/Nastran完成了对锚机底座结构的振动分析，包括 Patran 软件模态分析功能学习、锚机底座结构的有限 元建模与计算、锚机底座结构振动计算结果分析等； 4、对锚机底座进行了不同条件下的建模，然后对比结果得出结论。先是把锚机底座的网格划分的更密，然后对比结果，分析结果；对锚机底座的边界条件进行改变，然后对比结果，分析结果 ,最后得出结论。 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

11、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； 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。 四、参考文献： 1 陆忠杰 ,赵 寅 ,曹建毅 ,等 .5000HP 油田供应守护船振动问题分析和治理 J.船舶设计通讯 .2010,124（ 2） :23 27. 2 邹 勇 ,郑莎莎 ,徐铭麒 .28000 吨多用途货船船体振动分析 J.船舶设计通讯 .1999,99（ 1-2） :18 23. 3 黎 胜 ,赵德有 .船舶板梁组合结构的振动分析 J.

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