船舶与海洋工程毕业设计：开孔形状对船体加筋板振动的影响.doc

1、本科毕业论文（20 届）开孔形状对船体加筋板振动的影响所在学院 专业班级 船舶与海洋工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科毕业论文 目录2目 录1 绪论 .51.1 论文研究的背景目的和意义 .51.2 加筋板振动的原因分析 .51.3 本文研究的主要内容 .62 板的振动理论 .72.1 弹性薄板基本概念及其基本假定 .72.2 弹性薄板理论的基本动力学方程 .72.2.1 初始条件 .72.2.2 边界条件 .82.2.3 基本方程 .82.2.4 位移分量 .82.2.5 应变分量 .92.2.6 应力分量 .92.2.7 内力分量 .92.2.8 运动方程 .11

2、2.3 开孔板振动 .112.4 板振动的有限单元法 .123 加筋板振动有限元法原理 .173.1 有限元法基本简介 .173.2 设计方法 .193.3 有限元分析法的应用优点 .203.4 结构振动分析的基本方程 .203.4.1 结构振动的三大类变量 .203.4.2 结构振动的三大类方程及边界/初始条件 .213.4.3 物理方程 .213.5 结构振动求解的虚功原理 .223.6 结构振动的有限元分析列式 .234 计算不同开口形状对加筋板振动的影响 .26本科毕业论文 目录34.1 验证算例： .264.2 对比模型算例 .304.2.1 对比算例相关数据 .304.2.2 算例

3、 1：矩形开口的加筋板 .324.2.3 算例 2：方形开口的加筋板 .354.2.4 算例 3：圆形开口的加筋板 .394.2.5 算例四：矩形开口加筋板结构（网格划分加倍） .425 结论与展望 .46参考文献 .48致谢 .50外文翻译 .51本科毕业论文 摘要4摘 要加筋板结构是工程中最常见的结构之一，广泛应用于船舶与海洋工程、航空航天工程、土木工程、车辆工程等结构中。船舶结构中的各种振动，不仅影响船舶的使用性能，严重的可能导致船体结构的破坏。因此研究具有开口的加筋板的振动具有重要的理论意义和实用价值。本论文围绕不同开孔形状对加筋板振动的影响展开分析研究，其内容包括板壳振动理论、有限元

4、方法理论和应用、MSC.PATRAN 软件的应用。论文的分析结果对于船舶结构中涉及开孔板的振动方面有一定的指导意义。关键词 加筋板；振动理论；开口形状；有限元分析；本科毕业论文 正文5Influences of hole shape on the vibration of stiffen plateAbstract Stiffened plate structure is one of the most common one in engineering. It is used in ship building and marine engineering, aerospace enginee

5、ring, civil engineering, vehicle engineering and other structures widely. The various vibration of ship structure not only affects the ships performance but also results in serious damage to the hull structure. Therefore, studying influences of hole shape on the vibration of stiffen plate has import

6、ant theoretical and practical value. In this thesis, we analyze the effect of hole shape on the vibration of stiffen plates. It also includes shell vibration theory, theory and application of finite element method, using MSC.PATRAN software. All the results obtained in this thesis will have a certai

7、n significance for the vibration of the plates with hole.Keywords Stiffened plate; Vibration theory; Hole shape; Finite element analysis本科毕业论文 正文61 绪论1.1 论文研究的背景目的和意义加筋板结构是工程中最常见的结构之一，广泛应用于船舶与海洋工程、航空航天工程、土木工程、车辆工程等结构中。 1近年来，随着国民经济的高速发展和国内需求的不断增长，船舶航运有了较快的发展，这促使船舶行业大力发展，同时对船舶的安全性能要求做了进一步的要求。船舶的振动给船舶设

8、计和使用带来烦恼，近三、四十年来，船舶主尺度不断增加，为减轻船体结构重量而采用高强度钢，船体的刚度因而下降；另一方面，为提高航速，动力装置的功率不断提高，这样船舶振动的问题越来越突出。剧烈的船体振动会使船舶结构产生疲劳破坏，使船上的机械、设备的正常使用受到影响，使船上人员感到不舒适甚至影响健康，因此在现在工业发展下，各个国家都投入大量的时间、财力来研究船舶振动问题。船舶航行时, 船体板架受到静水弯矩和波浪弯矩的作用, 因此总是处于复杂的弯曲状态。为了防止船体板架的自振频率和激振源的频率重合而发生共振, 精确地预估船体板架的固有频率有着极其重要的意义。合理地使用加筋板结构，可以保持结构性能的同时

9、减轻系统质量，能在较大程度上减少制造材料 的消耗, 从而降低制造成本。研究加筋板结构的结构优化,减小系统的材料体积,具有较强的研究意义。研究加筋板上的开口形状对板的振动影响，提高板的利用率，尽可能方便开口，这样对于提高船舶的经济性能有较大的意义。1.2 加筋板振动的原因分析由于船体振动的复杂性，故要分析船的振动，只有抓住主要原因进行分析，从主要因素入手：1、 确定振动源船体振动的主要振源是位于船体尾部的螺旋桨、轴系和主机，他们在运转时产生周期干扰力，使船体产生振动。2、 分析主要振源产生的干扰力本科毕业论文 正文7（1）螺旋桨激振力可分为表面力和轴承力，频率都为叶频，即 。其中，表12enZ面

10、力经水作用于桨上方的船壳板，其合力方向为垂向；轴承力通过桨轴和轴承作用于船体，其分力表现为推力 、垂向弯矩 和垂直力 、水平弯矩 和水平力 、VPvMzPzMXP转矩 。激振力往往是振动的主要干扰力，需予以重视。XM（2）轴系的振动也产生干扰力，但该船轴系设计中临界转速不在主机工作转速范围内，工作转速避开了“转速禁区”，只要轴系校中良好，轴系振动的影响可以忽略。（3）主机产生的干扰力是三阶不平衡横摇力矩，频率是 ，通过机座作用于机3en舱板架。由于是高阶分量，估计影响不大。3、 分析干扰力引起的船体结构振动（1）表面力在局部上引起该处船底板格的横振动和艉舱立体分段的垂向振动，在总体上引起船体梁

11、的垂向总振动。（2）轴承力的分力 引起上层建筑和船体的纵向运动，因船体纵向振动的等效刚xP度极大，振幅极微，故可忽略；垂向弯矩 和垂直力 引起机舱船底板架以至全船yMXP的垂向振动；水平弯矩 和水平力 引起机舱板架以至全船的水平方向振动。XX（3）转矩 引起轴系和主机的扭转振动。M从上面分析可知，轴系和主机的扭振较小，主机与轴系这一系统也没产生妞振共振，故对全船的扭转振动影响较小，这一部分只考虑主机三阶不平衡横摇力矩引起的机舱船底板格的垂向振动。4、 局部振动与船体总振动的耦合（1）船底板格与船体分段及全船相比，质量微小，振动频率高，故板格振动可以从船体分段及全船的总振动中分离出来，单独计算。

12、而艉分段作为立体结构，质量较大，且与船体前部耦合，故艉部的振动不能与船体梁总振动分离，应视为总振动中的一部分。（2）机舱船底板架质量较大，且与货舱区双层底骨架相互交错，连接刚度大耦合紧，其振动不能与船体总振动相分离。 20本科毕业论文 正文81.3 本文研究的主要内容船体加筋板振动软件计算。主要是船体加筋板开孔振动有限元模型的正确建立以及计算结果的分析。2 板的振动理论2.1 弹性薄板基本概念及其基本假定板壳的动力问题是近代许多工程部件设计与研究的关键。诸如各种动力机械、运输机械、船舶结构、隧道、大跨度结构的屋顶以及各种新型的建筑都有各种各样的板壳结构。在实际工程中，我们经常会遇到平板的设计。

13、首先给出平板的定义：中面为一平面的扁平连续体称为平板。当厚度远小于中面平面尺寸时称为薄板。平板主要承受垂直中面的横向荷载，对于厚度尺寸远小于平面上另两个尺寸的薄板来说，可以采用一系列的反映薄板力学特性的简化假设，使原始的三维问题降为二维问题来分析。弹性薄板横向振动理论的基本假定为：（1）变形前垂直于中面的直线在变形后仍为一直线，并保持与中面垂直。（2）忽略沿着中面垂直方向的法向应力。（3）只计入质量的横向惯性力，而略去其转动惯性力。（4）无沿中面面内的变形。假定（1）就是所谓的“直法线”假定，是薄板振动理论的基础。这一个假定的实质是使板件内整个变形状态只取决于中面挠曲面形状。将求解三维变形体的

14、问题变为确定二维挠度曲面的问题。假定（2）则认为垂直方向的法应力也比弯曲应力小的多。以上两点对于厚度尺寸比平面尺寸小的多的薄板而言是近似成立的。2.2 弹性薄板理论的基本动力学方程假定（1）认为法线永远与中面垂直，即横向剪切变形为零，即认为横向剪应力比平面方向的弯曲应力要小很多；假定（2）认为垂直方向法应力比弯曲应力小很多。这两点对于厚度尺寸比平面尺寸小得多的薄板而言是近似成立的。工程上通常认为当板厚 h 与板的最小平面跨度 b 之比 h/b 就可以看成是薄板。假设（ 4）认为中面内不10本科毕业论文 正文9产生拉压、剪切，从而也就没有中面内变形，即认为中面内薄膜力远小于横向荷载产生的弯曲应力

15、。考虑一个具有任意边界形状的各向同性均质等厚薄板，取板的中面为xoy 平面，z 轴垂直于 xoy 平面，板厚为 h，z=-h/2 为受载面，中面挠曲函数为w(x，y ，t)。2.2.1 初始条件在薄板情况下，挠度 w 在初始时刻应满足的沿着板面给定的挠曲与其速度的分布：（2.1）),(0yxwt）（2.2）)(t2.2.2 边界条件薄板振动所应满足的边界条件和薄板静力问题一样，一般有固定、简支、自由等几种。下面给出了对于边界 r 的固定、简支和自由三种边界条件。1 固定边：其边缘上各点挠度为零以及沿该边垂直方向的挠度斜率为零，即； （2.3）0rw）（ 0)(rz2 简支边：其边缘上各点挠度以

16、及弯矩为零，即 ； （2.4）r）（ )(rzM3 自由边：其边缘上各点弯矩、扭矩、剪力为零，即； （2.5）0)(rz)(rzV2.2.3 基本方程得到薄板横向振动的基本微分方程：（2.6）),(2 2224244 txyDqtwhywDhyxw式中 为板件质量密度，q 为单位面积板件上所承受横向动荷载。这是关于挠曲面函数 w(x，y ，t) 的四阶偏微分方程。若求得满足边界及其初始条件的方程的解w(x，y ，t) ，则可求得内力，应力，应变等等。很明显，薄板小挠度振动的基本问题归结为在给定动荷载及边界条件和初始条件下定解方程。本科毕业论文 正文102.2.4 位移分量（2.7）0,wuxyztuxytz（2.8）0,vtvt式中 u ，v 为中面位移，根据假定（3）应该为零，因此有板内平面位移 ：0（2.9）(,),wxytuxyzt（2.10）, tvt2.2.5 应变分量（2.11）2x xuwzk（2.12）2y xvy（2.13）2xy xyyuwzzk式中 ， ， 分别为挠曲面得曲率与扭曲率。xkyx2.2.6 应力分量考虑到假定（2） ， ，有：0z（2.14）)(1yxxvE（2.15）y（2.16）Gxy解出应力分量，代入应变表达式：（2.17）)(1)(1 222 ywvxzvEvEyxx